RU2116867C1 - Device for production of unidirectional and single crystal ingots - Google Patents

Abstract

FIELD: foundry; may be used in casting of large blades with unidirectional or single-crystal structure and provided with developed banding and locking flanges. SUBSTANCE: device has vacuum chamber which has furnace for heating ceramic molds, mold and cylindrical screen located round the casting coaxially to its vertical axis and fastened to mold upper part or to suspension. Screen may be made solid or in the form of a number of members with protruding flanges telescopically entering one another. Screen is made of grafitized foil or carbon-carbon composite. EFFECT: lessened significance of radial component of thermal gradient in directional crystallization of blades with banding flanges developed to a great extent; higher degree of structural quality of castings; elimination of porosity in the region of transition of flange to blade body. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при литье крупногабаритных лопаток с направленной и монокристаллической структурой, имеющих развитые бандажные и замковые полки. The invention relates to the field of foundry and can be used in the casting of large-sized blades with directional and single-crystal structure having developed retaining and locking shelves.

Известны устройства, применяемые при литье лопаток методом направленной кристаллизации, которые содержат зону нагрева и зону охлаждения, разделенные горизонтальным экраном, причем, если зона охлаждения представляет собой плиту-холодильник, то используется, как правило, жесткий экран (патенты США N 3680028, 4763716, Великобритании N 1285319, 1562368, ЕР N 0589508, ФРГ N 21022389). В случае жидкометаллического охлаждения кроме жесткого могут использовать экраны, плавающие на поверхности охладителя (патентные ФРГ N 4321640, заявка PCT N 096/05006 PCT, патент РФ N 1401715). Known devices used in the casting of blades by directional crystallization, which contain a heating zone and a cooling zone, separated by a horizontal screen, and if the cooling zone is a refrigerator plate, then a hard screen is used, as a rule (US patents N 3680028, 4763716, Great Britain N 1285319, 1562368, EP N 0589508, Germany N 21022389). In the case of liquid metal cooling, in addition to hard cooling, screens floating on the surface of the cooler can be used (patent Germany N 4321640, PCT application N 096/05006 PCT, RF patent N 1401715).

Горизонтальные экраны создают тепловой барьер между зоной нагрева и зоной охлаждения с целью повышения температурного градиента на фронте роста кристаллов. Однако для лопаток с сильно развитыми полками упомянутые конструкции экранов необходимо изготавливать под максимальный размер лопатки в горизонтальном направлении, что снижает роль экранирования, не обеспечивая требуемую структуру. Horizontal screens create a thermal barrier between the heating zone and the cooling zone in order to increase the temperature gradient at the crystal growth front. However, for blades with highly developed shelves, the aforementioned screen designs must be made to the maximum size of the blade in the horizontal direction, which reduces the role of shielding, not providing the required structure.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство по патенту Великобритании N 1303038, принятое нами за прототип. Closest to the technical nature of the proposed device is the UK patent N 1303038, adopted by us for the prototype.

Согласно прототипу устройство состоит из вакуумной камеры, внутри которой расположена печь подогрева форм. В печи размещен керамический блок из нескольких лопаток, установленный на плиту- холодильник, а между центральной частью блока и полостью отливки расположен замкнутый экран. Экран выполнен в виде кольцевой полости, изготавливаемой вместе с керамической формой и жестко связанной с ней и служащей для равномерного прогревания всех отливок в блоке по высоте и уменьшения взаимного их влияния друг на друга в процессе охлаждения. According to the prototype, the device consists of a vacuum chamber, inside of which there is a mold heating furnace. In the furnace there is a ceramic block of several blades mounted on a refrigerator plate, and a closed screen is located between the central part of the block and the casting cavity. The screen is made in the form of an annular cavity, made together with a ceramic mold and rigidly connected with it and serving for uniform heating of all castings in the block in height and to reduce their mutual influence on each other during cooling.

Все перечисленные типы устройств, содержащие экраны, включая прототип, в процессе опускания формы из зоны нагрева в зону охлаждения не снижают радиальную составляющую термического градиента, не приспособлены к отливкам, имеющим развитые горизонтальные полки, что вызывает дефекты структуры и повышенную пористость в районе перехода полки в перо лопатки. Технической задачей настоящего изобретения является повышение структурного совершенства отливки за счет сжижения радиальной составляющей термического градиента без изменения величины осевого градиента температур в процессе кристаллизации отливки и повышение выхода годного по структуре. All of the listed types of devices containing screens, including the prototype, during lowering the mold from the heating zone to the cooling zone do not reduce the radial component of the thermal gradient, are not adapted to castings with developed horizontal shelves, which causes structural defects and increased porosity in the region of transition of the shelf to feather scapula. The technical task of the present invention is to improve the structural perfection of the casting by liquefying the radial component of the thermal gradient without changing the magnitude of the axial temperature gradient during crystallization of the casting and increasing the yield by structure.

