RU2021877C1 - Method to produce castings of monocrystal structure - Google Patents
Method to produce castings of monocrystal structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2021877C1 RU2021877C1 SU4837949A RU2021877C1 RU 2021877 C1 RU2021877 C1 RU 2021877C1 SU 4837949 A SU4837949 A SU 4837949A RU 2021877 C1 RU2021877 C1 RU 2021877C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- seed
- casting
- alloy
- crystal
- mold
- Prior art date
Links
- 238000005266 casting Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 14
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims 5
- 229910000753 refractory alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 13
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 34
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 2
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 2
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007713 directional crystallization Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении изделий из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой заданной ориентации, например турбинных лопаток ГТУ (газотурбинных установок). The invention relates to foundry and can be used to obtain products from heat-resistant alloys with directional and single-crystal structure of a given orientation, for example, turbine blades of gas turbine engines (gas turbine units).
Известен способ получения изделий с монокристаллической структурой заданной ориентации, включающий заливку расплава в нагретую керамическую форму с применением затравки, при этом с целью удаления загрязнений, образующихся на рабочей поверхности затравки, на последней формируют защитный поверхностный слой переменного состава толщиной 75-125 мкм (мах 250 мкм), содержащий до 4-5 мас.% бора или до 10 мас.% кремния. В результате температура плавления указанного защитного слоя на 35-45оС ниже температуры ликвидуса сплава затравочного монокристалла. При нагреве формы вместе с затравкой происходят расплавление поверхностного слоя и образование жидкой прослойки между монокристаллом затравки и слоем загрязнений на ее поверхности, что должно, как предполагается облегчить их удаление (патент США N 4289570, кл.164-122.1, 1978.).A known method of producing products with a single-crystal structure of a given orientation, including pouring the melt into a heated ceramic mold using a seed, while in order to remove contaminants formed on the working surface of the seed, a protective surface layer of variable composition with a thickness of 75-125 μm (max 250 μm) containing up to 4-5 wt.% boron or up to 10 wt.% silicon. As a result, the melting point of said protective layer at about 35-45 C below the alloy liquidus temperature of the seed crystal. When the mold is heated, along with the seed, the surface layer melts and a liquid layer forms between the seed crystal of the seed and the layer of contaminants on its surface, which is supposed to facilitate their removal (U.S. Patent No. 4,298,570, CL 164-122.1, 1978.).
Однако данный способ не позволяет обеспечить гарантированное удаление загрязнений и передачу кристаллографической ориентации от затравки к отливке при практическом его использовании. However, this method does not allow for guaranteed removal of contaminants and transfer of crystallographic orientation from the seed to the casting in its practical use.
Это обусловлено тем, что в условиях длительного нагрева форм и динамического вакуума в промышленных агрегатах на рабочей поверхности затравки помимо окислов образуется слой загрязнений, вызванный сублимацией моноокислов алюминия и кремния, возникающих при высокотемпературных реакциях, а также локальным разрушением внутренней поверхности литейных форм и осыпанием частиц керамики на рабочую поверхность затравки. This is due to the fact that, under conditions of prolonged heating of molds and dynamic vacuum in industrial units, a contaminant layer forms in addition to oxides on the working surface of the seed, caused by the sublimation of aluminum and silicon monoxides that occur during high-temperature reactions, as well as local destruction of the inner surface of the molds and shedding of ceramic particles on the working surface of the seed.
Образующийся на поверхности затравки слой загрязнений представляет собой сплошную компактную оболочку, которая полностью изолирует затравку от расплава, исключая возможность передачи кристаллографической ориентации от материала затравки к отливке, в результате чего получаемые отливки имеют произвольную кристаллографическую ориентацию, отличную от заданной, что является браком отливок по структуре. The contamination layer formed on the seed surface is a continuous compact shell that completely isolates the seed from the melt, eliminating the possibility of transferring the crystallographic orientation from the seed material to the casting, as a result of which the resulting castings have an arbitrary crystallographic orientation that is different from the specified one, which is the marriage of castings in structure .
