RU2167739C1 - Method of manufacturing part with single-crystal structure by oriented crystallization and device for method embodiment - Google Patents
Method of manufacturing part with single-crystal structure by oriented crystallization and device for method embodiment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167739C1 RU2167739C1 RU2000125316A RU2000125316A RU2167739C1 RU 2167739 C1 RU2167739 C1 RU 2167739C1 RU 2000125316 A RU2000125316 A RU 2000125316A RU 2000125316 A RU2000125316 A RU 2000125316A RU 2167739 C1 RU2167739 C1 RU 2167739C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mold
- chamber
- melting
- cooling
- heating
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 61
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 58
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 58
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 58
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 38
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 33
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 26
- 238000000844 transformation Methods 0.000 claims description 13
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 11
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims description 11
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 claims description 11
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 19
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 10
- 230000009471 action Effects 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 4
- 238000007713 directional crystallization Methods 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010014970 Ephelides Diseases 0.000 description 1
- 208000003351 Melanosis Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/007—Mechanisms for moving either the charge or the heater
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к литейному производству, а более точно касается способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройства для его осуществления. The present invention relates to foundry, and more specifically relates to a method for manufacturing directed by crystallization parts with a single crystal structure and device for its implementation.
Данное изобретение может быть использовано, в частности, в производстве литых деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, например рабочих лопаток. This invention can be used, in particular, in the production of cast parts for gas turbine engines and gas turbine units, such as rotor blades.
Направленной кристаллизацией изготавливаются сейчас и могут изготавливаться в будущем литые детали ответственного назначения, эксплуатирующиеся при высоких температурах, статических и переменных механических и термических напряжениях. Примерами таких деталей являются рабочие и направляющие лопатки. В зависимости от условий реализации способа литые детали могут быть сформированы в виде монокристалла или могут быть образованы из сориентированных в одном направлении столбчатых кристаллов. Направленной кристаллизацией могут быть получены при различных условиях реализации способа литые детали со столбчатой структурой, монокристаллической структурой, комбинацией этих структур. Различия в условиях реализации имеют следствием и разный уровень дефектности в материале деталей: объемной микропористости величиной от ~1,0 до ~0,01% и наличием или отсутствием зон с дефектами кристаллической решетки в виде цепочек и соосно ориентированных зон ("веснушки"). Directional crystallization is being manufactured now and in the future can be manufactured cast parts of critical purpose, operated at high temperatures, static and variable mechanical and thermal stresses. Examples of such parts are working and guide vanes. Depending on the conditions for the implementation of the method, cast parts can be formed as a single crystal or can be formed from columnar crystals oriented in the same direction. Directed crystallization can be obtained under various conditions of the method, cast parts with a columnar structure, a single-crystal structure, a combination of these structures. Differences in implementation conditions result in a different level of imperfection in the material of parts: volume microporosity ranging from ~ 1.0 to ~ 0.01% and the presence or absence of zones with defects in the crystal lattice in the form of chains and coaxially oriented zones ("freckles").
Качество структуры и уровень дефектности детали, полученной направленной кристаллизацией, зависит от температурного градиента на фронте кристаллизации и скорости кристаллизации. Высокие значения этих теплофизических параметров обеспечивают высокое качество детали, то есть стабильность монокристаллической структуры во всей детали и минимальный уровень дефектности. При низких температурных градиентах и даже при высоких скоростях затвердевания получить монокристаллические и ориентированные столбчатые структуры в деталях невозможно. При высоких температурных градиентах на фронте кристаллизации и малых скоростях затвердевания детали с монокристаллическими и столбчатыми структурами имеют ту или иную степень дефектности, то есть детали имеют пониженную эксплуатационную надежность и долговечность. The quality of the structure and the level of defectiveness of the part obtained by directional crystallization depends on the temperature gradient at the crystallization front and the crystallization rate. The high values of these thermophysical parameters provide high quality parts, that is, the stability of the single crystal structure in the entire part and the minimum level of defectiveness. At low temperature gradients and even at high solidification rates, it is impossible to obtain single-crystal and oriented columnar structures in detail. At high temperature gradients at the crystallization front and low solidification rates, parts with single-crystal and columnar structures have one degree or another of defectiveness, that is, parts have reduced operational reliability and durability.
Величины теплофизических параметров кристаллизации определяются, при прочих равных условиях, интенсивностями двух этапов процесса переноса тепла от кристаллизующегося сплава. Во-первых, интенсивностью переноса теплоты кристаллизации сплава непосредственно от внутренней поверхности формы через стенку литейной формы к ее наружной поверхности и, во-вторых, интенсивностью отбора тепла от наружной поверхности формы. Лимитирующим является, естественно, перенос теплоты кристаллизации через стенку от внутренней к наружной поверхности формы. The values of the thermophysical crystallization parameters are determined, ceteris paribus, by the intensities of the two stages of the heat transfer process from the crystallizing alloy. Firstly, the intensity of heat transfer of crystallization of the alloy directly from the inner surface of the mold through the wall of the mold to its outer surface and, secondly, the intensity of heat removal from the outer surface of the mold. The limiting is, of course, the transfer of heat of crystallization through the wall from the inner to the outer surface of the mold.
Известно, что интенсивность переноса тепла через стенку литейной формы определяется и управляется теплопроводностью материала и толщиной стенки литейной формы. Чем выше теплопроводность материала формы и чем меньше толщина стенки формы, тем выше интенсивность перетока тепла через стенку формы к ее поверхности. It is known that the rate of heat transfer through the wall of the mold is determined and controlled by the thermal conductivity of the material and the wall thickness of the mold. The higher the thermal conductivity of the mold material and the smaller the thickness of the mold wall, the higher the intensity of heat transfer through the mold wall to its surface.
Известно также, что интенсивность отбора тепла с наружной поверхности формы управляема в широком диапазоне и чем выше эта интенсивность, тем выше значения теплофизических параметров формирования монокристаллических структур в деталях и выше их качество. It is also known that the intensity of heat removal from the outer surface of the mold is controlled in a wide range and the higher this intensity, the higher the values of the thermophysical parameters of the formation of single-crystal structures in parts and the higher their quality.