Для решения технической задачи предлагается устройство, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположена печь подогрева форм с размещенными в ней керамической формой и вертикальным экраном, и кристаллизатор. При этом, вертикальный экран выполнен отдельно от керамической формы и установлен концентрично вертикальной оси отливки, нижний торец его открыт в сторону кристаллизатора. Экран может быть выполнен целым из тонкой графитированной фольги с графитовыми обечайками на торцах или в виде ряда элементов, выступающими фланцами телескопически входящими друг в друга. Количество и высота этих элементов определяется конструктивно и зависит от размеров лопатки. Экран закрепляют на верхней части формы или на подвеске. To solve the technical problem, a device is proposed that contains a vacuum chamber, inside of which there is a mold heating furnace with a ceramic mold and a vertical screen placed in it, and a mold. At the same time, the vertical screen is made separately from the ceramic mold and is installed concentrically to the vertical axis of the casting, its lower end is open towards the mold. The screen can be made whole of thin graphitized foil with graphite shells at the ends or in the form of a series of elements protruding flanges telescopically entering each other. The number and height of these elements is determined structurally and depends on the dimensions of the blade. The screen is fixed to the top of the mold or to the suspension.

Для изготовления экрана используют теплоизоляционный материал, например графитированную фольгу, композиционный материал основе C-C(углерод-углерод) и др. For the manufacture of the screen, heat-insulating material is used, for example, graphite foil, a composite material based on C-C (carbon-carbon), etc.

На фиг. 1а представлена схема устройства для литья лопаток с развитыми горизонтальными полками и вертикальный экран, открытый снизу: 1 - керамическая форма лопатки, 2 - вертикальный экран, 3 - подвеска для форм, 4 - печь подогрева формы, 5 - теплоизоляция, 6 - воронка для заливки расплава, 7 - жидкометаллический кристаллизатор; на фиг.1б представлен экран, выполненный в виде телескопически складывающихся элементов. In FIG. 1a shows a diagram of a device for casting blades with developed horizontal shelves and a vertical screen open from below: 1 - ceramic shape of the blade, 2 - vertical screen, 3 - suspension for molds, 4 - mold heating furnace, 5 - thermal insulation, 6 - funnel for pouring melt, 7 - liquid metal crystallizer; on figb presents a screen made in the form of telescopically folding elements.

Работает устройство следующим образом: форма 1, окруженная экраном 2, открытым снизу, с помощью подвески 3 удерживается в печи подогрева 4, окруженной теплоизоляцией 5. После достижения заданной температуры в форму через воронку 6 заливают жаропрочный сплав. После этого форму с заданной скоростью погружают в жидкометаллический кристаллизатор 7. Если габариты лопатки невелики, экран может быть выполнен целым из тонкой графитированной фольги с графитовыми обечайками на торцах. При отливке крупногабаритных лопаток экран может быть выполнен из ряда элементов, например колец, телескопически вкладывающихся друг в друга в процессе направленной кристаллизации, что повышает эффективность его работы и удобство эксплуатации. Для получения лопаток с монокристаллической структурой в керамическую форму устанавливают затравку требуемой кристаллографической ориентации. The device operates as follows: a mold 1, surrounded by a screen 2, open from below, is suspended by means of a suspension 3 in a heating furnace 4, surrounded by thermal insulation 5. After reaching the set temperature, a heat-resistant alloy is poured into the mold through a funnel 6. After that, the mold is immersed at a given speed in the liquid metal mold 7. If the dimensions of the blades are small, the screen can be made of a whole of thin graphite foil with graphite shells at the ends. When casting large blades, the screen can be made of a number of elements, for example, rings telescopically inserted into each other in the process of directional crystallization, which increases its efficiency and ease of operation. To obtain blades with a single-crystal structure, a seed of the required crystallographic orientation is installed in a ceramic form.