В связи с тем, что при использовании указанного выше способа образующаяся на поверхности затравки жидкая прослойка имеет незначительную толщину (до 250 мкм), она удерживается на поверхности монокристалла силами поверхностного натяжения, при этом возникающего в расплаве прослойки гидростатического давления недостаточно для разрушения образовавшегося монолитного слоя загрязнений. Увеличение толщины защитного слоя более 250 мкм не представляется возможным в связи с ограниченной глубиной диффузии указанных элементов в материал затравки. Due to the fact that when using the above method, the liquid layer formed on the seed surface has a small thickness (up to 250 μm), it is retained on the surface of the single crystal by surface tension forces, while the hydrostatic pressure arising in the melt of the layer is not enough to destroy the resulting monolithic layer of contaminants . An increase in the thickness of the protective layer of more than 250 μm is not possible due to the limited depth of diffusion of these elements into the seed material.
Передача кристаллографической ориентации согласно описываемой технологии достигается лишь в 15-18% случаев. Transfer of crystallographic orientation according to the described technology is achieved only in 15-18% of cases.
Известен способ получения изделий с монокристаллической структурой заданной ориентации, включающий заливку расплава и нагретую до температуры 1400-1550оС керамическую форму с применением затравки, имеющую температуру плавления на 20-170оС выше температуры ликвидуса отливки, при этом предварительно на рабочую поверхность затравки наносят защитный слой углеродсодержащего вещества, предназначенный для восстановления окислов, образующихся на рабочей поверхности затравки, преимущественно раствор поливинилбутираля с графитовой пылью в этиловом спирте или графите (авторское свидетельство СССР N 839153, кл. В 22 D 27/04, 1980).A method of producing single crystal articles with a predetermined orientation structure comprising pouring melt and heated to a temperature of 1400-1550 ° C using a ceramic form primers having a melting point at 20-170 ° C above the liquidus temperature of the casting, wherein the working surface previously applied primer a protective layer of a carbon-containing substance designed to restore the oxides formed on the working surface of the seed, mainly a solution of polyvinyl butyral with graphite dust in these industrial alcohol or graphite (USSR author's certificate N 839153, class B 22 D 27/04, 1980).
Однако, как и описанный выше способ, данное предложение не позволяет устранить образование на поверхности затравки большого количества загрязнений, т.к. процессы образования загрязнений и восстановление окислов протекают не одновременно, например сублимация моноокислов происходит при относительно невысоких температурах в области затравки, в то время как их активное восстановление возможно только при более высоких температурах (более 1000оС), когда на поверхности затравки уже образуется достаточно большое количество загрязнений и восстановительной способности защитного слоя оказывается недостаточно для их удаления.However, like the method described above, this proposal does not allow to eliminate the formation of a large amount of contaminants on the surface of the seed, because processes of contaminants and oxides recovery occur not simultaneously, e.g. sublimation monookislov occurs at relatively low temperatures in the region of the seed, while their active recovery is possible only at higher temperatures (over 1000 ° C) when the surface of the seed already formed sufficiently large the amount of contamination and the regenerative ability of the protective layer is not enough to remove them.
Указанный способ выбран в качестве прототипа. The specified method is selected as a prototype.
Цель изобретения - снижение брака монокристаллических отливок при серийном и массовом производстве за счет обеспечения надежной передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке. The purpose of the invention is to reduce the marriage of single-crystal castings in serial and mass production by ensuring reliable transfer of crystallographic orientation from the seed to the casting.
Это достигается тем, что в способе получения отливок с монокристаллической структурой заданной ориентации преимущественно из жаропрочных сплавов, включающем изготовление тугоплавкой монокристаллической затравки заданной ориентации из сплава с температурой плавления на 20-170оС выше температуры ликвидуса сплава отливки, нанесение на торцевую поверхность затравки защитного слоя, установку полученной затравки в полость литейной формы, нагрев формы до технологически необходимой температуры, заливку расплава, кристаллизацию, охлаждение и извлечение отливки, защитный слой на торце затравки выполняют из сплава, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллической решетки, заливку формы осуществляют после нагрева формы до технологически необходимой температуры и полного расплавления материала защитного слоя затравки, а кристаллизацию отливки начинают не позднее полного растворения материала затравки в расплаве материала защитного слоя.This is achieved by the method for producing castings with a predetermined orientation of the single-crystal structure mainly of superalloys, comprising manufacturing a monocrystalline seed refractory predetermined orientation of an alloy with a melting point at 20-170 ° C above the alloy liquidus temperature, casting, coating the primer end surface of the protective layer installation of the obtained seed into the cavity of the mold, heating the mold to the technologically necessary temperature, pouring the melt, crystallization, cooling and extraction of the casting, the protective layer at the end of the seed is made of an alloy identical to or similar to the casting alloy in terms of melting temperature and type of crystal lattice, the mold is cast after heating the mold to the technologically necessary temperature and the material of the protective layer of the seed is completely melted, and crystallization of the casting starts no later complete dissolution of the seed material in the melt of the material of the protective layer.
