способ получения протяженных отливок с направленной структурой из сплавов

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ СПЛАВОВ, преимущественно жаропрочных с использованием керамической формы, включающий ее нагрев на 50 - 150^oС выше температуры ликвидуса заливаемого сплава, заполнение расплавом и последующее охлаждение, отличающийся тем, что заполнение керамической формы расплавом осуществляют порциями по мере его кристаллизации, причем каждую новую порцию расплава заливают в керамическую форму после перемещения фронта кристаллизации на расстояние, равное 0,5 - 0,95 высоты столба расплава предыдущей порции по высоте формы после заливки очередной порции, при этом объем очередной порции определяют поддержанием упомянутой высоты столба расплава в пределах 100 - 400 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может найти применение в литейном производстве для получения протяженных отливок с ориентированной структурой.

Известен способ получения многослойного слитка путем заливки расплавленного металла или сплава одного или разного состава порциями в изложницу [1].

Недостатком этого способа является то, что не обеспечивается стабильность получения протяженных отливок с направленной структурой сплавов.

Известен также способ получения литых штампов, включающий послойную заливку сплава в литейную форму, изготовленную из цирконового концентрата, и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, при этом один слой из высоколегированной износостойкой инструментальной стали толщиной 10-50% объема литейной формы, второй слой - из сплава с теплопроводностью большей чем у сплава первого слоя, причем заливку расплава второго слоя ведут после затвердевания первого слоя на 30-80% по объему порции [2].

Недостатком этого способа также является нестабильность процесса получения протяженных отливок с направленной структурой.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ получения отливок преимущественно турбинных лопаток методом направленной кристаллизации в керамических формах, изготовленных по выплавляемым моделям, включающий заливку расплава в форму, имеющую температуру на 50-150^оС выше температуры ликвидуса заливаемого сплава, перемещение литейной формы из зоны нагрева в зону охлаждения и кристаллизацию [3].

Недостаток данного технического решения состоит в том, что при получении крупных протяженных отливок из-за продолжительного высокотемпературного нагрева керамических форм существенно снижается их прочность. При этом при заливке формы расплавом и в процессе его кристаллизации последний оказывает на стенки формы силовое воздействие, которое обусловлено гидравлическим давлением в расплаве. С увеличением габаритных размеров (высоты) отливки соответственно увеличивается высота столба расплава, а следовательно гидравлическое давление и нагрузка на стенки формы, что приводит к деформации литейной формы, нарушению геометрических размеров отливки, а в некоторых случаях к разрушению формы и вытеканию расплавленного металла, что может привести к аварийным ситуациям.

Применение опорного наполнителя позволяет повысить сопротивление материала литейной формы возникающим нагрузкам, что дает возможность повысить надежность и стабильность процесса получения крупных протяженных отливок. Однако при этом в связи с высоким термическим сопротивлением наполнителя существенно снижается скорость охлаждения отливки и следовательно производительность всего процесса получения отливок. Кроме этого, применение опорного наполнителя значительно усложняет процесс получения протяженных отливок с направленной структурой сплавов.

Целью изобретения является повышение надежности и стабильности процесса получения отливок с направленной структурой сплавов при повышении производительности.

Способ предусматривает нагрев формы до температуры на 50-150^оС выше температуры ликвидуса заливаемого сплава, заполнение формы расплавом и охлаждение, при этом заполнение керамической формы расплавом осуществляют порциями по мере его кристаллизации, причем каждую новую порцию расплава заливают в форму после перемещения фронта кристаллизации на расстояние равное 0,5-0,95 от высоты столба расплава предыдущей порции по высоте формы после заливки очередной порции, а объем очередной порции выбирают таким образом, чтобы упомянутая высота столба расплава находилась в пределах 100-400 мм.

Заполнение литейной формы порциями обеспечивает снижение гидростатического давления со стороны расплавленного металла на стенки формы и следовательно приводит к уменьшению величины напряжений, возникающих в стенке и являющихся причиной ее деформации и разрушения.

Таким образом увеличивается запас прочности материала формы и надежность процесса. Это дает возможность использовать керамические формы для литья без опорного наполнителя, что позволяет существенно увеличить производительность процесса.

Расстояние от фронта кристаллизации должно быть равным 0,5-0,95 от высоты предыдущей порции при заливке очередной порции расплава. В случае увеличения расстояния более 0,95 от высоты предыдущей порции возможно образование в отливке структурных и других литейных дефектов: разрушение дендритных осей, образование новых центров кристаллизации, поперечных границ зерен и поверхностей раздела в виде недоливов и спаев.