Известен способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой (RU, 2157296), заключающийся в том, что устанавливают в камере нагрева на подъемном водоохлаждаемом столе нагретую литейную керамическую форму со сквозной пористостью в наружных слоях. Затем заливают литейную керамическую форму расплавом, кристаллизация которого осуществляется снизу вверх. Перемещают литейную керамическую форму с кристаллизующимся расплавом из вакуумной камеры нагрева вниз в камеру охлаждения. В процессе перемещения формы ее охлаждают кристаллизатором на столе, и, одновременно при перемещении в камере охлаждения, литейную керамическую форму охлаждают дополнительно двумя независимыми охлаждающими потоками смесей инертного газа и порошкообразных охладителей. Существо технического решения состоит в преобразовании низкотеплопроводной (см. таблицу 1) керамической литейной формы в относительно высокотеплопроводную металлокерамическую форму. Такое преобразование достигается за счет изготовления известными процессами керамической оболочковой формы со сквозной пористостью величиной до 15% в поверхностных наружных слоях и путем последующей пропитки этих слоев формы в вакууме при температурах, близких к 1500oC, теплопроводными жидкими металлами, например медью и алюминием. Предложенное техническое решение позволяет повысить теплопроводность стенки формы до ~ 15 раз.A known method of manufacturing a directed crystallization of a part with a single crystal structure (RU, 2157296), which consists in installing a heated casting ceramic mold with through porosity in the outer layers in a heating chamber on a lifting water-cooled table. Then pour the casting ceramic mold with a melt, the crystallization of which is carried out from the bottom up. The molded ceramic mold with crystallizing melt is moved from the vacuum heating chamber down to the cooling chamber. In the process of moving the mold, it is cooled by a crystallizer on the table, and, while moving in the cooling chamber, the casting ceramic mold is additionally cooled by two independent cooling streams of mixtures of inert gas and powder coolers. The essence of the technical solution consists in converting a low-conductivity (see table 1) ceramic mold into a relatively high-conductivity cermet. This transformation is achieved by manufacturing ceramic shell molds with known porosity of up to 15% in the surface outer layers and by subsequent impregnation of these mold layers in vacuum at temperatures close to 1500 ° C with heat-conducting liquid metals, such as copper and aluminum. The proposed technical solution allows to increase the thermal conductivity of the mold wall up to ~ 15 times.
В данном способе использованы для отвода тепла с наружной поверхности форм при кристаллизации сплава и охлаждении отливки естественные и искусственные методы. Использован естественный теплообмен излучением в вакууме от нагретой до ~ 1500oC керамической формы в окружающую среду - водоохлаждаемые стенки камеры охлаждения.In this method, natural and artificial methods were used to remove heat from the outer surface of the molds during crystallization of the alloy and cooling the casting. The natural heat transfer by radiation in vacuum from a ceramic mold heated to ~ 1500 o C to the environment — water-cooled walls of the cooling chamber — is used.
Для искусственного отбора тепла использована энергия фазовых превращений (плавление, испарение и сублимация) в охладителях. Эффективность использования энергии фазовых превращений твердых порошкообразных охладителей на поверхности формы состоит в следующем:
- снимаются все ограничения по габаритам и массе монокристаллических литых деталей;
- скорости формирования монокристаллических структур могут достигать от 40-70 мм/мин (N 2146185) до 100 и более мм/мин (И.Е.Цацулина " Супер- и гиперскоростная направленная кристаллизация жаропрочных сплавов", М., "МИСИС", 2000 г., стр. 19).The energy of phase transformations (melting, evaporation, and sublimation) in coolers was used for artificial heat selection. The efficiency of using the energy of phase transformations of solid powder coolers on the surface of the mold is as follows:
- all restrictions on the dimensions and weight of single-crystal cast parts are removed;
- the rates of formation of single-crystal structures can reach from 40-70 mm / min (N 2146185) to 100 or more mm / min (I.E. Tsatsulina "Super- and hyper-speed directed crystallization of heat-resistant alloys", M., "MISIS", 2000 g., p. 19).
Каждый из независимых потоков состоит из смеси инертного газа с порошкообразными охладителями различного химического состава и существенно отличными теплофизическими характеристиками. Верхний поток содержит порошкообразный охладитель, претерпевающий только одно фазовое превращение - плавление. Расплавленный теплом формы высокотеплопроводный охладитель (см. таблицу 2) пропитывает пористые слои керамической формы, преобразуя ее в металлокерамическую. Нижний поток содержит порошкообразный охладитель, претерпевающий в процессе отбора тепла или два фазовых превращения - плавление и испарение, или одно - сублимацию. Каждый из независимых потоков различен по физическому механизму действия. Верхний поток предназначен, главным образом, для отбора тепла из глубины формы и переноса его за счет относительно высокой теплопроводности металлокерамики литейной формы к поверхности формы. Нижний поток предназначен для отбора тепла с поверхности формы за счет плавления и испарения или сублимации охладителя и переноса тепла вместе с инертным газом к охлаждаемым внутренним поверхностям камеры охлаждения для последующей конденсации, кристаллизации и охлаждения охладителя и охлаждения в газовой системе инертного газа. Each of the independent streams consists of a mixture of inert gas with powder coolers of various chemical composition and significantly different thermophysical characteristics. The upper stream contains a powdery cooler that undergoes only one phase transformation - melting. The highly heat-conducting cooler melted by the mold heat (see table 2) impregnates the porous layers of the ceramic mold, transforming it into a cermet. The lower stream contains a powdery cooler, which undergoes two phase transformations during melting and melting and evaporation, or one sublimation. Each of the independent flows is different in their physical mechanism of action. The upper stream is intended mainly for the selection of heat from the depth of the mold and its transfer due to the relatively high thermal conductivity of the cermet of the mold to the mold surface. The bottom stream is intended for heat removal from the mold surface due to melting and evaporation or sublimation of the cooler and heat transfer together with inert gas to the cooled inner surfaces of the cooling chamber for subsequent condensation, crystallization and cooling of the cooler and cooling in a gas inert gas system.
Каждый из независимых потоков различен также по моменту начала действия: всегда и обязательно сначала включают поток, порошкообразный охладитель в котором претерпевает только одно фазовое превращение - плавление, и с задержкой во времени, необходимой для пропитки пористых слоев керамики высокотеплопроводным металлом, включают второй поток, порошкообразный охладитель в котором претерпевает одно или два фазовых превращения до парообразного состояния. Each of the independent streams is also different at the moment of the onset of action: always and always first turn on the stream, the powder cooler in which undergoes only one phase transformation - melting, and with the time delay necessary for impregnating the porous layers of ceramics with a highly heat-conducting metal, include the second stream, powder a cooler in which it undergoes one or two phase transformations to a vapor state.
Известно устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой (RU, 2157296), оно содержит вакуумную печь, которая состоит из двух водоохлаждаемых камер, расположенных одна над другой соосно. Верхняя камера - камера нагрева, а нижняя - камера охлаждения. Камеры разделены водоохлаждаемой перегородкой с отверстием. Устройство имеет расположенное в камере нагрева приспособление для нагрева литейной формы до заполнения ее расплавом из поворотного плавильного тигля. В устройстве имеется стол с кристаллизатором. Форма установлена на столе с возможностью ее перемещения из камеры нагрева в камеру охлаждения через отверстие в перегородке. A device is known for manufacturing a crystallized directed part with a single-crystal structure (RU, 2157296), it contains a vacuum furnace, which consists of two water-cooled chambers located one above the other coaxially. The upper chamber is the heating chamber, and the lower chamber is the cooling chamber. The chambers are separated by a water-cooled partition with a hole. The device has a device located in the heating chamber for heating the mold until it is filled with the melt from the rotary melting crucible. The device has a table with a crystallizer. The form is mounted on the table with the possibility of its movement from the heating chamber to the cooling chamber through an opening in the partition.