Нанесение защитного слоя на затравку осуществляют путем заливки расплава материала защитного слоя и его последующей кристаллизацией в специальной литейной форме, в которой предварительно устанавливают монокристаллические затравки с обеспечением непосредственного контакта их торцевых поверхностей с заливаемым металлом. Толщина получаемого таким образом защитного слоя составляет 3-15 мм. The application of the protective layer to the seed is carried out by pouring the melt of the material of the protective layer and its subsequent crystallization in a special casting mold in which single-crystal seeds are pre-installed to ensure direct contact of their end surfaces with the metal being poured. The thickness of the protective layer obtained in this way is 3-15 mm.
Предлагаемый способ позволяет осуществить надежную передачу кристаллографической ориентации от затравки к отливке за счет гарантированного удаления с поверхности затравочного кристалла загрязнений, образующихся при нагреве литейной формы до технологически необходимой температуры заливки. The proposed method allows for reliable transfer of the crystallographic orientation from the seed to the casting due to the guaranteed removal of contaminants from the surface of the seed crystal that are formed when the mold is heated to the technologically necessary casting temperature.
Заявителю не известны технические решения, содержащие приемы, указанные в формуле изобретения в качестве существенных отличительных признаков. Т.о. данное решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия". The applicant is not aware of technical solutions containing the techniques indicated in the claims as essential distinguishing features. T.O. this solution meets the criteria of the invention "significant differences".
При нагреве формы до технологически необходимой температуры, которая выше температуры ликвидуса сплава отливки на 20-170оС, происходят расплавление нанесенного защитного слоя затравки и образование жидкой ванны в стартовой полости формы над поверхностью затравочного монокристалла. Возникающее в образующемся жидком слое расплава гидростатическое давление обуславливает разрушение компактной оболочки загрязнений на поверхности защитного слоя. При этом происходит нарушение сплошности указанной оболочки загрязнений на отдельные не связанные между собой частицы, которые вытесняются на поверхность образовавшейся жидкой ванны. В указанных местах нарушений сплошности обеспечивается непосредственный контакт заливаемого металла с расплавом поверхностного слоя. Кроме того, при заливке расплавленного металла в форму происходит оттеснение указанных частиц загрязнений струей расплава с поверхности жидкой ванны к стенкам формы, что значительно увеличивает площадь контакта залитого расплава через промежуточный поверхностный слой с затравочным кристаллом, обеспечивает передачу кристаллографической ориентации от затравочного кристалла к сплаву отливки и тем самым позволяет существенно снизить брак при литье монокристаллических изделий. Использование материала защитного слоя, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллической решетки, обусловлено следующими причинами.When the mold is heated to a technologically necessary temperature, which is higher than the liquidus temperature of the casting alloy by 20-170 о С, the applied protective layer of the seed melts and a liquid bath forms in the starting cavity of the mold above the surface of the seed single crystal. The hydrostatic pressure that arises in the formed liquid melt layer causes the destruction of the compact pollution shell on the surface of the protective layer. In this case, there is a violation of the continuity of the specified pollution shell into individual unrelated particles that are displaced onto the surface of the formed liquid bath. In these places of discontinuity, direct contact of the poured metal with the melt of the surface layer is ensured. In addition, when the molten metal is poured into the mold, these particles are displaced by the melt jet from the surface of the liquid bath to the mold walls, which significantly increases the contact area of the molten melt through the intermediate surface layer with the seed crystal, and ensures the crystallographic orientation from the seed crystal to the cast alloy and thereby significantly reducing rejects when casting single-crystal products. The use of the material of the protective layer identical or similar to the casting alloy in terms of melting temperature and type of crystal lattice is due to the following reasons.
