RU2226449C1 - Method for casting parts with use of oriented crystallization and apparatus for performing the same - Google Patents

Abstract

FIELD: foundry, possibly manufacture of parts of gas turbines with monocrystalline and oriented structure. SUBSTANCE: method comprises steps of placing casting mold in heating chamber of vacuum furnace; creating desired evacuation degree in said furnace; pouring melt into heated casting mold; lowering evacuation degree in furnace until value no more than 3.5 x 10² Pa; moving mold out of heating chamber to cooling chamber and immersing mold into liquid-metal cooling agent; in addition from depth no more than 15 cm through cooling agent layer adjacent to mold supplying inert gas in the form of jet flow directed to mold surface along its perimeter; supplying gas through gas ducts arranged in bath with cooling agent; promoting suppression of evaporation of cooling agent in layer adjacent to mold due to reducing evacuation degree before immersing mold into cooling agent and due to gas supply. EFFECT: improved heat transfer in cooling agent, enhanced efficiency of process. 8 cl, 2 dwg, 4 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к литейному производству, а именно к способу литья деталей направленной кристаллизацией и устройству для его осуществления.The present invention relates to foundry, and in particular to a method for casting parts by directed crystallization and a device for its implementation.

Данное изобретение может быть использовано, в частности, в производстве монокристаллических деталей газового тракта газотурбинных двигателей и установок методом направленной кристаллизации жаропрочных сплавов в вакууме в устройствах с жидкометаллическим охлаждением литейных форм.This invention can be used, in particular, in the production of single-crystal parts of the gas path of gas turbine engines and installations by the method of directed crystallization of heat-resistant alloys in vacuum in devices with liquid metal cooling of casting molds.

В зависимости от условий реализации способа литые детали ответственного назначения могут быть сформированы в виде монокристаллической (МК-структура) или могут быть образованы из сориентированных в одном направлении столбчатых кристаллов (НК-структура).Depending on the conditions for the implementation of the method, the cast parts of critical use can be formed in the form of a single-crystal (MK structure) or can be formed from columnar crystals oriented in the same direction (NC structure).

Известные способы литья деталей направленной кристаллизацией, использующие жидкометаллическое охлаждение (ЖМО) в алюминии и олове, и устройства для их реализации обладают общим недостатком.Known methods of casting parts by directional crystallization using liquid metal cooling (LMO) in aluminum and tin, and devices for their implementation have a common drawback.

При формировании крупногабаритных деталей неизбежным следствием увеличения габаритов и масс литых лопаток является уменьшение скоростей формирования МК-структур (скоростей погружения формы в охладитель) с 10-15 до 2-5 мм/мин для деталей длиной более 300 мм.When forming large-sized parts, an inevitable consequence of an increase in the dimensions and masses of cast blades is a decrease in the rates of formation of MK structures (rates of immersion of the mold in the cooler) from 10-15 to 2-5 mm / min for parts longer than 300 mm.

Для формирования МК-структур в лопатках с габаритами до 1000 мм время процесса охлаждения форм увеличивается до 5-6 и более часов. Это, в свою очередь, требует повышения высокотемпературной прочности формы (толщины стенки), приводит к снижению производительности оборудования и повышению материальных и энергетических затрат при одновременном снижении качества отливок и эксплуатационных свойств литых деталей.For the formation of MK structures in blades with dimensions up to 1000 mm, the time of the mold cooling process increases to 5-6 or more hours. This, in turn, requires an increase in high-temperature mold strength (wall thickness), leads to a decrease in equipment productivity and an increase in material and energy costs while reducing the quality of castings and the operational properties of cast parts.

Все перечисленные негативные свойства известных способов литья деталей направленной кристаллизацией с ЖМО имеют своей причиной низкую эффективность отбора теплоты с поверхности формы.All of these negative properties of the known methods of casting parts by directional crystallization with LMOs have as their reason the low efficiency of heat removal from the mold surface.

Известны способы и устройства для направленной кристаллизации суперсплавов, имеющие цель повысить качество деталей с НК- и МК-структурами за счет повышения эффективности теплообмена.Known methods and devices for directional crystallization of superalloys, with the goal of improving the quality of parts with NK and MK structures by increasing the efficiency of heat transfer.