Также устройство снабжено двумя видами независимых и общеизвестных приспособлений, размещенных за пределами печи, для формирования и двумя видами независимых приспособлений, размещенных в камере охлаждения, для направления на форму двух охлаждающих потоков. Приспособления для формирования охлаждающего потока состоят из расположенных за пределами камеры охлаждения газовой системы, двух независимых систем для формирования смеси газа с порошкообразными охладителями, например общеизвестные бункер, дозатор и т.д. Приспособления для направления потоков состоят из систем распыления, расположенных внутри камеры охлаждения. Системы распыления имеют расположенные по кольцу распылители, отверстия систем распыления направлены на литейную форму. The device is also equipped with two types of independent and well-known devices located outside the furnace, for forming and two types of independent devices placed in the cooling chamber, for directing two cooling flows to the form. Devices for forming a cooling flow consist of two independent systems located outside the cooling chamber of the gas system, for forming a mixture of gas with powder coolers, for example, a well-known hopper, dispenser, etc. Devices for directing flows consist of spray systems located inside the cooling chamber. Spray systems have sprinklers located on the ring, the openings of the spray systems are directed to the mold.
Однако в данном способе и устройстве несмотря на возможность достижения весьма высоких скоростей формирования монокристаллических структур в деталях любой протяженности и массы, невозможно создать высокоэкономичные и высокопроизводительные технологии и оборудование для литья монокристаллических деталей. However, in this method and device, despite the possibility of achieving very high rates of formation of single-crystal structures in parts of any length and mass, it is impossible to create highly economical and high-performance technologies and equipment for casting single-crystal parts.
Необходимо максимально выровнять временную продолжительности τ1, τ2 и τ3 трех главных этапов монокристаллического литья: тепловой подготовки формы в течение времени τ1, плавки суперсплава и заливки формы - в течение времени τ2, формирования монокристаллической структуры за время τ3 при охлаждении формы с расплавом,
Время τ1 нагрева формы до температуры заливки ~ 1500oC в настоящее время составляет несколько (до 4,0) часов и должно быть многократно сокращено.It is necessary to maximally equalize the time durations τ 1 , τ 2 and τ 3 of the three main stages of single-crystal casting: thermal preparation of the mold over time τ 1 , melting of the superalloy and pouring over the mold over time τ 2 , formation of the single-crystal structure during τ 3 during mold cooling with a melt
The time τ 1 of heating the mold to a casting temperature of ~ 1500 ° C is currently several (up to 4.0) hours and should be reduced many times.
Время τ2 плавки суперсплава и заливки форм в настоящее время составляет 30 - 40 мин при скорости расплавления ~ 1 кг/мин, технических проблем сокращения времени плавки в 1,5-2,0 раза нет.The time τ 2 of superalloy melting and mold casting is currently 30–40 min at a melting rate of ~ 1 kg / min, there are no technical problems in reducing the melting time by 1.5–2.0 times.
Время τ3 формирования монокристаллической структуры в детали для лопатки длиной 500 мм изменяется в зависимости от скорости литья: по патенту N 2157296 от 12.10.99 ~25 мин.The time τ 3 for the formation of a single-crystal structure in a part for a blade with a length of 500 mm varies depending on the casting speed: according to patent N 2157296 from 12.10.99 ~ 25 min.
Таким образом, необходимо максимальное сокращение времени τ1 тепловой подготовки формы к заливке.Thus, a maximum reduction in time τ 1 of thermal preparation of the mold to fill is necessary.
При прочих равных условиях (типы и устройство нагревателей, мощность и др.) сокращения времени τ1 можно достичь двумя способами: уменьшением толщины стенки и, соответственно, массы формы и увеличением теплопроводности материала формы.All other things being equal (types and arrangement of heaters, power, etc.), the reduction of time τ 1 can be achieved in two ways: by reducing the wall thickness and, accordingly, the mass of the mold and increasing the thermal conductivity of the mold material.
В вышеописанном способе и устройстве возможно увеличивать теплопроводность керамической формы путем преобразования низкотеплопроводной керамики формы в значительно более (до ~ 15 раз) теплопроводную металлокерамику. Это техническое решение использовано исключительно для повышения скорости формирования монокристаллической структуры и, более того, по времени осуществления - после заполнения нагретой до ~ 1500oC керамической формы расплавом, - это решение не влияет на анализируемое время τ1.
Таким образом, анализируемые способ и устройство не позволяют снизить материалоемкость формы и энергозатраты на нагрев формы, сократить время нагрева и охлаждения формы и сократить время, затрачиваемое на изготовление детали в целом.In the above method and apparatus, it is possible to increase the thermal conductivity of the ceramic mold by converting the low-conductivity ceramic of the mold into a significantly more (up to ~ 15 times) thermal conductive cermet. This technical solution was used exclusively to increase the rate of formation of a single-crystal structure and, moreover, in terms of implementation time — after filling a ceramic mold heated to ~ 1500 ° C with a melt — this solution does not affect the analyzed time τ 1 .
Thus, the analyzed method and device do not allow to reduce the material consumption of the mold and energy consumption for heating the mold, to reduce the time for heating and cooling the mold and to reduce the time spent on the manufacture of the part as a whole.
В основу изобретения положена задача создания способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройства для его осуществления с таким их выполнением, которое позволило бы снизить материалоемкость формы и энергозатраты на нагрев формы, сократить время нагрева и охлаждения формы и, следовательно, сократить время, затрачиваемое на изготовление наиболее экономичным и производительным процессом детали в целом. The basis of the invention is the creation of a method for manufacturing a directed crystallization of a part with a single crystal structure and a device for its implementation with such their implementation, which would reduce the material consumption of the mold and energy consumption for heating the mold, reduce the time of heating and cooling the mold and, therefore, reduce the time spent to manufacture the most economical and productive part in general.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, включающем установку керамической литейной формы, выполненной со сквозной пористостью в наружных слоях, в камеру нагрева вакуумной печи, нагрев литейной формы, заливку расплавом, перемещение литейной формы из камеры нагрева в камеру охлаждения, охлаждение ее потоком из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материла, претерпевающего при отборе тепла от кристаллизующегося расплава два фазовых превращения - плавление и испарение или только одно фазовое превращение - сублимацию, перед установкой формы в камеру нагрева вакуумной печи форму размещают в камере предварительного нагрева, нагревают ее и перемещают в камеру металлизации, осуществляют металлизацию в ней наружных слоев потоком из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла одно фазовое превращение - плавление, при этом предварительный нагрев осуществляют при температуре, превышающей температуру плавления порошкообразного охладителя. The problem is solved in that in a method for manufacturing a directed crystallization of a part with a single crystal structure, including the installation of a ceramic casting mold, made with through porosity in the outer layers, in a heating chamber of a vacuum furnace, heating the casting mold, pouring the melt, moving the mold from the heating chamber to cooling chamber, its cooling by a stream from a mixture of inert gas and a powder cooler from a material that undergoes two phases during heat removal from a crystallizing melt transformations — melting and evaporation, or only one phase transformation — sublimation, before installing the mold in the heating chamber of the vacuum furnace, the mold is placed in the preheating chamber, heated and transferred to the metallization chamber, the outer layers are metallized in it by a stream from a mixture of inert gas and powder a cooler from a material that undergoes one phase transformation during melting - melting, while preliminary heating is carried out at a temperature higher than the pore melting temperature chock-shaped cooler.