Учитывая, что для обеспечения направленной кристаллизации технологически необходимая температура нагрева формы должна быть выше температуры плавления сплава отливки на 20-170оС, применение предлагаемого материала защитного слоя при выполнении указанных условий гарантирует его расплавление и образование жидкой прослойки на поверхности затравки с последующей передачей кристаллографической ориентации. В тоже время это позволяет избежать преждевременного расплавления защитного слоя и связанного с этим длительного взаимодействия расплава с затравочным кристаллом, что может привести к полному растворению последнего, потере им первоначальной кристаллографической ориентации и сделает невозможным получение отливки с заданной кристаллографической ориентаций и свойствами.Given that to ensure directed crystallization, the technologically necessary mold heating temperature should be higher than the melting temperature of the casting alloy by 20-170 о С, the application of the proposed protective layer material when these conditions are met guarantees its melting and the formation of a liquid layer on the surface of the seed with subsequent transfer of crystallographic orientation . At the same time, this avoids premature melting of the protective layer and the associated long-term interaction of the melt with the seed crystal, which can lead to complete dissolution of the latter, loss of its initial crystallographic orientation and make it impossible to obtain castings with the given crystallographic orientations and properties.
Идентичность типа кристаллической решетки в значительной мере облегчает передачу ориентации от затравки через образующийся промежуточный слой к отливке. The identity of the type of crystal lattice greatly facilitates the transfer of orientation from the seed through the resulting intermediate layer to the casting.
Согласно изобретению заливку сплава в форму необходимо осуществлять после нагрева ее до технологически необходимой температуры, и расплавления защитного слоя затравки, т.к. в противном случае нерасплавленный защитный слой окажется окруженным со всех сторон преждевременно залитым в форму расплавом, в результате чего компактная оболочка загрязнений, образовавшаяся на поверхности защитного слоя, не будет разрушаться при его расплавлении и затравочный монокристалл будет изолирован от залитого в форму расплава, препятствуя тем самым передаче кристаллографической ориентации. According to the invention, pouring the alloy into the mold must be carried out after heating it to the technologically necessary temperature, and melting the protective layer of the seed, because otherwise, the unmelted protective layer will be surrounded on all sides by the melt prematurely molded into the mold, as a result of which the compact contamination shell formed on the surface of the protective layer will not be destroyed during its melting and the seed single crystal will be isolated from the molten melt, thereby preventing transfer of crystallographic orientation.
Согласно изобретению толщина поверхностного слоя на торцевой поверхности затравочного кристалла должна составлять 3-15 мм. При уменьшении указанной толщины не происходит разрушения образовавшейся компактной оболочки загрязнений на поверхности затравки, что обусловлено незначительным гидростатическим давлением и действием сил поверхностного натяжения на границе затравочный кристалл - расплав. Увеличение толщины нецелесообразно в связи с неоправданным увеличением расхода сплава на изготовление затравок и их габаритов. According to the invention, the thickness of the surface layer on the end surface of the seed crystal should be 3-15 mm. With a decrease in the indicated thickness, the formed compact envelope of contaminants does not break on the seed surface, which is caused by insignificant hydrostatic pressure and the action of surface tension forces at the seed crystal – melt interface. The increase in thickness is impractical due to the unjustified increase in alloy consumption for the manufacture of seeds and their dimensions.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. The proposed method is implemented as follows.
Для получения защитного слоя на поверхности монокристаллической затравки применяют специальную литейную форму (керамическую или постоянную), имеющую рабочую полость для заливки сплава и несколько полостей для установки затравок. Предварительно изготовленные монокристаллические затравки устанавливают в указанные полости таким образом, чтобы боковые поверхности затравок фиксировались стенками формы, а торцевые выходили в рабочую полость формы. Собранную форму после нагрева до температуры 500-600оС в вакуумной плавильно-заливочной установке периодического действия заливают расплавленным металлом, который заполняет рабочую полость формы, контактируя с рабочими поверхностями установленных в ней затравок. В результате усадки залитого расплава при его затвердевании образуется плотное механическое соединение между затравочным монокристаллом и залитым металлом защитного слоя на его поверхности.To obtain a protective layer on the surface of a single-crystal seed, a special casting mold (ceramic or permanent) is used, which has a working cavity for pouring the alloy and several cavities for setting the seeds. Prefabricated single-crystal seeds are installed in these cavities so that the side surfaces of the seeds are fixed by the walls of the mold and the end surfaces exit into the working cavity of the mold. The collected form after heating to a temperature of 500-600 C in a vacuum melting-casting installation batch of molten metal is poured, which fills the working chamber forms contact with bearing surfaces mounted therein primers. As a result of shrinkage of the poured melt during its solidification, a dense mechanical connection is formed between the seed single crystal and the poured metal of the protective layer on its surface.