При направленной кристаллизации вертикальный экран в зазоре между печью подогрева и уровнем охладителя предотвращает потери тепла в радиальном направлении, одновременно не позволяет горизонтальным полкам получать дополнительный тепловой поток от нагревателя, не препятствуя влиянию охладителя. Это способствует строго однонаправленному осевому теплоотводу от кристаллизующейся отливки и позволяет также устранить пористость при переходе от полки к перу. In directional crystallization, a vertical screen in the gap between the heating furnace and the level of the cooler prevents heat loss in the radial direction, at the same time it does not allow horizontal shelves to receive additional heat flow from the heater, without interfering with the influence of the cooler. This contributes to strictly unidirectional axial heat dissipation from the crystallized casting and also eliminates porosity during the transition from shelf to feather.

Фиг.2а иллюстрирует традиционную технологию получения лопаток с направленной и монокристаллической структурой. Охлаждение блока при этом эффективно только по периферии блока, а изнутри деталь может нагреваться сверху. Figure 2a illustrates the conventional technology for producing blades with directional and single-crystal structure. In this case, cooling the unit is effective only along the periphery of the unit, and from the inside the part can be heated from above.

На фиг. 2б показано охлаждение блока лопаток по прототипу : конструкция экрана препятствует прогреву деталей изнутри блока, но не мешает перегреву в районе перехода от полки в перо, что приводит к дефектам лопатки по структуре. In FIG. 2b shows the cooling of the blade block according to the prototype: the screen design prevents the parts from heating from the inside of the block, but does not interfere with overheating in the area of transition from the shelf to the feather, which leads to defects in the blade structure.

На фиг.2в представлена схема охлаждения лопатки с сильно развитыми в горизонтальном направлении полками при направленной кристаллизации в жидкометаллический кристаллизатор с применением предлагаемого вертикального экрана. Экранирование продолжается в течение всего процесса погружения формы, сохраняя степень совершенства структуры на всю ее высоту, поскольку основной причиной появления малоугловых границ является наличие радиальной составляющей теплового потока при направленной кристаллизации отливок, которая в предложенном устройстве отсутствует. On figv presents the cooling circuit of the blades with highly developed in the horizontal direction of the shelves during directional crystallization in the liquid metal mold using the proposed vertical screen. Screening continues throughout the process of immersion of the mold, while maintaining the degree of perfection of the structure to its entire height, since the main reason for the appearance of small-angle boundaries is the presence of the radial component of the heat flux during directional crystallization of castings, which is absent in the proposed device.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет уменьшить роль радиальной составляющей термического градиента в процессе направленной кристаллизации лопаток с сильно развитыми бандажными полками, повысить степень структурного совершенства по высоте отливки, устранить пористость в районе перехода полки в перо и повысить тем самым выход годного по структуре на 10-20%. Thus, the proposed device can reduce the role of the radial component of the thermal gradient in the directional crystallization of blades with highly developed retaining shelves, increase the degree of structural perfection in height of the casting, eliminate porosity in the region of transition of the shelf into the feather, and thereby increase the yield by structure by 10- twenty%.

Вертикальный экран может быть использован как в установках с жидкометаллическим кристаллизатором, так и с традиционным кристаллизатором в виде плиты-холодильника. The vertical screen can be used both in installations with a liquid metal crystallizer, and with a traditional crystallizer in the form of a refrigerator plate.

Claims (3)

1. Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающее вакуумную камеру, внутри которой расположена печь подогрева форм с размещенной в ней керамической формой с вертикальным экраном типа тела вращения, и кристаллизатор, отличающееся тем, что вертикальный экран выполнен отдельно от керамической формы и установлен вокруг отливки соосно ее вертикальной оси, при этом нижний торец его открыт в сторону кристаллизатора. 1. A device for producing castings with directional and single-crystal structure, including a vacuum chamber, inside which there is a mold heating furnace with a ceramic mold placed in it with a vertical screen such as a body of revolution, and a mold, characterized in that the vertical screen is made separately from the ceramic mold and installed around the casting coaxially with its vertical axis, while the bottom end is open towards the mold. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экран выполнен в виде элементов, телескопически складывающихся в процессе направленной кристаллизации. 2. The device according to claim 1, characterized in that the screen is made in the form of elements that are telescopically folding in the process of directional crystallization. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экран выполнен из теплоизоляционного материала, например графитированной фольги или композиционного материала на основе углерод-углерод. 3. The device according to claim 1, characterized in that the screen is made of heat-insulating material, such as graphite foil or carbon-carbon-based composite material.

Images