Предварительный нагрев литейной формы осуществляют до температуры, превышающей до 200 градусов температуру плавления порошкообразного охладителя. Preliminary heating of the mold is carried out to a temperature exceeding up to 200 degrees the melting temperature of the powder cooler.
При металлизации наружных слоев литейной формы минимальную температуру порошкообразного охладителя поддерживают в пределах до 50 градусов ниже температуры его плавления. When metallizing the outer layers of the mold, the minimum temperature of the powder cooler is maintained within 50 degrees below its melting temperature.
Предпочтительно, литейную форму при нагреве размещают в камере нагрева вакуумной печи продольной осью горизонтально. Preferably, the mold is placed in the heating chamber of the vacuum furnace with the longitudinal axis horizontally when heated.
Поток из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя в камере охлаждения вакуумной печи направляют, преимущественно, в вертикальной плоскости с наклоном в направлении перемещения литейной формы. The flow from a mixture of an inert gas and a powder cooler in the cooling chamber of a vacuum furnace is directed, mainly, in a vertical plane with an inclination in the direction of movement of the mold.
При металлизации и охлаждении литейной формы ее внутреннюю полость и внутреннюю поверхность плавильного тигля в камере нагрева изолируют от воздействия, соответственно, частиц порошка и паров охладителя. During metallization and cooling of the mold, its inner cavity and the inner surface of the melting crucible in the heating chamber are isolated from exposure, respectively, of powder particles and cooler vapors.
Также поставленная задача решается тем, что устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, содержащее вакуумную печь с системой вакуумирования, имеющую отделенные друг от друга камеру нагрева формы и камеру охлаждения формы, литейную форму, выполненную со сквозной пористостью в наружных слоях, установленную с возможностью перемещения из камеры нагрева в камеру охлаждения, газовую систему, расположенную за пределами вакуумной печи, два приспособления для формирования потоков из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя, расположенные за пределами вакуумной печи, приспособление для направления на литейную форму потока из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла от кристаллизующегося расплава два фазовых превращения - плавление и испарение или одно фазовое превращение - сублимацию, расположенное в камере охлаждения и приспособление для направления на литейную форму потока из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла одно фазовое превращение - плавление, снабжено по меньшей мере одним блоком камер с вакуумными затворами, состоящим из соединенных между собой вакуумным затвором камеры предварительного нагрева и камеры металлизации наружных слоев литейной формы, стыковочным устройством для герметизации пространства между вакуумной печью и блоком камер, при этом литейная форма установлена с возможностью перемещения из камеры предварительного нагрева в камеру металлизации и камеру нагрева, а по крайней мере одно приспособление для направления на литейную форму потока из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла одно фазовое превращение - плавление, расположено внутри камеры металлизации. The problem is also solved by the fact that a device for manufacturing a directed crystallization of a part with a single-crystal structure, containing a vacuum furnace with a vacuum system, having a mold heating chamber and a mold cooling chamber, a mold made with through porosity in the outer layers, installed with the ability to move from the heating chamber to the cooling chamber, a gas system located outside the vacuum furnace, two devices for forming flows from the mixture and an inert gas and a powder cooler located outside the vacuum furnace, a device for directing a stream from a mixture of an inert gas and a powder cooler from a material that undergoes two phase transformations during melting of heat from a crystallizing melt — melting and evaporation or one phase transformation — sublimation located in the cooling chamber and a device for directing a stream from a mixture of an inert gas and a powder cooler from a material to a mold, has undergone one phase transformation during melting - melting, is equipped with at least one block of chambers with vacuum shutters, consisting of interconnected pre-heating chambers and a metallization chamber of the outer layers of the mold, a docking device for sealing the space between the vacuum furnace and the chamber block while the mold is installed with the possibility of moving from the pre-heating chamber to the metallization chamber and the heating chamber, and at least one is adapted e for casting flow direction to form a mixture of inert gas and the cooling of the particulate material undergoes the selection of one phase transformation heat - melting is disposed within the plating chamber.
Литейная форма установлена в камере нагрева с расположением ее продольной оси в горизонтальной плоскости. The mold is installed in the heating chamber with the location of its longitudinal axis in the horizontal plane.
Плавильный тигль камеры нагрева имеет изолирующую крышку. The melting crucible of the heating chamber has an insulating cover.
Данное изобретение позволяет повысить интенсификацию теплопереноса через стенку литейной формы при ее нагреве и охлаждении за счет существенного уменьшения толщины стенки формы и массы формы. Также изобретение обеспечивает снижение материалоемкости формы и энергоемкости большинства этапов технологии литья деталей с монокристаллической структурой. This invention allows to increase the intensification of heat transfer through the wall of the mold when it is heated and cooled due to a significant reduction in the thickness of the mold wall and the mold mass. The invention also provides a reduction in material consumption of the form and energy intensity of most stages of the technology of casting parts with a single crystal structure.
Таким образом, в данном изобретении, во-первых, горизонтальное расположение оси формы при заливке и охлаждении уменьшает нагрузки во всех ее сечениях от металлостатического давления расплава в два и более раз, а также уменьшает нагрузки от массы металла и массы формы. Во-вторых, горизонтальное расположение формы предпочтительно выпуклыми поверхностями - спинкой вниз. Только такое расположение обеспечивает минимально возможную нагруженность в наиболее напряженных точках вогнутых поверхностей формы - корыта, в точках максимальной кривизны. В-третьих, уменьшение толщины стенки формы до двух раз. В этом случае при горизонтальном расположении формы нагруженность ни одного сечения ее, по сравнению с вариантом вертикального положения оси формы, не увеличится. Более того, нагруженность материала в любом сечении формы от термических напряжений - наиболее опасных с точки зрения сохранения прочности при всех технологических режимах охлаждения в период формирования монокристаллической структуры уменьшается пропорционально уменьшению толщины стенки. Thus, in this invention, firstly, the horizontal arrangement of the axis of the mold during pouring and cooling reduces the load in all its sections from the metallostatic pressure of the melt by two or more times, and also reduces the load from the metal mass and the mold mass. Secondly, the horizontal arrangement of the form is preferably convex surfaces - back down. Only such an arrangement ensures the lowest possible loading at the most stressed points of the concave surfaces of the mold — the trough, at the points of maximum curvature. Thirdly, reducing the wall thickness of the mold up to two times. In this case, with a horizontal arrangement of the form, the load of a single section of it will not increase compared to the variant of the vertical position of the axis of the form. Moreover, the material loading in any section of the form from thermal stresses - the most dangerous from the point of view of maintaining strength under all technological cooling conditions during the formation of a single-crystal structure decreases in proportion to the decrease in wall thickness.