Благодаря невысоким температурам нагрева формы в данном случае исключается протекание высокотемпературных реакций с образованием моноокислов алюминия и кремния, а следовательно, и образование соответствующих загрязнений на рабочей поверхности затравки. Кроме того, окисление поверхности затравок может быть значительно снижено при использовании высоковакуумного плавильно-заливочного оборудования периодического действия. Таким образом, в процессе получения защитного слоя обеспечивается отсутствие загрязнений на рабочей поверхности затравочного монокристалла и, следовательно, на границе контакта затравка - защитный слой. Due to the low mold heating temperatures, in this case, high-temperature reactions with the formation of aluminum and silicon monoxides are excluded, and, consequently, the formation of corresponding impurities on the working surface of the seed. In addition, the oxidation of the surface of the seeds can be significantly reduced by using high-vacuum batch melting and pouring equipment. Thus, in the process of obtaining a protective layer, the absence of contamination on the working surface of the seed single crystal and, therefore, at the interface between the seed and the protective layer, is ensured.
После затвердевания расплава полученную отливку извлекают из формы и отделяют затравки с нанесенным защитным слоем от элементов литниковой системы. Полученные затравки устанавливают в заранее изготовленные по методу выплавляемых моделей керамические формы для литья монокристаллических изделий. Установку осуществляют через специальные отверстия - затравочные "карманы", выполненные в донной части формы и сообщающиеся с рабочей полостью формы. After solidification of the melt, the resulting casting is removed from the mold and the seeds with the protective layer applied are separated from the elements of the gate system. The resulting seeds are set in ceramic molds for casting single-crystal products that are pre-fabricated by the method of lost-wax models. The installation is carried out through special holes - seed "pockets" made in the bottom of the mold and communicating with the mold working cavity.
При этом затравку располагают в затравочном "кармане" таким образом, чтобы ее защитный слой выступал из последнего в рабочую полость формы, а затравочный монокристалл фиксировался стенками "кармана" и находился в требуемом положении относительно геометрической оси формы (отливки). После установки затравки полость затравочного кармана заполняют с внешней стороны формы огнеупорной суспензией, исключая вытекание расплава из формы в процессе литья. Подготовленные таким образом формы нагревают до технологически необходимой температуры 1450-1500оС, в результате чего происходит расплавление защитного слоя затравки с образованием над торцем монокристалла затравки жидкой ванны. Полное расплавление материала защитного слоя при достижении технологически необходимой температуры обеспечивается выбором его материала. Образовавшиеся загрязнения, уже не составляющие компактной структуры, оказываются на свободной поверхности жидкой ванны и при заливке сплава оттесняются к стенкам формы. Кристаллизацию отливки начинают не позднее полного растворения в залитом расплаве материала затравочного монокристалла, т.к. при этом происходит потеря его первоначальной кристаллографической ориентации. Время полного растворения обусловлено с учетом внешних температурных условий нагрева длительностью взаимодействия материала затравочного монокристалла с расплавленным защитным слоем и залитым в формы расплавом и рядом других факторов. Поэтому в условиях реального промышленного производства это время определяется экспериментальным путем для конкретных условий процесса литья. Формирование структуры отливок начинается от затравочного монокристалла, где происходит передача кристаллографической ориентации от него к сплаву отливки, а в процессе направленного затвердевания растущий кристалл распространяется на всю отливку, обеспечивая получение изделия с монокристаллической структурой заданной ориентацией.In this case, the seed is placed in the seed "pocket" so that its protective layer protrudes from the latter into the working cavity of the mold, and the seed single crystal is fixed by the walls of the "pocket" and is in the desired position relative to the geometric axis of the mold (casting). After setting the seed, the cavity of the seed pocket is filled from the outside of the mold with a refractory suspension, excluding the leakage of the melt from the mold during casting. Prepared in this manner is heated to form a technologically required temperature 1450-1500 ° C, resulting in melting of the protective layer over the primer to form a butt end of the single crystal seeding the molten bath. The complete melting of the material of the protective layer upon reaching the technologically necessary temperature is ensured by the choice of its material. The resulting pollution, no longer constituting a compact structure, appears on the free surface of the liquid bath and when casting the alloy is pushed to the walls of the mold. Crystallization of the casting begins no later than the complete dissolution of the seed single crystal material in the molten melt, because in this case, the loss of its initial crystallographic orientation occurs. The time of complete dissolution is due to the external temperature conditions of heating, the duration of the interaction of the seed material of the single crystal with the molten protective layer and molten molten in the form and a number of other factors. Therefore, in real industrial production, this time is determined experimentally for the specific conditions of the casting process. The formation of the structure of castings starts from the seed single crystal, where the crystallographic orientation is transferred from it to the casting alloy, and in the process of directional solidification, the growing crystal extends to the entire casting, providing a product with a single crystal structure of a given orientation.