Способы достижения цели заключаются, во-первых, в проведении процесса формирования МК-структуры охлаждением свободной конвекцией охладителя в атмосфере инертных газов с давлениями в диапазоне 9,8·10²-9,8·10⁴ Па (US 6311760 В1) и, во-вторых, в принудительном перемешивании охладителя (вынужденная конвекция) во всем его объеме как механическим способом (US 3763926), так и продувкой инертным газом (US 6311760 B1) всего объема охладителя.Ways to achieve the goal are, firstly, to carry out the formation of the MK structure by cooling with free convection of the cooler in an inert gas atmosphere with pressures in the range of 9.8 · 10 ² -9.8 · 10 ⁴ Pa (US 6311760 B1) and, in secondly, in forced mixing of the cooler (forced convection) in its entire volume both mechanically (US 3763926) and inert gas (US 6311760 B1) blowing the entire volume of the cooler.

Наиболее близкий к предложенному известный способ литья деталей направленной кристаллизацией (US N 6311760 B1 по классу B 22 D 27/04) состоит в следующем.Closest to the proposed known method of casting parts by directional crystallization (US N 6311760 B1 in class B 22 D 27/04) is as follows.

Литейную керамическую форму устанавливают в камере нагрева с возможностью ее вертикального перемещения и нагревают выше температуры плавления жаропрочного сплава. Затем в нее заливают в вакууме расплав, далее форму постепенно погружают в жидкометаллический охладитель со скоростью, обеспечивающей устойчивое формирование монокристаллической структуры по всей высоте отливки. При погружении формы в охладитель в течение всего времени погружения в камере охлаждения создают давление инертных газов в диапазоне величин 9,8·10²-9,8·10⁴ Па. Осуществляют подачу инертных газов через стенки камер или через стенки ванны с жидкометаллическим охладителем через пористый теплостойкий газоввод.The foundry ceramic mold is installed in the heating chamber with the possibility of its vertical movement and heated above the melting temperature of the heat-resistant alloy. Then, the melt is poured into it in a vacuum, then the mold is gradually immersed in a liquid metal cooler at a speed that ensures the stable formation of a single crystal structure over the entire height of the casting. When the mold is immersed in the cooler during the whole time of immersion in the cooling chamber, an inert gas pressure is created in the range of 9.8 · 10 ² -9.8 · 10 ⁴ Pa. Inert gases are supplied through the walls of the chambers or through the walls of the bath with a liquid metal cooler through a porous heat-resistant gas inlet.

Известное устройство для литья деталей направленной кристаллизацией, реализующее вышеописанный способ, содержит вакуумную печь с системой создания давления инертного газа в диапазоне 9,8·10²-9,8·10⁵ Па.A known device for casting parts by directional crystallization, implementing the above method, comprises a vacuum furnace with an inert gas pressure generating system in the range of 9.8 · 10 ² -9.8 · 10 ⁵ Pa.

Вакуумная печь имеет газовую систему, расположенные соосно одна над другой и сообщающиеся камеру нагрева формы с узлом плавки и заливки, камеру охлаждения формы с ванной жидкометаллического охладителя и механизм перемещения литейной формы из камеры в камеру.The vacuum furnace has a gas system located coaxially one above the other and communicating with a mold heating chamber with a melting and pouring unit, a mold cooling chamber with a liquid metal cooler bath, and a mechanism for moving the mold from chamber to chamber.

Эффект описанного способа и устройства состоит в уменьшении на 20% расстояния между первичными дендритами, в уменьшении на 30% микропористости и размеров микропор. Отмечена также возможность повышения производительности за счет повышения скорости погружения формы в охладитель.The effect of the described method and device is to reduce by 20% the distance between the primary dendrites, to reduce by 30% the microporosity and size of micropores. The possibility of increasing productivity by increasing the speed of immersion of the form in the cooler was also noted.

