ОСНОВНІ СПОСОБИ ОТРИМАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ ЖАРОМІЦНИХ НІКЕЛЕВИХ СПЛАВІВ

Вперше столбчатую структуру в виливках з нікелевих жароміцних сплавів отримали Ференайдер і Гуард методом спрямованої кристалізації. Однак навіть ідеальна орієнтування поздовжніх кордонів зерен не прибирають поперечні компоненти в місцях стикування гілок дендритів. Наступним кроком вдосконалення структури лопаток було отримання їх методом спрямованої кристалізації у вигляді монокристалів, у яких були відсутні кордону зерен і відпала необхідність їх зміцнення.

Для отримання моноотлівок (монокристалів) з розплавів терміни вживаються в такому методи, названі за прізвищами їх творців.

Метод Бриджмена - Стокбаргера - нормальна спрямована кристалізація. Він полягає в тому, що метал або сплав необхідного складу, розплавлений в контейнері - тиглі, чаші всього циліндричної форми з конічним дном, повільно переміщається із зони розплавлення. При цьому на дні контейнера, охолоджують першим, виникають нечисленні центри кристалізації, які в міру опускання тигля ростуть за рахунок поглинання розплаву. Між ними йде геометричний відбір через швидкість росту кристалів, що розрізняються за орієнтуванням. В результаті може залишитися всього один кристал, який, розростаючись, займе весь обсяг циліндричної частини контейнера. У такому випадку процес вважається успішним, так як отриманий монокрістал сплаву. Але часто не всі зерна виклініваются в процесі росту, і виходить направлено закристалізований злиток з невеликим числом стовпчастих зерен. Іноді їх після відповідної розрізання можна також використовувати як монокристали. Застосовуючи тигель з більш складною будовою донної частини, наприклад, використовуючи перетискання, можна збільшити ймовірність отримання монокристалів.

Даний метод універсальний і дозволяє вирощувати монокристали більшості ЖНС. На жаль, вирощені монокристали можуть мати такі ж недосконалості структури, які є в злитках (ізоляція, пористість, разоріентіровка кристалічної решітки).

Одна з різновидів методу Бріджмена - метод Чалмерса, що відрізняється горизонтальним розташуванням тигля, який частіше за все у вигляді відкритої човники. Метал кристалізується по мерс видалення човники з нагрітої зони печі. Цей спосіб зручний для отримання кристалів заданої орієнтації, так як розташувавши кристалічну приманку на одному кінці човники, можна повернути її на заданий кут відносно поздовжнього напрямку тигля. Використовуючи тиглі складної форми, монокристали вирощують у вигляді готових зразків для механічних випробувань.

Метод Чохральського полягає в тому, що до контейнера, який містить рідкий метал з постійною температурою, підводиться охлаждаемая запал, яка потім повільно піднімається. Внаслідок сили поверхневого натягу вона захоплює частину рідкого металу, який потім твердне. Таким чином, довжина стержня зростає, а кристалізується на ньому метал поступово віддаляється з розплаву. Цей метод вимагає більш суворого дотримання температурного режиму ванни, оскільки діаметр і досконалість зростаючого монокристалла складним чином залежать від швидкості тепловідводу, яка визначається температурою розплаву, довжиною кристала, швидкістю його перетворення і ряду інших факторів, але зазвичай досконалість отриманих монокристалів буває вище, ніж у кристалів, вирощених за методом Бріджмена.

З перерахованих вище методів для отримання монокрісталліче- ського лиття турбінних лопаток ЖНС застосуємо тільки метод Бріджмена - Стокбаргера.

Промислове виробництво турбінних лопаток ГТД за кордоном базується на методі Бріджмена, в якому процес спрямованої кристалізації відбувається при переміщенні керамічної форми з розплавом жароміцного сплаву на водоохолоджуваному кристаллизаторе із зони нагріву в зону охолодження.

Зарубіжна технологія монокристалічного лиття заснована на методі відбору одного кристала з безлічі стовпчастих зерен, що мають осьову текстуру [001], сформовану за рахунок їх конкурентного зростання. Таким методом можна отримувати виливки тільки з орієнтацією [001]. Отримання інших орієнтацій або отримання виливків із заданою азимутальной орієнтацій практично неможливо [17]. Внаслідок того що даний метод передбачає відведення теплоти кристалізації тільки за рахунок радіаційного охолодження, він забезпечує невисокі температурні градієнти на фронті кристалізації ( G = 10 ... 20 ° С / см), малі швидкості кристалізації і охолодження. Це призводить до формування структури жароміцних сплавів з великими дендритними і фазовими складовими, зі значною дендритних ліквацією і пористістю. У зв'язку з цим за кордоном проблему зменшення пористості намагаються вирішувати шляхом використання дорогої технології газостатичному пресування [17]. Спрямована кристалізація в умовах невисокого температурного градієнта може привести також до утворення на поверхні відливу дефектів у вигляді смуг струменевого ликвации, що містять великі виділення евтектичною (у + у ') - фази і карбідів. У вітчизняній промисловості прикладом такої установки є прохідна піч ПМП-2.