Промышленное опробование предложенного способа проводили при литье из жаропрочного сплава опытной партии монокристаллических заготовок рабочих лопаток газовой турбины. Процесс литья проводили на промышленной установке непрерывного действия для направленной кристаллизации - ПМП-2. В качестве затравок использовали монокристалл диаметром 5 мм и высотой 6 мм с ориентацией (001) из сплава Ni-30%W, имеющего температуру плавления 1505оС. Нанесение защитного слоя на затравки осуществляли в керамических формах, полученных по методу выплавляемых моделей на установке УППФ-3 в соответствии с режимами, описанными выше. Для защитного слоя использовали тот же жаропрочный сплав, что и для литья заготовок лопаток, имеющий температуру плавления 1360оС. Защитный слой на рабочей поверхности затравки выполнен в виде усеченного конуса высотой 15 мм. Технологически необходимая температура нагрева формы перед заливкой расплава составляла 1430-1480оС, а скорость нагрева формы выше температуры 1300оС была равна 20оС/мин. Предварительными опытами было определено время полного растворения затравочного монокристалла в расплаве защитного слоя после его расплавления и заливки металла, которое составило 35-45 мин. В связи с этим кристаллизацию отливки начинали не позднее 30 мин после расплавления защитного слоя затравки (температура формы 1360оС). С использованием предлагаемого способа и по известной технологии было отлито соответственно 100 и 50 заготовок лопаток. Макроструктуру полученных заготовок исследовали визуально и металлографическими методами. При исследовании макроструктуры заготовок лопаток, полученных по предлагаемому способу, было установлено, что передача кристаллографической ориентации от затравочного монокристалла к сплаву отливки была достигнута на 93 лопатках. Таким образом, брак лопаток по макроструктуре составил 7% и был связан с преждевременной заливкой сплава в формы (до расплавления защитного слоя затравки), что обусловлено особенностями заводской технологии литья на установке ПМП-2 и может быть устранено при усовершенствовании процесса заливки форм путем применения механической стопорной системы.Industrial testing of the proposed method was carried out when casting from a heat-resistant alloy an experimental batch of single-crystal blanks of gas turbine blades. The casting process was carried out on a continuous industrial plant for directional crystallization - PMP-2. As primers used single crystal diameter of 5 mm and a height of 6 mm and orientation (001) of an alloy of Ni-30% W, having a melting temperature of about 1505 C. The application of a protective layer on a seed carried in ceramic forms prepared by the method of investment patterns for installing UPPF -3 in accordance with the modes described above. For the protective layer used the same superalloy as the casting for blades having a melting point of 1360 C. The protective layer on the working surface of the seed is in the form of a truncated cone height of 15 mm. Technologically required heating temperature of the mold before pouring the melt was 1430-1480 ° C, and the heating rate form above a temperature of 1300 ° C was 20 ° C / min. Preliminary experiments determined the time of complete dissolution of the seed single crystal in the melt of the protective layer after its melting and pouring of metal, which amounted to 35-45 min. In this regard, the casting crystallization started within 30 minutes after melting of the protective layer of seed (Form Temperature 1360 ° C). Using the proposed method and using known technology, 100 and 50 blade blanks were cast, respectively. The macrostructure of the obtained blanks was investigated visually and metallographic methods. In the study of the macrostructure of the blade blanks obtained by the proposed method, it was found that the transfer of crystallographic orientation from the seed single crystal to the casting alloy was achieved on 93 blades. Thus, the marriage of blades by macrostructure was 7% and was associated with premature pouring of the alloy into molds (before the protective layer of the seed melted), which is due to the peculiarities of the factory casting technology at the PMP-2 installation and can be eliminated by improving the casting process by applying mechanical locking system.
