2.3.2.3. Монокристаллическое литье
Вторым шагом стало формирование отливки, как одного металлографического зерна. То есть, лопатка – один дендрит. Получение такой лопатки предполагает не только высокоградиетное затвердевание, но и особенности начала процесса затвердевания. Эти особые условия предполагают дендритный рост из одного зародыша, что обеспечивается двумя методами:
- конкурентный рост кристаллов в кристаллоотборниках
- затравка
Рисунок 62 Макроструктура монокристалическилитой лопатки
В основу метода отбора положен принцип геометрического отбора одного кристалла из множества зародившихся и растущих от плиты-холодильника. Для осуществления такого отбора было разработано стартовое устройство, позволяющее «прорасти» в полость отливки только одному зерну с ориентацией [001]. В дальнейшем прямоугольные, многоповоротные литниковые ходы были заменены на спиральный литниковый ход, преимущественно в виде «гликоида»
Рисунок 63 Кристаллосборники при литье монокристаллических лопаток ориентации [001]
а-схема: 1 – стартовое основание; 2 – многоповоротный канал для отбора одного кристалла из множества первоначально зародившихся; 3 – монокристаллическая лопатка б- кристаллоотборник в виде геликоида
В процессе развития технологии литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой в основу была взята идея использования затравки, обеспечивающей наиболее естественный способ управления кристаллографической ориентаций отливки. Необходимо было решить, куда установить затравку, чтобы получить монокристаллическую лопатку. В результате было создано специальное стартовое устройство в виде «козырька» переменного сечения вокруг нижней плоской базы изделия.
При разработке стартового козырька, обеспечивающего получение монокристаллов жаропрочных сплавов, учитывались наблюдения за кристаллизацией капель раствора NH4Cl. В опытах по кристаллизации хлористого аммония было замечено, что при медленном испарении капли на ее периферии возникает небольшое число центров кристаллизации, чаще всего – только один центр. В начале своего развития кристаллический зародыш очень быстро растет в обе стороны по касательным к кольцевому ободку капли, причем скорость роста кристалла по окружности капли не менее чем в 50 раз превышает скорость роста внутрь капли. Возникающий на периферии капли центр кристаллизации является монокристаллическим зародышем: зародышем одиночного дендрита. Обегая окружность капли с большой скоростью, растущий дендрит принимает форму кольца, но его кристаллическая решетка при этом заметным образом не искривляется. Описав полную окружность или значительную ее долю, дендрит получает возможность расти своими ветвями только внутрь капли. В результате дальнейшей кристаллизации в поле капли образуется четыре системы взаимно параллельных ветвей, которые являются ветвями одного монокристаллического кольцевого дендрита. Следует отметить, что при неправильной форме растекшейся по стеклу капли наиболее вероятным местом появления первого зародыша является место, где кривизна контура капли наибольшая.
Рисунок 64 Схема «стартового козырька» при монокристаллическом литьеа – для одной лопатки : А – замок; В – стартовый козырек вокруг узкой 1 или широкой 2 стороны замка; б – для блока из шести лопаток; в, г – для одного или двух цилиндрических образцов; д – для прямоугольного слитка.
На этих наблюдениях был основан метод получения монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов. Путем охлаждения тонкого искусственно созданного места, так называемого «стартового козырька», получают один зародыш, который «обегает» в дальнейшем по периферии слитка, распространяется затем по всей горизонтальной плоскости, не позволяя появиться другим зародышам. Для надежного получения заданной ориентации в место естественного зарождения вводится затравка из жаропрочного сплава.
Для практической реализации метода разработаны специальные керамические подножия с плоской поверхностью и центральным карманом для размещения затравки, на котором (подножии) с помощью пресс-формы изготавливали стартовый козырек для 1-6 деталей из модельной массы на основе мочевины (см. рис. 67). Стартовый козырек для одного цилиндрического образца или лопатки (см.рис.67 а, в) обеспечивал очень низкий выход годного по структуре, что объясняется не только дефектами геометрии козырька (сколы, заусенцы, засоры), но и влиянием изменения угла падения тепловых лучей в процессе перемещения формы из нагревателя. Переход на стартовое устройство для двух образцов (см. рис. 67, г), козырьки которых соединены между собой, сместил точку зарождения монокристалла в более «холодное» место кристаллизационной печи и уменьшил влияние угла падения тепловых лучей в этой области. Этот подход сохранился и для блоков из 2, 4, 6 лопаток. Для обеспечения заданной кристаллографической ориентации предложено в точку естественного зарождения (стык козырьков) поместить монокристаллическую затравку первоначально из того же жаропрочного сплава, а позже из чистого никеля или из сплава никель-вольфрам. Для размещения затравки в стартовом подножии, как упоминалось ранее, был устроен специальный керамический затравочный карман, верхнее отверстие которого выходило точно в место сопряжения козырьков. Такое стартовое устройство позволило получить монокристаллические лопатки и образцы.