Недостатки способа и устройства по патенту US 6311760 В1 состоят в отсутствии при любых способах создания инертной среды в печи количественного подтверждения положительного влияния инертных газов в заявленном диапазоне давлений на повышение эффективности теплообмена формы с ЖМО и на повышение скорости формирования НК- и МК-структур в крупногабаритных деталях.The disadvantages of the method and device according to the patent US 6311760 B1 are the absence of any method of creating an inert atmosphere in the furnace to quantitatively confirm the positive influence of inert gases in the claimed pressure range on increasing the heat transfer efficiency of the mold with LMOs and on increasing the formation rate of NK and MK structures in large details.

Общепринятой мерой количественной оценки эффективности отбора тепла от стенки формы в охладитель является коэффициент теплоотдачи α. Практические значения эффективности теплообмена в разных процессах направленной кристаллизации приведены в табл.1.A common measure for quantifying the efficiency of heat removal from the mold wall to the cooler is the heat transfer coefficient α. Practical values of the heat transfer efficiency in different processes of directed crystallization are given in Table 1.

Наши расчетные значения коэффициентов теплоотдачи свободной конвекцией α для разных жидких охладителей на границе форма (толщиной δ) - ЖМО приведены в табл.2.Our calculated values of the coefficients of heat transfer by free convection α for different liquid coolers at the boundary of the form (thickness δ) - LMO are given in Table 2.

Расчетные значения коэффициентов теплопередачи вынужденной конвекцией в 5-8 раз ниже величин, указанных в табл.2 (см. А.С. Телегин, В.С. Швыдкий, Ю.Г. Ярошенко. Тепло-массоперенос. - М.: Металлургия, 1995, с.161-175, 175-185), поэтому вклад вынужденной конвекции от перемешивания всей массы охладителя в ванне в эффективность теплообмена мал.The calculated values of the heat transfer coefficients by forced convection are 5-8 times lower than the values indicated in Table 2 (see A.S. Telegin, V.S. Shvydky, Yu.G. Yaroshenko. Heat and mass transfer. - M.: Metallurgy, 1995, p. 161-175, 175-185), therefore, the contribution of forced convection from mixing the entire mass of the cooler in the bath to the heat transfer efficiency is small.

Приведенные в табл.1 и 2 максимальные практические и теоретические значения величин коэффициентов теплоотдачи α отличаются на порядок. Реализация на практике теоретически возможного конвективного теплообмена, то есть увеличение α с 600 до 4000-6000 Вт/м²·К, позволит многократно увеличить скорости формирования МК-структур, производительность устройств и экономичность технологии, а также повысить качество деталей.The maximum practical and theoretical values of the heat transfer coefficients α given in Tables 1 and 2 differ by an order of magnitude. The practical implementation of the theoretically possible convective heat transfer, that is, an increase in α from 600 to 4000-6000 W / m ² · K, will significantly increase the formation rates of MK structures, the productivity of devices and the cost-effectiveness of the technology, as well as improve the quality of parts.

Основной причиной отличия на порядок теоретических и практических значений величин α являются физически неизбежные процессы испарения и кипения жидких алюминия и олова на границе с поверхностью формы и в приграничных слоях охладителя при температурах формы Т_ф выше температур их плавления

The main reason for the difference in theoretical and practical values of α is the physically inevitable processes of evaporation and boiling of liquid aluminum and tin at the boundary with the mold surface and in the boundary layers of the cooler at temperatures of the form T _f above their melting temperatures

При температурах формы выше Т_с ≅ 1500К (температура окончания затвердевания всех суперсплавов) на границе форма - охладитель образуется зона интенсивного испарения в виде сплошной пленки паров алюминия или олова с давлениями на несколько порядков выше рабочего вакуума -5×10^-1 Па в камере охлаждения.At mold temperatures above T _c ≅ 1500K (the temperature at which all superalloys solidify), a vigorous evaporation zone forms in the form of a continuous film of aluminum or tin vapor with pressures several orders of magnitude higher than the working vacuum of -5 × 10 ^-1 Pa in the cooling chamber .

