устройство для получения отливок с монокристаллической структурой

Формула изобретения

1. Устройство для получения отливок с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, содержащее керамическую оболочку, формируемую послойным нанесением керамической суспензии на модель, и в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, полость со вставкой-кристаллоотборником и полость, образующая отливку, отличающееся тем, что затравочная полость выполнена в основании вставки-кристаллоотборника, при этом в верхней части вставки-кристаллоотборника выполнено гнездо для обеспечения вертикальной соосности вставки и модели при их сборке.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верх затравочной полости выполнен с углом 0-55^o к вертикальной оси.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на боковой поверхности гнезда вставки-кристаллоотборника выполнена плоскость для обеспечения соосности ее и модели в горизонтальной плоскости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов, в частности отливок турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Известно устройство для получения монокристальных отливок, содержащее керамическую оболочку со стартовой полостью, полостью кристаллоотборника в виде спирального литникового хода - геликоида, служащего для отбора одного кристалла из множества столбчатых зерен, и полости для формирования отливки (патенты США 3519083, 4133368). Однако применение такого устройства - оболочковой литейной формы требует заливки расплава непосредственно на водоохлаждаемый холодильник, что создает значительные трудности при креплении формы на холодильнике. Кроме того, такое устройство позволяет получать отливки только с ориентацией [001] с точностью всего 10-15^o.

Известно также устройство для получения монокристаллов, содержащее керамическую оболочку с полостью, в которой установлена затравка, соединенная литниковым ходом с полостью, образующей отливку (патент США 4714101). Недостатком этого устройства является трудность получения в нем совершенных монокристаллов, связанная с тем, что при нагреве формы под заливку на затравке образуется налет, препятствующий передаче структуры к отливке.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения монокристальных отливок (патент РФ 2080209 кл. В 22 D 27/04), которое содержит керамическую оболочку, формируемую послойным нанесением керамической суспензии на модель, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, полость со вставкой-кристаллоотборником и полость, образующая отливку. Недостатком указанного устройства является трудность создания плотного соединения между торцом вставки-кристаллоотборника и верхом полости, где эта вставка размещается. В процессе направленной кристаллизации в этом зазоре могут образоваться посторонние кристаллы, прорастающие в полость отливки, в результате чего последняя бракуется.

Технической задачей данного изобретения является увеличения выхода годных монокристальных отливок по структуре.

Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, включающее керамическую оболочку, формируемую последовательным нанесением слоев керамической суспензии на модель, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристальной затравкой заданной кристаллографической ориентации, полость со вставкой-кристаллоотборником и полость, образующая отливку, при этом согласно изобретению затравочная полость выполнена в основании вставки-кристаллоотборника, при этом в верхней части вставки-кристаллоотборника выполнено гнездо для обеспечения вертикальной соосности вставки и модели при их сборке.

Для получения отливок с заданной аксиальной кристаллографической ориентацией верх затравочной полости, примыкающий непосредственно к кристаллоотборнику, выполнен под углом 0-55^o к вертикальной оси.

Для получения отливок с заданной пространственной кристаллографической ориентацией на боковой поверхности гнезда вставки-кристаллоотборника выполнена плоскость для обеспечения соосности ее и модели в горизонтальной плоскости.

Для этой же цели на боковых поверхностях затравочной полости и затравки выполнены плоскости.

Предлагаемое устройство позволяет повысить выход годных монокристальных отливок по структуре, так как затравочная полость выполнена в основании вставки-кристаллоотборника, при этом в верхней части вставки- кристаллоотборника выполнено гнездо для обеспечения вертикальной соосности вставки и модели при их сборке.

При изготовлении формы керамическая суспензия наносится непосредственно на присоединенную к модели отливки керамическую вставку, хорошо смачивая последнюю. В результате полностью ликвидируются зазоры между стенками вставки-кристаллоотборника и литейной формы. За счет отсутствия этих зазоров, которые являются местом образования посторонних кристаллов в процессе направленной кристаллизации, резко повышается выход годных монокристальных отливок.

Наклон верха затравочной полости относительно вертикальной оси позволяет получать заданное отклонение ориентации отливки от какой-либо кристаллографической оси, например, [111] от затравки [001]. Максимальный угол такого отклонения в г. ц. к. структуре составляет 55^o.

Для получения заданной пространственной ориентации необходимо геометрические оси отливки ориентировать относительно кристаллографических осей затравки. С помощью плоскостей, выполненных на боковых поверхностях затравочной полости и затравки, последняя ориентируется относительно вставки-кристаллоотборника. Вставка-кристаллоотборник ориентируется относительно осей отливки путем установки и фиксации в ее гнезде с выполненной на боковой поверхности плоскостью выступа модели при их сборке.

Сама вставка ориентируется относительно кристаллографических осей затравки с помощью плоскостей, выполненных на боковых поверхностях затравочной полости и затравки.

На фиг. 1а показан общий вид устройства для получения отливок с монокристаллической структурой, где:

1 - керамическая оболочка;

2 - вставка-кристаллоотборник;

3 - криволинейный литниковый ход;

4 - затравочная полость, верх которой наклонен на угол 0-55^o;

5 - затравка;

6 - керамическая масса, фиксирующая затравку;

7 - гнездо во вставке;

8 - полость, образующая отливку.

На фиг.1б показана модель отливки, где:

9 - модель отливки;

10 - центрующий выступ;

11 - плоскость на центрующем выступе.

На фиг.1в показано сечение вставки и оболочки через гнездо, где:

12 - плоскость на боковой поверхности гнезда.

На фиг.1г показано сечение через затравочную полость, где:

13 - плоскость, выполненная на затравке;

14 - плоскость, выполненная на боковой поверхности затравочной полости.

В керамической оболочке 1, сформированной послойным нанесением слоев керамической суспензии на модель отливки 8, расположена вставка 2 с кристаллоотборником в виде криволинейного литникового хода 3 с выполненной в ней затравочной полостью 4, верх которой наклонен на угол 0-55^o. В верхней части вставки выполнено центрующее гнездо 7, соединенное с полостью 8, образующей отливку. В затравочной полости 4 установлена затравка 5, которая зафиксирована в полости 4 керамической массой 6. При сборке на выступ 10 модели 9 одевается вставка 2, обеспечивающая их вертикальную соосность. Для обеспечения соосности модели отливки 9 и вставки 2 в горизонтальной плоскости на боковой поверхности гнезда 7 и выступа 10 выполнены плоскости 11 и 12. Для обеспечения соосности затравки 5 и вставки-кристаллоотборника 2 на их боковых поверхностях выполнены плоскости 13 и 14.

Пример.

Изобретение проверялось при отливке плоских прямоугольных монокристальных образцов размером 15х30х120мм двух ориентировок: 1) вертикальная ось - [001] , горизонтальная, перпендикулярная широкой стороне образца - [100]; 2) соответственно, [001] и В обоих случаях для отливки монокристальных образцов использовались затравки с аксиальной ориентацией [001], полученные ориентированной вырезкой из заготовок произвольной ориентации. На боковой поверхности затравок выполнялись плоскости, параллельные направлению [100] для получения отливок [001] и для получения отливок [111]. На моделях прямоугольных слитков выполнялся цилиндрический выступ длиной 8 мм и диаметром 6 мм, на котором параллельно узкой стороне слитка располагалась плоскость. Во вставке-кристаллоотборнике выполнялось гнездо ответной конфигурации, а в затравочной полости формировалась плоскость, параллельная плоскости, расположенной в центрующем гнезде. Для отливки образцов [001] были изготовлены вставки без наклона верха затравочной полости, а для отливок [111] - вставки с наклоном 55^o.

Отливка монокристальных образцов проводилась на установке направленной кристаллизации УВНК-8П из жаропрочного сплава ЖС36-ВИ блоками по шесть штук.

Режим плавок: температура ниж. нагревателя - 1600-1610^oC

температура верх. нагревателя - 1550-1570^oС

температура заливки сплава - 1550-1560^oС

скорость вытягивания формы - 4-5 мм/мин.

Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели монокристальную структуру заданной ориентации с точностью 5-7^o.

Опробование данного устройства в промышленных условиях при литье монокристальных турбинных лопаток авиационных газотурбинных двигателей и стационарных установок показало, что оно обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до 90-95%.