Исследование макроструктуры лопаток, полученных по способу-прототипу, показало, что передача кристаллографической ориентации от затравочного кристалла к сплаву отливок была достигнута лишь в 8 случаях. В остальных случаях поверхность затравок была отделена от сплава отливки слоем загрязнений, и отливки имели столбчатую структуру, состоящую из нескольких зерен случайной кристаллографической ориентации, отличной от <100> . Таким образом, брак лопаток по макроструктуре при использовании известного способа составил 76%. The study of the macrostructure of the blades obtained by the prototype method showed that the transfer of crystallographic orientation from the seed crystal to the casting alloy was achieved only in 8 cases. In other cases, the seed surface was separated from the casting alloy by a layer of contaminants, and the castings had a columnar structure consisting of several grains of random crystallographic orientation other than <100>. Thus, the marriage of blades by macrostructure when using the known method amounted to 76%.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что применение предлагаемого способа взамен известного позволяет существенно снизить брак и затраты на изготовление отливок с монокристаллической структурой заданной ориентации. The results obtained allow us to conclude that the application of the proposed method instead of the known one can significantly reduce rejects and the cost of manufacturing castings with a single crystal structure of a given orientation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4837949 RU2021877C1 (en) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Method to produce castings of monocrystal structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4837949 RU2021877C1 (en) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Method to produce castings of monocrystal structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021877C1 true RU2021877C1 (en) | 1994-10-30 |
Family
ID=21520196
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4837949 RU2021877C1 (en) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Method to produce castings of monocrystal structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2021877C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2155651C1 (en) * | 1999-02-26 | 2000-09-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Method for making castings with directional and monocrystalline structure |
| RU2158781C1 (en) * | 1999-02-26 | 2000-11-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Nickel-base alloy for single crystal seeds and method of its smelting |
| RU2164192C2 (en) * | 1999-02-26 | 2001-03-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Method of producing castings from high-temperature alloys with directed or single-crystal structure |
| RU2185929C2 (en) * | 2000-11-02 | 2002-07-27 | Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method for producing ingots with monocrystalline structure and article produced by method |
-
1990
- 1990-06-29 RU SU4837949 patent/RU2021877C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Патент США N 913834, кл. B 22D 27/04, 1987. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2155651C1 (en) * | 1999-02-26 | 2000-09-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Method for making castings with directional and monocrystalline structure |
| RU2158781C1 (en) * | 1999-02-26 | 2000-11-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Nickel-base alloy for single crystal seeds and method of its smelting |
| RU2164192C2 (en) * | 1999-02-26 | 2001-03-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Method of producing castings from high-temperature alloys with directed or single-crystal structure |
| RU2185929C2 (en) * | 2000-11-02 | 2002-07-27 | Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method for producing ingots with monocrystalline structure and article produced by method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4813470A (en) | Casting turbine components with integral airfoils | |
| EP0554198B1 (en) | Oxidation resistant superalloy castings | |
| JPS58138554A (en) | Method and mold for preparing casted single crystal | |
| RU2021877C1 (en) | Method to produce castings of monocrystal structure | |
| US4609029A (en) | Method of reducing casting time | |
| US4218418A (en) | Processes of casting an ingot and making a silica container | |
| JPS6335349B2 (en) | ||
| US3754592A (en) | Method for producing directionally solidified cast alloy articles | |
| US6257828B1 (en) | Turbine blade and method of producing a turbine blade | |
| US4097291A (en) | Core and mold materials for directional solidification of advanced superalloy materials | |
| US3869282A (en) | Method of cleaning nickel alloy by filtering | |
| US6129138A (en) | Method of making a ceramic shell mould and a method of casting | |
| US4905752A (en) | Method of casting a metal article | |
| EP0104794B1 (en) | Method of casting a one-piece wheel | |
| US3815661A (en) | Process for reducing oxide defects in investment castings | |
| JPH11248363A (en) | Laminated crucible for producing silicon ingot and method for producing the same | |
| CA1196470A (en) | Method of reducing casting time | |
| JP5097890B2 (en) | Method for producing gold or gold alloy for vacuum deposition or sputtering, and method for producing hearth ingot | |
| RU2096128C1 (en) | Method of manufacturing bimetallic cutting tool | |
| JP2764194B2 (en) | Manufacturing method of high purity aluminum | |
| RU2164192C2 (en) | Method of producing castings from high-temperature alloys with directed or single-crystal structure | |
| US3225399A (en) | Casting process using borax-silica slag | |
| RU2034681C1 (en) | Method to produce extended thin-walled castings | |
| JP4366705B2 (en) | Ingot manufacturing method and apparatus | |
| RU2077969C1 (en) | Silicon ingot manufacture method |