Эта пленка пара имеет переменные толщину и давление по длине погруженной в охладитель поверхности формы. Закономерности их изменения обусловлены уменьшением температуры Т_ф поверхности формы по мере погружения в охладитель и увеличением металлостатического давления охладителя. Физические свойства Аl и Sn определяют меньшую толщину пленки пара у Sn и меньшую ее протяженность по глубине на поверхности формы. Всегда протяженность пленок Аl и Sn в традиционных процессах НК больше ширины зоны формирования МК-структуры - l_мк=Т_л-Т_с/G в отливке: G - градиент температур между изотермами Т_л и Т_с интервала кристаллизации ΔТ (табл.3). Поэтому передача тепла от стенки формы в охладитель в зоне l_мк всегда осуществляется через пленку паров одноатомных металлов, теплопроводность которых чрезвычайно низка, а коэффициент теплопередачи через пленку не превышает ~ 10 Вт/м²·К.This vapor film has variable thickness and pressure along the length of the mold surface immersed in the cooler. The patterns of their change are due to a decrease in temperature T _{f the} surface of the mold as it is immersed in the cooler and an increase in the metallostatic pressure of the cooler. The physical properties of Al and Sn determine the smaller thickness of the vapor film of Sn and its smaller depth in depth on the mold surface. The length of Al and Sn films in traditional NC processes is always greater than the width of the zone of formation of the MK structure - l _μ = T _l -T _s / G in the casting: G is the temperature gradient between the isotherms T _l and T _from the crystallization interval ΔТ (Table 3) . Therefore, heat transfer from the mold wall to the cooler in the l _μ zone is always carried out through a film of monatomic metal vapors, the thermal conductivity of which is extremely low, and the heat transfer coefficient through the film does not exceed ~ 10 W / m ² · K.

Известно также, что эффективность теплопередачи от жидкости в пар этой жидкости при ее кипении (или в искусственно инициированную газовую фазу - пузырек газа) чрезвычайно высока и характеризуется для разных металлов значениями коэффициента α теплоотдачи 30000-200000 Bт/м²·K.It is also known that the efficiency of heat transfer from a liquid to a vapor of this liquid during its boiling (or into an artificially initiated gas phase — a gas bubble) is extremely high and is characterized for different metals by the values of heat transfer coefficient α of 30000-200000 W / m ² · K.

В соответствии с изложенным задача изобретения заключается в дальнейшем развитии способа литья деталей направленной кристаллизацией и устройства для его осуществления, чтобы, по сравнению с уровнем техники, достигался существенно более высокий, чем на практике, коэффициент теплоотдачи в ЖМО, во-первых, за счет подавления кипения охладителя и, во-вторых, за счет интенсификации теплообмена в приграничном к форме слое охладителя. При этом должны достигаться высокие скорости формирования МК-структур и повышение производительности устройства максимально экономичными средствами.In accordance with the foregoing, the objective of the invention is to further develop a method for casting parts by directional crystallization and a device for its implementation, so that, in comparison with the prior art, a significantly higher than in practice heat transfer coefficient in LMOs is achieved, firstly, by suppressing boiling of the cooler and, secondly, due to the intensification of heat transfer in the cooler layer bordering the form. At the same time, high rates of formation of MK structures and an increase in the productivity of the device with the most economical means should be achieved.

Подавление процесса кипения охладителей достигается тем, что в предложенном способе литья деталей направленной кристаллизацией, включающем установку литейной формы в камеру нагрева вакуумной печи, нагрев формы выше температуры плавления жаропрочного сплава, плавку суперсплава, заливку расплава в форму, перемещение литейной формы из камеры нагрева в камеру охлаждения с ванной жидкометаллического охладителя вакуумной печи, изменение вакуума (давления газов) в камере охлаждения вакуумной печи и погружение формы в охладитель, согласно изобретению, перед погружением формы в охладитель рабочий вакуум в печи уменьшают с 5×10^-1 Па до величин не выше (0,5-2,5)·10² Па и поддерживают его до окончания погружения формы. Это гарантированно исключает даже возможность кипения ЖМО и образования пленки пара ЖМО на поверхности формы.Suppression of the boiling process of coolers is achieved by the fact that in the proposed method of casting parts by directional crystallization, which includes installing the mold in the heating chamber of a vacuum furnace, heating the mold above the melting temperature of the heat-resistant alloy, melting the superalloy, pouring the melt into the mold, moving the mold from the heating chamber to the chamber cooling from the bath of the liquid metal cooler of the vacuum furnace, changing the vacuum (gas pressure) in the cooling chamber of the vacuum furnace and immersing the mold in the cooler, according to and To the invention, before immersion of the mold in the cooler, the working vacuum in the furnace is reduced from 5 × 10 ^-1 Pa to values not higher than (0.5-2.5) · 10 ² Pa and it is maintained until the immersion of the mold is completed. This guaranteed excludes even the possibility of boiling LMOs and the formation of a vapor film of LMOs on the surface of the mold.