Параметри зростання в печах з радіаційним охолодженням: осьової температурний градієнт G. = 3 ... 4 ° С / мм, швидкість росту R = 3 ... 3,5 мм / хв, швидкість охолодження GR = 9 ... 14 ° С / хв.

Необхідність в більш ефективному відведення тепла привела до створення процесу спрямованої кристалізації з жідкометалліческім охолоджувачем - метод LMC [19]. В процесі LMC керамічну форму з розплавом жароміцного сплаву переміщують із зони нагріву і одночасно занурюють у ванну з рідким охолоджуючим металом. Використання конвективного охолодження істотно підвищує швидкість тепловідведення: виливок охолоджується в 3-4 рази ефективніше, ніж при охолодженні випромінюванням.

Метод LMC отримав розвиток в ВІАМ, де розроблена технологія високошвидкісної спрямованої кристалізації лопаток ГТД в установках УВНК-8П з температурним градієнтом і жідкометалліческім охолоджувачем - розплавом алюмінію. Ця технологія широко використовується в Росії при виробництві робочих лопаток 1-го ступеня авіаційних ГТД (довжиною до 100 мм). Установки такого типу (УВНК-8П, УВНК-9) є основними у вітчизняному виробництві турбінних лопаток з односпрямованої і монокристал іческой структурою. Виливок лопаток в таких установках зазвичай проводиться блоками по 12 штук, продуктивність близько 100 ... 150 виливків на добу. Параметри зростання: G "= 6 ... 8 ° С / мм, R = 5 ... 10 мм / хв, С. R = 30 ... 80 ° С / хв.

Подальшим розвитком таких високоградієнтних установок є печі типу УВНС, робота яких також заснована на методі LMC із застосуванням охолодження форми в олові, коли досягаються величини G = 18 ... 20 ° С / мм і R = 20 мм / хв.

В основу вітчизняної технології монокристалічного лиття було покладено затравочний метод з використанням запалів з температурою плавлення на 150- 170 ° С вище температури плавлення жароміцного сплаву. Зокрема, в серійної технології використовуються затравки зі сплаву системи Ni - W або Ni - W - С, одержувані методом орієнтованої вирізки з заготовок довільної орієнтації. Використання запалів дає можливість отримати виливки з будь-якої заданої орієнтацією як в аксіальному, так і в азимутному напрямках.

Оптимальні умови для отримання монокристаллической виливки створюються в тому випадку, коли в установці забезпечуються:

  • • плоский фронт зростання в макроскопічному масштабі;
  • • стабільність фронту кристалізації щодо нагрівача протягом усього процесу формування виливки

[17].

Практично всі монокристали жароміцних сплавів мають дендритних-пористу структуру. Власне монокристал жароміцного сплаву з дендритних-комірчастою структурою формується гілками різних порядків (зазвичай 1-3-й) одного дендрита, що зародився від одного центру кристалізації або затравки.

Гілки дендритів завжди ростуть уздовж кристалографічних напрямків [001], при цьому найбільш розвинені осі 1-го порядку формуються уздовж того з напрямків [001], яке утворює мінімальний кут з вектором температурного градієнта на фронті зростання. Уздовж інших напрямків [001] ростуть менш розвинені дендритні гілки - 2-го і 3-го порядків. Оскільки цей кут при строго аксиальном теплоотводе залежить від орієнтації зростаючого кристала, то з'являється залежність морфології дендритних гілок і відповідно ростовой структури монокристалів від кристалографічної орієнтації щодо напрямку росту.

Дендритна структура монокристалів з віссю зростання [001], що виділяється на поздовжньому шлифе, складається з дендритних гілок 1-го порядку, які відповідають кристалографічних напрямах [001] і орієнтовані уздовж теплового потоку. Ці гілки розвинені практично на всю довжину зливка. Гілки 2-го порядку розташовані поперек теплового потоку і тому розвинені слабо: вони шикуються рядами уздовж площин (010) та (100).

Вперше монокристалічні лопатки були поставлені в двигун літака «Боїнг-767» американською фірмою Pratt and Whitney в 1982 році. Обсяг виробництва монокристалічних лопаток збільшується з кожним роком. Мільйони монокристалічних виливків, переважно лопаток, виробляються американською фірмою Howmet для виконання військових і цивільних проектів [19].

У вітчизняному газотурбобудування перехід на ЖНС з спрямованої і монокристалічні структурою для відливання турбінних лопаток ГТД забезпечив зростання ККД і значне зменшення витрат палива сучасних авіаційних двигунів (рис. 2.4) [20, 21].

Динаміка зростання тривалої міцності ЖНС (1), ККД (2) і зменшення витрати палива (3) газотурбінних двигунів розробки ВАТ «авіадвигунів»

Мал. 2.4. Динаміка зростання тривалої міцності ЖНС (1), ККД (2) і зменшення витрати палива (3) газотурбінних двигунів розробки ВАТ «авіадвигунів»

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >