2.3.2. Технология получения точнолитых изделий

После получения ПШЗ в вакуумной индукционной печи возможны три способа литья лопаток ГТД: равноосное, направленное и монокристаллическое..

Рисунок 52 а) равноосный, б) с направленной кристаллизацией, в) монокристаллический

Если мы рассмотрим фронт кристаллизации, то в зависимости от литья, от состава сплава (ТL), от того, как сложатся внешние условия затвердевания возможны три типа литья. Все определяется теорией концентрационного переохлаждения, его наличием или отсутствием. При зарождении перед фронтом кристаллизации получаем равноосное литье (G3); обеспечиваем больший температурный градиент – направленное затвердевание; еще больший температурный градиент – монокристаллическое литье.

Рисунок 53 фронт кристаллизации

2.3.2.1. Равноосное литье

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают цилиндрики из оксида алюминия на место будущих каналов охлаждения. Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500°С в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но со стержнями вместо каналов внутри.

Рисунок 54 Равноосное литье: микро и макро структуры

Сплав, залитый в форму, охлаждается вместе с ней. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, поэтому работающие лопатки разрушались по границам зерен. Тогда было предложено ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими.

2.3.2.2. Направленное затвердевание

Анализ причин разрушения современных жаропрочных сплавов показал, что наиболее уязвимое место в структуре – граница зерен. Поэтому была поставлена задача минимизировать протяженность границ, а дальше и вовсе их убрать.

Первым шагом стало направленное затвердевание, позволяющее убрать все поперечные границы, оставив лишь продольные.

Расплавленный металл заливается при температуре примерно 1600^оС в огнеупорную керамическую форму, дном которой является медная водоохлаждаемая плита. При затвердевании образуется структура из однонаправленных столбчатых кристаллов с ориентацией [001], подобно тому, как это наблюдается при кристаллизации расплава на холодных стенках изложницы.

По мере развития возникших зародышевых центров, те из них, которые примыкают к ориентации [001], вследствие преобладающей скорости роста, будут подавлять рост всех прочих зерен.

Рисунок 55 Направленное затвердевание : микро и макро фотографии

Наибольшее распространение получила печь с затвердеванием в жидком металлическом охладителе.

Это обычная вакуумная индукционная печь емкостью до 30 кг с установкой направленного затвердевания в жидком металлическом охладителе. В печь помещают ПШЗ без ее разгерметизации, с помощью устройства ввода шихты. Нагрев ведут форсированно до расплавления и перегревают на 150-170⁰ С выше ликвидуса. После небольшой выдержки (2-3мин) металл разливают в установленную предварительно форму изготовленную по выплавляемой модели с вмонтированной в днище затравкой. Печь, как правило, трех-зонная. Примерный набор температур в зонах – 1520-1540-1600⁰С. Жидкий металл охладитель залит в чугунный цилиндр. Металл специально не охлаждают, так как чугунный цилиндр стоит на водоохлаждаемом корпусе печи, и этого охлаждения достаточно для теплоотвода. Линейная скорость перемещения фронта кристаллизации – 10-20 мин. Чем больше лопатка, чем выше требования к качеству, тем медленнее скорость протяжки.

В верхней части печи температура невысокая, чтобы исключить длительное взаимодействие расплава с материалом стенок печи. Чем ближе к фронту кристаллизации, к жидкому охладителю, тем выше температура для обеспечения высокого градиента на фронте кристаллизации. После полного затвердевания, которое наблюдается в крайнем нижнем положении формы, форму извлекают из печи, разбивают «корку», извлекая металлическое изделие.

Рисунок 56 Схемы направленной кристаллизации: а- с радиальным охлаждением отливок (1 – керамическая форма с отливкой;2 – водоохлаждаемый кристаллизатор;3 - нагреватель сопротивления.) б-с жидкометаллическим охладителем (2’ – емкость с жидкометаллическим охладителем; 4 – система подвески формы) в - с жидкометаллическим охладителем и двухзонным нагревателем(3’ – дополнительный нижний нагреватель )

В процессе НК с радиационным способом охлаждения отвод тепла от затвердевающей отливки осуществляется через водоохлаждаемую металлическую плиту-«холодильник» теплопроводностью и излучением от наружной поверхности керамической формы на холодные стенки печи. С увеличением высоты затвердевшего слоя металла передача тепла в «холодильник» замедляется. Когда затвердевший слой достигнет величины ≥70 мм от поверхности водоохлаждаемой плиты, отливка в основном будет охлаждаться излучением от боковых поверхностей формы.

Интенсифицировать теплопередачу можно, если:

- применить конвективное охлаждение форм с отливкой в жидкой ванне вместо охлаждения формы излучением в вакууме;

- обеспечить минимальное расстояние А (см.рис ,б) между теплостоком и фронтом кристаллизации сплава отливки, т.е. обеспечить максимальный тепловой напор ΔТ.

Для дальнейшего увеличения теплового напора ΔТ и уменьшения расстояния между фронтом кристаллизации и уровнем охладителя был разработан двухзонный нагреватель сопротивления, обеспечивающий высокие температурные градиенты на фронте роста без существенного перегрева остальной части формы.