Данное изобретение позволяет из-за горизонтального расположения формы уменьшения толщины ее стенок и металлизации наружных ее слоев при температуре ~ 700oC, в случае применения алюминия, обеспечить снижение материалоемкости формы, сократить время тепловой подготовки формы и энергозатраты на всех этапах технологии изготовления и тепловой обработки литейной формы, а также на этапе формирования монокристаллической структуры.This invention allows, due to the horizontal arrangement of the mold to reduce the thickness of its walls and metallization of its outer layers at a temperature of ~ 700 o C, in the case of aluminum, to reduce the material consumption of the mold, reduce the time of heat preparation of the mold and energy consumption at all stages of the manufacturing technology and heat treatment mold, as well as at the stage of formation of a single crystal structure.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения и сопровождающим чертежом, на котором схематично изображен горизонтальный разрез по оси литейной формы общего вида устройства для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой согласно изобретению. The invention is further illustrated by a specific exemplary embodiment and the accompanying drawing, which schematically shows a horizontal section along the axis of the mold of a general view of a device for manufacturing a crystallized directional part with a single crystal structure according to the invention.
Способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой заключается в том, что устанавливают литейную форму со сквозной пористостью в наружных слоях в камере предварительного нагрева, предварительно нагревают литейную форму в камере предварительного нагрева, затем перемещают литейную форму из камеры предварительного нагрева в камеру металлизации, и металлизацию в ней наружных слоев литейной формы осуществляют при температуре ниже максимальной температуры предварительного нагрева литейной формы потоком из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя, претерпевающего одно фазовое превращение - плавление. При этом желательно максимальную температуру предварительного нагрева литейной формы поддерживать до 200 градусов выше температуры плавления порошкообразного охладителя. При металлизации наружных слоев литейной формы минимальную температуру порошкообразного охладителя в потоке из его смеси с инертным газом поддерживают до 50 градусов ниже температуры его плавления. Перемещают металлизированную литейную форму и устанавливают в вакуумной камере нагрева продольной осью горизонтально и выпуклой профильной поверхностью вниз. Нагревают в камере нагрева литейную форму с металлизированными поверхностными слоями до температуры заливки формы. Заливают литейную форму с металлизированными поверхностными слоями расплавом. Перемещают литейную форму из вакуумной камеры нагрева в камеру охлаждения, охлаждают потоком из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла от кристаллизующегося расплава два фазовых превращения - плавление и испарение или только одно фазовое превращение - сублимацию. A method of manufacturing a monocrystalline structure-directed part with crystallization is that a mold with through porosity is installed in the outer layers in the preheating chamber, the mold is preheated in the preheating chamber, then the mold is moved from the preheating chamber to the metallization chamber, and metallization in it the outer layers of the mold are carried out at a temperature below the maximum temperature of the preheating of the mold an outflow from a mixture of an inert gas and a powder cooler undergoing one phase transformation - melting. In this case, it is desirable to maintain the maximum temperature of the preheating of the mold up to 200 degrees above the melting temperature of the powder cooler. When metallizing the outer layers of the mold, the minimum temperature of the powder cooler in the stream from its mixture with an inert gas is maintained up to 50 degrees below its melting temperature. The metallized mold is moved and installed in a vacuum heating chamber with the longitudinal axis horizontally and a convex profile surface down. The mold with the metallized surface layers is heated in the heating chamber to the pouring temperature of the mold. A mold is poured with a metallized surface layer with a melt. The mold is moved from the vacuum heating chamber to the cooling chamber, it is cooled by a stream from a mixture of inert gas and a powder cooler from a material that undergoes two phase transformations during melting of heat from a crystallizing melt - melting and evaporation, or only one phase transformation - sublimation.
Поток из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла от кристаллизующегося расплава два фазовых превращения - плавление и испарение или одно фазовое превращение - сублимацию, был направлен преимущественно в вертикальной плоскости с наклоном в направлении перемещения литейной формы в камере охлаждения. The flow from a mixture of an inert gas and a powder cooler from a material that undergoes two phase transformations — melting and evaporation or one phase transformation — sublimation during heat removal from a crystallizing melt — was directed mainly in a vertical plane with an inclination in the direction of movement of the mold in the cooling chamber.
При переносе процесса преобразования керамики в металлокерамику из периода τ3 формирования монокристаллической структуры в период τ1 и для пропитки наружных пористых слоев применить высокотеплопроводный материал с относительно низкой температурой t1 плавления, например, алюминий или его сплавы с t1 ≅ 700oC, то наиболее продолжительный период нагрева формы от 700 до 1500oC может быть существенно сокращен и сокращено, соответственно, τ1. По нашим расчетам, введение новой операции в цикл нагрева керамики - металлизации пропиткой алюминием при температуре ~ 700oC позволяет уменьшить время τ1 в несколько раз.When transferring the process of converting ceramics to cermets from the period τ 3 of the formation of a single crystal structure into the period τ 1 and to impregnate the outer porous layers, use a highly heat-conducting material with a relatively low melting point t 1 , for example, aluminum or its alloys with t 1 ≅ 700 o C, then the longest heating period of the mold from 700 to 1500 o C can be significantly reduced and reduced, respectively, τ 1 . According to our calculations, the introduction of a new operation in the ceramic heating cycle - metallization by impregnation with aluminum at a temperature of ~ 700 o C can reduce the time τ 1 several times.
В таблице 3 приведены данные по величинам давления насыщенного пара P1 алюминия при температурах выше температуры плавления.Table 3 shows the data on the saturated vapor pressure P 1 aluminum at temperatures above the melting point.
Известно, что давление P1 вместе с остаточным давлением P2 10-3 Па всегда противодействуют капиллярному давлению P3 жидкого алюминия в сквозных тупиковых каналах пористой стенки в наружных слоях керамической формы.It is known that the pressure P 1 together with the
Естественно, что уменьшение величины P1 при ~ 1500oC до величины, соответствующей температуре ~ 700oC (см. таблицу 3), ускорит процесс пропитки во времени, и, одновременно, увеличит также глубину пропитки. Следовательно, повысится и интенсивность переноса тепла не только в период τ3 формирования монокристаллической структуры при переносе тепла от внутренней к наружной поверхности формы, но также и от наружной поверхности формы к внутренней при тепловой в период τ1 подготовке формы к заливке.Naturally, a decrease in the value of P 1 at ~ 1500 o C to a value corresponding to a temperature of ~ 700 o C (see table 3) will speed up the impregnation process in time, and, at the same time, will also increase the depth of impregnation. Consequently, the intensity of heat transfer will increase not only during the period of formation of a single crystal structure during heat transfer from the internal to the external surface of the mold, but also from the external surface of the mold to the internal during the preparation of the mold for heat during the period τ 1 .
Известно, что вне зависимости от теплофизических свойств материала формы (см. таблицу 1), и физического строения ее материала - пористая (сквозная или изолированная пористость) керамика или металлокерамика, интенсивность переноса тепла через стенку обратно пропорциональна ее толщине. Следовательно, любое, а тем более существенное, уменьшение толщины стенки формы увеличивает существенно и интенсивность теплопереноса. It is known that regardless of the thermophysical properties of the material of the form (see table 1) and the physical structure of its material - porous (through or insulated porosity) ceramics or cermets, the intensity of heat transfer through the wall is inversely proportional to its thickness. Consequently, any, and even more significant, decrease in the thickness of the mold wall significantly increases the intensity of heat transfer.