Уменьшение расстояния менее 0,5 от высоты предыдущей порции нецелесообразно в связи с увеличением количества заливок, необходимых для заполнения всей литейной формы.

Высота столба расплава после заливки очередной порции, равная не более 100-140 мм, определяется условием неразрушения формы. Увеличение указанного предела приводит к существенному повышению вероятности разрушения формы и снижению надежности процесса. Уменьшение высоты столба менее 100 мм нецелесообразно в связи с увеличением количества порций, необходимых для заполнения всей литейной формы и, следовательно, трудоемкости технологического процесса литья.

Способ реализуется следующим образом.

Предварительно подготовленную керамическую форму нагревают на 50-100^оС выше температуры ликвидуса заливаемого сплава. После этого в форму заливают порцию расплавленного металла, объем заливаемой порции предварительно определяют с учетом размеров рабочей полости формы и условия, что высота столба расплава по высоте формы после заливки этой порции не должна превышать 100-400 мм. Затем перемещают форму из зоны нагрева в зону охлаждения с технологически необходимой скоростью и обеспечивают направленную кристаллизацию залитой части отливки.

При достижении фронтом кристаллизации положения, при котором расстояние от него до зеркала расплава составляет 0,5-0,95 от высоты предыдущей порции, в форму заливают следующую порцию расплава. Объем порции предварительно определяют исходя из приведенных условий с учетом высоты столба незатвердевшего расплава предыдущей порции. Положение фронта кристаллизации по высоте отливки в процессе перемещения формы определяют экспериментальным путем с помощью термометрирования процесса. При заливке очередной порции расплава происходит его перемешивание с незатвердевшей частью предыдущей порции, что обеспечивает дальнейший направленный рост твердой фазы без нарушений структуры. Указанную последовательность операций повторяют до тех пор, пока не будет заполнена вся полость формы и осуществлена кристаллизация всей отливки.

Экспериментальная проверка целесообразности и эффективности предложенного технического решения осуществлялась на установке для направленной кристаллизации. Отливались заготовки пластин высотой 500 мм, толщиной 6 мм и шириной 100 мм. Из жаропрочного никелевого сплава, имеющего температуру ликвидуса, равную 1370^оС, керамические литейные формы изготавливали по методу выплавляемых моделей. Нагрев форм осуществляли до температуры 1500^оС в течение 30 мин. Экспериментальным путем была определена технологически необходимая скорость перемещения литейной формы, которая составила 5 мм/мин, и положение фронта кристаллизации в затвердевающей отливке в процессе литья. С учетом этих параметров, геометрических размеров и приведенных условий были определены объемы заливаемых порций и время заливки каждой из них в литейную форму.

В процессе перемещения формы заливали две-три порции расплавленного металла, вес которых составлял 0,5-2 кг. При этом высота столба расплавленного металла по высоте формы при заливке порций была равна 100-400 10 мм, а расстояние от фронта кристаллизации до зеркала расплава в форме при заливке составляло 5-20 мм. Общая продолжительность процесса кристаллизации всей отливки составила 1,5 ч. С использованием предлагаемого способа было отлито 10 заготовок.

Кроме того, отливали аналогичные заготовки с использованием способа, принятого за прототип.

В связи с тем, что при заполнении литейной формы расплавом в 80% случаев происходило ее разрушение, процесс проводили с применением опорного наполнителя. Керамическую форму, установленную в графитовый контейнер, заформовывали графитовой крошкой, после чего осуществляли процесс литья по следующим режимам: температура нагрева формы 1500^оС, время нагрева 1,5 ч, скорость перемещения контейнера не более 2 мм/мин. Общая продолжительность процесса литья составила 5 ч.

По данной технологии получено 5 заготовок.

Макро-и микроструктуру полученных отливок исследовали визуально и металлографическими методами. Проведенные экспериментальные исследования показали отсутствие структурных и других литейных дефектов в отливках, полученных по предлагаемому способу.

Отливки имели характерную столбчатую структуру, аналогичную отливкам, полученным по известной технологии, и удовлетворяли требованиям существующих технических условий.

Предложенный способ получения протяженных отливок с направленной структурой сплавов позволяет более чем в два раза увеличить производительность и повысить надежность и стабильность процесса получения отливок при сохранении структуры и свойств металла в соответствии с требованиями технических условий.

При использовании данного способа для изготовления рабочих лопаток стационарных газовых турбин с направленной структурой из сплавов производительность увеличивается в 3-5 раз, сокращается время процесса, что в свою очередь приводит к сокращению времени и снижению энергозатрат при производстве отливок. Благодаря снижению трудоемкости процесса и повышению его надежности сокращается брак и снижается себестоимость продукции.