Естественно, использование такого способа получения монокристаллов потребовало не только активизации работ по керамическим формам, но и создания нового оборудования и его непрерывного усовершенствования. Так, кристаллизатор был вначале с гладкой верхней рабочей поверхностью (рис. 68, а), затем в нем было сделано углубление под затравочный карман (рис 68, б). Так как разогреть дно формы до требуемой температуры при наличии холодильника внутри нагревателя не удавалось, был разработан опорный стол (рис. 68, в), закрепленный на горизонтальном штоке, соосном с основным штокомо кристаллизатора. И, наконец, для создания требуемого градиента температур на затравке, был сделан специальный шток-холодильник малого диаметра, проходящий через весь кристаллизатор (рис. 68, г).
Рисунок 65 Устройства для литья монокристаллов: а, б – со стартовыми козырьками и медным холодильником( 1, 1’ – холодильник с плоской рабочей поверхностью и со специальным гнездом; 2, 2’ – керамическая форма с плоским дном и с затравочным карманом; 3, 3’ – нагреватели); в – с опорным столом (4), на подвижном штоке (5); г – с верхней подвеской форм (6) и двумя независимо управляемыми концентрично расположенными холодильниками (7, 8).
Отечественная технология получения монокристаллов реализована на серийных промышленных установках направленной кристаллизации двух типов. В установках первого типа (ПМП-2) направленный теплоотвод создается за счет радиационного теплоотвода от литейной формы выходящей из нагревателя. В таких установках G, на фронте кристаллизации составляет ~2°С/мм, что обеспечивает формирование монокристатьной или однонаправленной структуры отливки при скорости роста 3.0-3.5 мм/мин. Такая скорость определяет высокую производительность установки проходного типа ПМП-2. Литейная форма помешена в графитовую опоку с засыпкой из графитовой крошки. Опоки с формами через шлюзовую камеру- подаются в рабочий объем установки и перемешаются по графитовой направляющей, проходя последовательно зону предварительного нагрева, зону плавления шихтовой заготовки и заливки метана в форму. После этого опока с залитой формой поступает в зону кристаллизации, где расположен водоохлаждаемый кристаллизатор. Нагреватель в этой зоне обеспечивает направленный теплоотвод от основания формы к кристаллизатору. Пройдя зону кристаллизации, опока с полученной отливкой через шлюзовую камеру выводится из печи. Производительность установки составляет ~10 турбинных лопаток в час.
В установках второго типа (УВНК-8П) направленный теплоотвод создается за счет охлаждения формы вытягиваемой из нагревателя в расплав легкоплавкого металла - алюминия. Поскольку интенсивность теплоотвода при этом в несколько раз превышает интенсивность радиационного, создается возможность получения на фронте роста Gх=8-9°С/мм, что обеспечивает скорость роста R=10—20 мм мин Производительность процесса в этом случае гарантирована высокой R и литьем лопаток в блоках по 10-12 шт.
Междендритное расстояние λ в отливках зависит от скорости их охлаждения. При использовании установок ПМП-2 (низкоградиентных) λ001= 400-450 мкм (рис. 4 а), а установок УВНК-8П (высокоградиентных) - λ001=150-200 мкм (рис. 4. б). Отливки с более мелкой структурой обладают большими прочностными свойствами в литом состоянии. Методами термообработки можно выровнять свойства металла, устранив разницу- в ликвационной неоднородности по дендритной ячейке и в размере вторичной упрочняющей γ'-фазы.
Производство лопаток с направленной, а тем более с монокристаллической, структурой более трудоемко по сравнению с отливкой лопаток с равноосной структурой, но обеспечить работоспособность наиболее нагруженный лопаток 1 ступени турбины можно, лишь используя эти методы литья. Лопатки, отлитые методами направленной кристаллизации, наибольшее преимущество имеют при рабочих температурах выше 9000С; при меньших температурах их превосходство (по сравнению с лопатками, полученными равноосным литьем) незначительно. В связи с этим методами направленной кристаллизации отливаются преимущественно лопатки турбины 1 ступени, остальные – изготовляются с равноосной структурой.
Вместе с тем необходимо отметить, что оптимизация тепловых и динамических режимов в процессе направленной кристаллизации является весьма сложной проблемой. Требуется создание математических моделей направленной кристаллизации с выдачей соответствующих рекомендаций по конструктивным особенностям тепловых узлов и режимам литья в зависимости от конструкции лопаток и предъявляемых к ним требований.