Зарубежные и отечественные патенты и специальная литература по направленной кристаллизации суперсплавов, в т.ч. наиболее информативная монография "Суперсплавы II", М., "Металлургия", 1995 г., не содержат описания технических решений по интенсификации процессов переноса тепла в керамических литейных формах за счет уменьшения толщины стенок и, следовательно, массы. Более того, применительно к крупногабаритным литым монокристаллическим деталям из суперсплавов неизвестна даже сама постановка подобного вопроса, хотя уменьшение толщины стенки и массы керамической или металлокерамической формы не только обеспечивает интенсификацию процессов переноса тепла, но также уменьшает материало- и энергоемкость технологии в целом. Foreign and domestic patents and special literature on directional crystallization of superalloys, incl. the most informative monograph, “Supersplavy II”, M., “Metallurgy”, 1995, does not contain a description of technical solutions for the intensification of heat transfer processes in ceramic casting molds by reducing the wall thickness and, consequently, the mass. Moreover, with regard to large-sized cast single-crystal parts from superalloys, even the very formulation of this question is unknown, although a decrease in the wall thickness and mass of the ceramic or cermet form not only provides an intensification of heat transfer processes, but also reduces the material and energy consumption of the technology as a whole.
Главным препятствием для существенного уменьшения толщины стенок оболочковых керамических форм является опасность разрушения формы при заливке и в процессе формирования монокристаллической структуры, который может продолжаться по современным технологиям часами. Разрушение керамической формы внутри вакуумных агрегатов может иметь катастрофические последствия и потому недопустимо. Таким образом, уменьшение толщины стенки формы не должно иметь следствием разупрочнение или, что маловероятно, деформацию формы. The main obstacle to a significant reduction in the wall thickness of shell ceramic molds is the danger of mold destruction during pouring and during the formation of a single-crystal structure, which can continue for hours on modern technologies. The destruction of the ceramic form inside the vacuum units can have disastrous consequences and therefore unacceptable. Thus, a decrease in the mold wall thickness should not result in softening or, which is unlikely, deformation of the mold.
Из нашего анализа напряженного состояния материала крупногабаритной керамической оболочковой формы вместе с прибылью длиной L ≥ 700 мм с толщиной стенок δф ≥ 5 мм с учетом:
- осевых напряжений растяжения в поперечных сечениях формы от массы металла и массы формы;
- меридиальных напряжений изгиба в поперечных сечениях формы от действия внутреннего гидростатического давления жидкого металла;
- меридиальных напряжений изгиба в поперечных сечениях формы от действия на форму в зоне формирования монокристаллической структуры давления охлаждающего потока (смесь инертного газа и порошкообразного охладителя, претерпевающего на поверхности формы фазовые превращения до парообразования) и равномерно распределенного давления пара охладителя;
- термических напряжений в зоне воздействия на форму охлаждающего потока из-за перепадов температур в стенке формы по длине (высоте) зоны интенсивного охлаждения формы и по толщине стенки формы в этой зоне, сделаны следующие выводы.From our analysis of the stress state of the material of a large-sized ceramic shell mold together with a profit of length L ≥ 700 mm with a wall thickness of δ f ≥ 5 mm, taking into account:
- axial tensile stresses in the cross sections of the mold from the mass of the metal and the mass of the mold;
- meridional bending stresses in the cross sections of the form from the action of the internal hydrostatic pressure of the liquid metal;
- meridional bending stresses in the cross sections of the mold from the action on the mold in the zone of formation of the monocrystalline structure of the pressure of the cooling stream (a mixture of inert gas and powder cooler undergoing phase transformations on the mold surface before vaporization) and evenly distributed pressure of the cooler vapor;
- thermal stresses in the zone of influence on the form of the cooling flow due to temperature differences in the mold wall along the length (height) of the zone of intensive cooling of the mold and the thickness of the mold wall in this zone, the following conclusions are made.
С точки зрения механических нагрузок (масса металла, масса формы, металлостатическое давление расплава, давление охлаждающего потока и давление пара охладителя) значимое в 1,5 - 2,0 раза уменьшение толщины стенки формы при сохранении неизменной ее прочности возможно при пропорциональном уменьшении металлостатического давления расплава на форму. From the point of view of mechanical loads (mass of the metal, mass of the mold, metallostatic pressure of the melt, pressure of the cooling stream and vapor pressure of the cooler), a significant 1.5 - 2.0 times decrease in the thickness of the mold wall while maintaining its constant strength is possible with a proportional decrease in the metallostatic pressure of the melt on the form.
С точки зрения термических напряжений в форме от перепадов температур по толщине стенки установлено, что эти напряжения прямо пропорциональны толщине стенки и обратно пропорциональны теплопроводности материала формы. From the point of view of thermal stresses in the form from temperature extremes over the wall thickness, it was found that these stresses are directly proportional to the wall thickness and inversely proportional to the thermal conductivity of the mold material.
С точки зрения взаимодействия напряжений от механических и термических нагрузок наиболее опасными являются точки на вогнутых поверхностях формы, где суммируются напряжения от металлостатического давления, давления охлаждающего потока и давления пара охладителя с напряжениями от перепада температур по толщине стенки формы. From the point of view of the interaction of stresses from mechanical and thermal loads, the most dangerous are the points on the concave surfaces of the mold, where the stresses from the metallostatic pressure, the pressure of the cooling flow and the vapor pressure of the cooler are combined with the stresses from the temperature difference across the mold wall thickness.
Устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, горизонтальное сечение которого представлено на сопровождающем чертеже, содержит вакуумную печь 1 и по меньшей мере один блок 2 камер с приспособлением для транспортировки литейной формы в горизонтальной плоскости (на чертеже не показано). Горизонтальное сечение образовано плоскостью, проходящей через ось литейной керамической формы 3, выполненной со сквозной пористостью в наружных слоях. Вакуумная печь 1 с системой вакуумирования включает в себя камеру 4 нагрева формы и камеру 5 охлаждения формы, вакуумный затвор 6, разделяющий камеру 4 нагрева и камеру 5 охлаждения. Блок 2 камер содержит соединенные между собой вакуумным затвором 7 камеру 8 предварительного нагрева и камеру 9 металлизации. Внутри камеры 9 расположено по крайней мере одно приспособление 10 для направления потоков на литейную форму 3 из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего одно фазовое превращение - плавление. Камера 9 имеет со стороны камеры 4 нагрева вакуумный затвор 11. Между вакуумной печью 1 и блоком 2 камер имеется стыковочное устройство 12 для герметизации пространства между вакуумной печью 1 и блоком 2 камер. Литейная форма 3 установлена с возможностью ее перемещения из камеры 8 предварительного нагрева в камеру 9 металлизации, камеру 4 нагрева и камеру 5 охлаждения. Камера 8 предварительного нагрева имеет вакуумный затвор 13 для соединения с окружающей средой. Камера 4 нагрева имеет со стороны камеры 9 металлизации вакуумный затвор 14. Камера 5 охлаждения также имеет вакуумный затвор 15 для соединения с окружающей средой. Вакуумная печь 1 и блок 2 камер имеют самостоятельные систему вакуумирования (на чертеже не показана), газовую систему (на чертеже не показана), расположенную за пределами вакуумной печи 1 и блока 2 камер два вида приспособлений (на чертеже не показаны) для формирования потоков из смесей инертного газа и порошкообразных охладителей, расположенных за пределами вакуумной печи 1 и блока 2 камер. A device for manufacturing a directed crystallization part with a single crystal structure, a horizontal section of which is shown in the accompanying drawing, contains a
Также устройство имеет приспособление 16 для направления потоков на литейную форму 3 из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя из материала, претерпевающего при отборе тепла от кристаллизующегося расплава или два фазовых превращения - плавление и испарение, или одно фазовое превращение - сублимацию, расположенное в камере 5 охлаждения. The device also has a device 16 for directing flows to the mold 3 from a mixture of inert gas and a powder cooler from a material that undergoes two heat transformations — melting and evaporation, or one phase transformation — sublimation located in the cooling chamber 5 during heat removal from crystallizing melt. .