Целесообразно до начала и при погружении формы в жидкий алюминий величину вакуума (давления газов) устанавливать не выше 2,5×10² Па, а в жидкое олово не выше 0,5×10² Па.It is advisable to start and when the mold is immersed in liquid aluminum, the vacuum (gas pressure) value should be set no higher than 2.5 × 10 ² Pa, and in liquid tin no higher than 0.5 × 10 ² Pa.

Вышеизложенное осуществление способа направленной кристаллизации подавляет кипение ЖМО в течение всего процесса формирования МК-структуры в отливке и эффективный отвод тепла в ЖМО при значении коэффициента теплоотдачи до (4,0-6,0)·10³ Вт/м²К.The above implementation of the directed crystallization method suppresses the boiling of LMOs during the entire process of formation of the MK structure in the casting and effective heat removal in LMOs with a heat transfer coefficient of up to (4.0-6.0) · 10 ³ W / m ² K.

Также поставленная задача решается тем, что в способе литья деталей направленной кристаллизацией, включающем установку литейной формы в камеру нагрева вакуумной печи, нагрев литейной формы выше температуры плавления жаропрочного сплава, плавку суперсплава, заливку расплава в форму, перемещение литейной формы из камеры нагрева в камеру охлаждения с ванной жидкометаллического охладителя, изменение вакуума (давления газов) в камере охлаждения вакуумной печи и погружение формы в охладитель, согласно изобретению, изменение давления газов (вакуума) в вакуумной печи создают до и при погружении формы в ЖМО путем подачи через слой охладителя с начальной глубины не более 15 см струйного потока инертного газа под давлением в направлении к поверхности формы по ее периметру.The problem is also solved by the fact that in the method of casting parts by directional crystallization, including installing the mold in the heating chamber of a vacuum furnace, heating the mold above the melting temperature of the heat-resistant alloy, melting the superalloy, pouring the melt into the mold, moving the mold from the heating chamber to the cooling chamber with a bath of liquid metal cooler, a change in vacuum (gas pressure) in the cooling chamber of a vacuum oven and immersion of the mold in a cooler, according to the invention, a change in gas pressure (vacuum) in a vacuum furnace is created before and when the mold is immersed in the LMO by supplying through the cooler layer from an initial depth of not more than 15 cm a jet stream of inert gas under pressure towards the surface of the mold along its perimeter.

При этом целесообразно величину давления подаваемого газа в камере охлаждения вакуумной печи до и при погружении формы в жидкий алюминий устанавливать не ниже 2,5×10² Па, а в жидкое олово - не ниже 0,5×10² Па, а также давление газа в струйном потоке увеличивать по мере погружения формы в охладитель для компенсации роста металлостатического давления сверх 15 см столба охладителя над уровнем потока газа.In this case, it is advisable to set the pressure of the supplied gas in the cooling chamber of the vacuum furnace before and when the mold is immersed in liquid aluminum not lower than 2.5 × 10 ² Pa, and in liquid tin - not lower than 0.5 × 10 ² Pa, as well as gas pressure in the jet stream, increase as the mold is immersed in the cooler to compensate for the growth of metallostatic pressure in excess of 15 cm of cooler column above the gas flow level.

Вышеизложенное осуществление способа направленной кристаллизации реализует высокоэффективный отвод тепла из пограничных с формой слоев охладителя в условиях подавления кипения ЖМО при дополнительной диффузии атомов пара охладителя в пузырьки инертного газа. Отвод тепла от формы пузырьками пара охладителя и газа позволяет повысить эффективность теплоотвода до значений α, превышающих 4000-6000 Вт/м²К в сторону нижней границы эффективности теплообмена в кипящей жидкости - 30000 Вт/м²К.The above implementation of the directed crystallization method implements a highly efficient heat removal from the boundary with the form of cooler layers under the conditions of suppression of boiling LMOs with additional diffusion of cooler vapor atoms into inert gas bubbles. Heat removal from the form by the vapor bubbles of the cooler and gas makes it possible to increase the heat removal efficiency to α values exceeding 4000-6000 W / m ² K towards the lower boundary of the heat transfer efficiency in boiling liquid - 30000 W / m ² K.

Также поставленная задача решается конструктивно тем, что в устройстве для литья деталей направленной кристаллизацией, содержащем вакуумную печь с камерой нагрева формы, плавки и заливки и с камерой охлаждения формы с ванной для жидкометаллического охладителя, механизм перемещения формы из камеры нагрева в камеру охлаждения, систему изменения вакуума (давления газа), согласно изобретению, система изменения вакуума содержит средство для изменения давления подаваемого струйного потока инертного газа и газопроводы, размещенные в ванне с охладителем на первоначальной глубине не более 15 см, для струйной подачи и распределения по периметру формы потока инертного газа.The task is also solved constructively by the fact that in a device for casting parts by directional crystallization, containing a vacuum furnace with a mold heating chamber, melting and pouring and a mold cooling chamber with a bath for a liquid metal cooler, a mechanism for moving the mold from the heating chamber to the cooling chamber, a change system vacuum (gas pressure), according to the invention, the vacuum change system comprises means for changing the pressure of the supplied inert gas stream and gas pipelines located in the bath with cooler at an initial depth of not more than 15 cm, for jet feeding and distribution along the perimeter of the inert gas stream shape.

Это позволяет повысить скорость формирования МК-структур при обеспечении высокой производительности устройства максимально экономичными средствами.This allows you to increase the speed of formation of MK-structures while ensuring high productivity of the device with the most economical means.

В дальнейшем изобретение поясняется прилагаемыми чертежами и описанием конкретных примеров его осуществления:The invention is further illustrated by the accompanying drawings and a description of specific examples of its implementation:

фиг.1 изображает условно в продольном разрезе общую схему устройства для реализации способа изготовления направленной кристаллизацией деталей с монокристаллической структурой согласно изобретению;figure 1 depicts conventionally in longitudinal section a General diagram of a device for implementing a method of manufacturing directional crystallization of parts with a single crystal structure according to the invention;

фиг.2 - то же, в поперечном разрезе по линии II-II на фиг.1.figure 2 is the same, in cross section along the line II-II in figure 1.

Устройство для изготовления направленной кристаллизацией деталей с монокристаллической структурой выполнено на основе вакуумной печи 1 (фиг.1) с системой вакуумирования, содержащей камеру 2 охлаждения литейной формы с установленной в ней ванной 3 с жидкометаллическим охладителем 4. Над камерой 2 охлаждения соосно расположена сообщающаяся с ней камера 5 нагрева литейной формы. В камере 5 нагрева размещен нагреватель 6 с регулируемым нагревом литейной формы по высоте. Кроме того, камера 3 содержит плавильно-заливочную печь 7 (на чертеже изображена условно) для плавки жаропрочного сплава и заливки его в форму 8.A device for manufacturing directional crystallization of parts with a single crystal structure is made on the basis of a vacuum furnace 1 (Fig. 1) with a vacuum system containing a mold cooling chamber 2 with a bath 3 with a liquid metal cooler 4 installed in it. A communication with it is coaxially located above the cooling chamber 2 mold 5 heating chamber. In the heating chamber 5 is placed a heater 6 with adjustable height heating of the mold. In addition, the chamber 3 contains a melting and casting furnace 7 (conventionally shown in the drawing) for melting a heat-resistant alloy and pouring it into mold 8.