В камерах 5 и 9 расположены конденсаторы для разделения транспортирующего газа и пара охладителя и для конденсации, кристаллизации и охлаждения охладителя. В вакуумной печи 1 и блоке 2 имеется самостоятельный механизм перемещения форм 3 внутри камер 4, 5, 8, 9 и за их пределы. Конденсаторы и механизм перемещения формы 2 на чертеже не показаны. Система вакуумирования, газовая система, приспособленная для формирования потоков из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя и приспособления 10, 16 для направления потоков на литейную форму 3, являются общеизвестными (см. RU 2146185; RU 2157296). Condensers are located in
В камерах 4, 8 и 9 расположены нагреватели 17 для тепловой подготовки формы 3 к заливке. В камере 4 имеется по крайней мере одна печь плавильная 18 для плавки и разливки с изолирующей крышкой (на чертеже крышка не показана). Загрузочные приспособления 19 для шихты расположены за пределами камеры 4. По направлению стрелки А на фигуре показано направление движения формы 3. Изолирующая крышка изолирует внутреннее пространство печи 18 в период действия на форму 3 в камере 5 охлаждения охлаждающего потока. По направлению стрелок В показано направление движения потока охладителя. In
В данном примере литейная форма 3 изготовлена с толщиной стенки в 1,5 - 2,0 раза меньше, чем при размещении ее продольной осью вертикально. In this example, the mold 3 is made with a wall thickness of 1.5 - 2.0 times less than when placing it with the longitudinal axis vertically.
Данное устройство может иметь установленную на прибыльную часть 20 литейной формы 3 изолирующую крышку из жаростойкого материала (на чертеже не показано) и расположенное в камере 9 металлизации приспособление для удаления с литейной формы 3 после окончания ее металлизации изолирующей крышки (на чертеже не показано). Приспособление 10 для направления потоков на литейную форму вместе с непоказанным на чертеже приспособлением для их формирования обеспечивает поддержание минимальной температуры порошкообразного охладителя до 50 градусов ниже температуры его фазового превращения - плавления. This device may have an insulating cover made of heat-resistant material (not shown in the drawing) installed on the
Устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой работает, на примере данного цикла, следующим образом. A device for manufacturing a directed crystallization of a part with a single crystal structure works, as an example of this cycle, as follows.
На прибыльную часть 20 формы 3, изготовленной с пористыми наружными слоями, устанавливают до помещения формы 3 в камеру 8 легкосъемную изолирующую крышку из жаростойкого материала. Форму 3 с изолирующей крышкой через вакуумный затвор 13 устанавливают с помощью механизма перемещения форм 3 блока 2 в зону действия нагревателей 17 камеры 8 предварительного нагрева. При достижении в зонах действия нагревателей 8 и 9 блока 2 температуры, превышающей до 200 градусов температуру плавления охладителя в приспособлении 10 форму 3 через вакуумный затвор 7 между камерами 8 и 9 перемещают из камеры 8 в камеру 9. В процессе этого перемещения все части формы 3 от затравочной до прибыльной части 20 последовательно минуют зону, в которой на форму 3 подают поток из приспособления 10 из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя, претерпевающего на поверхности формы 3 одно фазовое превращение - плавление. При этом температуру потока смеси инертного газа и охладителя на выходе из приспособления 10 поддерживают до 50 градусов ниже температуры плавления охладителя. Расплавленный охладитель под действием капиллярных сил пропитывает - металлизует наружные пористые слои формы 3 на всю глубину сквозной пористости при температуре в зоне действия нагревателей 17 в камере 9 до 200 градусов выше температуры плавления охладителя в потоке приспособления 10. On the
По окончании металлизации поверхностных слоев керамической формы 3, ставшей металлокерамической, форму 3 через соседние вакуумные затворы 11, 14 в камере 9 и в камере 4 механизмом перемещения форм 3 печи 1 устанавливают в зону действия нагревателей 17 камеры 4. В процессе установки формы 3 и до его окончания изолирующую крышку с прибыльной части формы 3 удаляют специальным приспособлением. При достижении в форме 3 технологически необходимых температуры и ее распределения по длине формы 3 и при готовности расплава суперсплава в плавильной печи 18 проводят заливку формы 3. После заливки формы 3 поворотная печь 18 возвращается в исходное положение и на период воздействия на форму 3 охлаждающего потока в камере 5 охлаждения печь 18 закрывают крышкой для изолирования внутренней поверхности печи 18 и металла в ней от взаимодействия с парами охладителя. Форму 3 с расплавом через вакуумный затвор 6, соединяющий камеру нагрева 4 с камерой охлаждения 5, перемещают в камеру 5. В процессе этого перемещения все части формы 3, начиная от затравочной и до прибыльной части 20, последовательно попадают, непосредственно при входе в камеру 5, в зону действия охлаждающего потока из приспособления 16, направленного преимущественно вертикально с наклоном в сторону движения формы 3, из смеси инертного газа и порошкообразного охладителя, претерпевающего на поверхности формы 3 или два фазовых превращения - плавление и испарение, или одно - сублимацию. При выходе любого сечения формы 3 из зоны действия потока из приспособления 16 монокристаллическая структура в затвердевшей части отливки сформирована. Вне зоны действия потока 16 форма и монокристаллическая отливка охлаждают за счет водоохлаждаемых стенок камеры 5. Пары охладителя конденсируются, кристаллизуются и охлаждаются специальными конденсаторами на стенках камеры 5, инертный газ через конденсаторы удаляется вакуумной системой для дальнейшего использования. Полностью сформированная монокристаллическая отливка удаляется из камеры 5 через вакуумный затвор 15 механизмом перемещения форм 3 печи 1. На этом цикл изготовления детали с монокристаллической структурой закончен. Upon completion of metallization of the surface layers of the ceramic mold 3, which has become cermet, the mold 3 through adjacent vacuum gates 11, 14 in the
Таким образом, предложенный способ и устройство для его реализации позволяют: во-первых, повысить производительность процесса в целом за счет сокращения времени тепловой подготовки формы 3 и времени формирования монокристаллической структуры в отливке, во-вторых, уменьшить до двух раз материалоемкость формы 3 при одновременном сокращении затрат труда и времени на изготовление оболочковой формы 3, в-третьих, сократить энергозатраты на тепловую подготовку оболочковой формы 3, на ее охлаждение, а также на утилизацию и регенерацию материала формы 3. Thus, the proposed method and device for its implementation allows: firstly, to increase the productivity of the process as a whole by reducing the time of thermal preparation of mold 3 and the time of formation of a single-crystal structure in the casting, and secondly, to reduce the material consumption of mold 3 by two times reducing labor costs and time for the manufacture of shell form 3, and thirdly, to reduce energy consumption for the heat treatment of shell form 3, for its cooling, as well as for disposal and regeneration of material forms 3.
Для газотурбинной рабочей лопатки с длиной 500 м с прибылью (150 мм) из жаропрочного сплава на основе никеля при литье в керамическую оболочковую форму 3 с толщиной стенки 9 мм при сквозной пористости 5% на глубину ~ 7,5 мм от наружной поверхности формы 3 получены следующие результаты. For a gas-turbine working blade with a length of 500 m with a profit (150 mm) of a heat-resistant nickel-based alloy when casting in a ceramic shell mold 3 with a wall thickness of 9 mm with a through porosity of 5% to a depth of ~ 7.5 mm from the outer surface of mold 3, obtained the following results.
В таблице 4 приведены сравнительные данные по продолжительности этапов литья монокристаллических лопаток по RU 2157296 от 12.10.99 и предложенному способу. Table 4 shows comparative data on the duration of the stages of casting of single-crystal vanes according to RU 2157296 from 12.10.99 and the proposed method.
Таким образом, с помощью предлагаемого изобретения достигаются лучшие результаты в изготовлении монокристаллических крупногабаритных лопаток по экономичности (материальные, энергетические и трудовые затраты) и производительности. Изготовленные предложенным способом и устройством детали по показателям качества (по прочности на излом и уровню дефектности) не отличаются от полученных способом по патенту России N 2157296 от 12.10.99. Thus, with the help of the invention, the best results are achieved in the manufacture of single-crystal large-sized blades in terms of economy (material, energy and labor costs) and productivity. The parts manufactured by the proposed method and device in terms of quality indicators (in terms of fracture strength and defectiveness level) do not differ from those obtained by the method according to Russian patent N 2157296 from 12.10.99.
Claims (9)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000125316A RU2167739C1 (en) | 2000-10-09 | 2000-10-09 | Method of manufacturing part with single-crystal structure by oriented crystallization and device for method embodiment |
| PCT/RU2000/000420 WO2002030597A1 (en) | 2000-10-09 | 2000-11-28 | Method for producing an article having single-crystal structure by means of directional crystallisation and device for carrying out said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000125316A RU2167739C1 (en) | 2000-10-09 | 2000-10-09 | Method of manufacturing part with single-crystal structure by oriented crystallization and device for method embodiment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2167739C1 true RU2167739C1 (en) | 2001-05-27 |
Family
ID=20240728
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000125316A RU2167739C1 (en) | 2000-10-09 | 2000-10-09 | Method of manufacturing part with single-crystal structure by oriented crystallization and device for method embodiment |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2167739C1 (en) |
| WO (1) | WO2002030597A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2427446C2 (en) * | 2009-10-28 | 2011-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing articles from heat resistant monocrystalline nickel alloys |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2012410A1 (en) * | 1968-07-05 | 1970-03-20 | Anadite Inc | |
| SU604624A1 (en) * | 1976-11-15 | 1978-04-30 | Одесский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт | Method of making castings in porous moulds |
| EP0749790A1 (en) * | 1995-06-20 | 1996-12-27 | Abb Research Ltd. | Process for casting a directionally solidified article and apparatus for carrying out this process |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1057179A1 (en) * | 1982-08-13 | 1983-11-30 | Завод-Втуз При Производственном Объединении "Ленинградский Металлургический Завод" | Apparatus for producing elongated castings by oriented crystallization |
| RU2146185C1 (en) * | 1999-07-27 | 2000-03-10 | Спиридонов Евгений Васильевич | Method for making monocrystalline structure part by directional crystallization and apparatus for performing the same |
-
2000
- 2000-10-09 RU RU2000125316A patent/RU2167739C1/en not_active IP Right Cessation
- 2000-11-28 WO PCT/RU2000/000420 patent/WO2002030597A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2012410A1 (en) * | 1968-07-05 | 1970-03-20 | Anadite Inc | |
| SU604624A1 (en) * | 1976-11-15 | 1978-04-30 | Одесский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт | Method of making castings in porous moulds |
| EP0749790A1 (en) * | 1995-06-20 | 1996-12-27 | Abb Research Ltd. | Process for casting a directionally solidified article and apparatus for carrying out this process |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2427446C2 (en) * | 2009-10-28 | 2011-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing articles from heat resistant monocrystalline nickel alloys |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2002030597A1 (en) | 2002-04-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3919256B2 (en) | Method for producing directionally solidified castings and apparatus for carrying out this method | |
| EP2606994B1 (en) | Induction stirred, ultrasonically modified investment castings and apparatus for producing | |
| EP1375034A2 (en) | Method and apparatus for directional solidification of a metal melt | |
| RU2146184C1 (en) | Method and apparatus for directional crystallization of melt | |
| US9381569B2 (en) | Vacuum or air casting using induction hot topping | |
| US6857461B2 (en) | Method and device for the production of reticular structures | |
| US5607007A (en) | Directional solidification apparatus and method | |
| EP0172426B1 (en) | Method and apparatus for making silicon products stepwise | |
| US4202400A (en) | Directional solidification furnace | |
| AU761480B2 (en) | Method and device for purifying aluminium by segregation | |
| RU2157296C1 (en) | Method of manufacture of part of monocrystalline structure by oriented crystallization and device for realization of this method | |
| US20050279481A1 (en) | Method and device for producing precision investment-cast ne metal alloy members and ne metal alloys for carrying out said method | |
| US4773467A (en) | Method and apparatus for casting articles | |
| RU2167739C1 (en) | Method of manufacturing part with single-crystal structure by oriented crystallization and device for method embodiment | |
| RU2492026C1 (en) | Device to produce castings with directed and monocrystalline structure | |
| US4673021A (en) | Method and apparatus for casting articles | |
| EP1778426B1 (en) | A method for producing a functionally gradient component | |
| RU2146185C1 (en) | Method for making monocrystalline structure part by directional crystallization and apparatus for performing the same | |
| RU2226449C1 (en) | Method for casting parts with use of oriented crystallization and apparatus for performing the same | |
| RU2123909C1 (en) | Method of producing castings with oriented crystallization and device for its embodiment | |
| US5171491A (en) | Method of producing near net shape fused cast refractories | |
| RU2720331C1 (en) | Molding method into chill mold for production of flat castings from aluminum and magnesium alloys | |
| RU2010673C1 (en) | Apparatus for controlling casting crystallization | |
| SU863171A1 (en) | Method of casting parts with directional and monocrystallic | |
| RU2152844C1 (en) | Apparatus for making castings with directed monocrystalline structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20071217 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091010 |