В камере 5 нагрева размещен механизм 9 вертикального перемещения литейной формы 8 из камеры в камеру с электродвигателем 10.In the heating chamber 5 there is a mechanism 9 for the vertical movement of the mold 8 from the chamber to the chamber with an electric motor 10.

Согласно изобретению устройство содержит систему 11 изменения вакуума (давления газов) путем подачи инертного газа под изменяемым давлением через ЖМО, сообщенную с ванной 3 через газопроводы 12. Система снабжена приспособлением для распределения струйного потока инертного газа по периметру погруженной в охладитель формы 8, установленным в расплаве на заданной глубине ванны 3.According to the invention, the device comprises a system 11 for changing the vacuum (gas pressure) by supplying an inert gas under variable pressure through the LMO, communicated with the bath 3 through the gas lines 12. The system is equipped with a device for distributing the jet stream of inert gas around the perimeter of the mold 8 immersed in the cooler installed in the melt at a given bath depth 3.

Приспособление (фиг.2) выполнено в виде газораспределителя 13, соединенного с газопроводами 12, снабженного выводами 14 для распределения газовых струй по периметру формы 8 и имеющего охватывающую форму 8 конфигурацию.The device (Fig. 2) is made in the form of a gas distributor 13 connected to gas pipelines 12, equipped with terminals 14 for distributing gas jets around the perimeter of form 8 and having a configuration covering 8.

Выводы 14 газовых струй газораспределителя 13 установлены в верхней части ванны 3 на глубине расплава охладителя 4 не более 15 см.The conclusions 14 of the gas jets of the gas distributor 13 are installed in the upper part of the bath 3 at a melt depth of the cooler 4 of not more than 15 cm.

Способ литья деталей направленной кристаллизацией заключается в следующем. Литейную керамическую форму 8 устанавливают в вакуумной камере 5 нагрева с возможностью ее вертикального перемещения посредством механизма 9 (фиг.1). Далее производят нагрев литейной формы 8 выше температуры плавления жаропрочного сплава, заливку расплава в форму 8 с заданным распределением температур по высоте. Далее механизмом 9 производят вертикальное перемещение формы 8 с расплавом из камеры нагрева 5 в камеру 2 охлаждения и постепенное погружение формы 8 в ванну 3 с жидкометаллическим охладителем 4 до окончания кристаллизации отливки 15. До начала погружения литейной формы 8 в ванну 3 с ЖМО за счет внутреннего и внешнего натекания или подачи инертного газа рабочий вакуум понижают с величины не ниже 5×10^-1 Па до величин не выше 2,5×10² Па для охлаждения в алюминий и не выше 0,5×10² Па в олове.The method of casting parts by directed crystallization is as follows. The foundry ceramic mold 8 is installed in a vacuum heating chamber 5 with the possibility of its vertical movement by means of a mechanism 9 (Fig. 1). Next, the mold 8 is heated above the melting temperature of the heat-resistant alloy, the melt is poured into mold 8 with a given temperature distribution along the height. Further, by the mechanism 9, the mold 8 is vertically moved with the melt from the heating chamber 5 into the cooling chamber 2 and the mold 8 is gradually immersed in the bath 3 with the liquid metal cooler 4 until the casting 15 is crystallized. Before the mold 8 is immersed in the LMO bath 3 due to internal and external leakage or inert gas supply, the working vacuum is reduced from a value not lower than 5 × 10 ⁻¹ Pa to values not higher than 2.5 × 10 ² Pa for cooling in aluminum and not higher than 0.5 × 10 ² Pa in tin.

На практике целесообразно устанавливать до начала и поддерживать при погружении формы следующие величины вакуума (давления газов) в камере охлаждения печи: для охлаждения в олове 1,5×10² Па, для охлаждения в алюминии 3,5×10² Па.In practice, it is advisable to establish the following vacuum (gas pressure) values in the cooling chamber of the furnace before immersion and maintaining the mold: for cooling in tin 1.5 × 10 ² Pa, for cooling in aluminum 3.5 × 10 ² Pa.

При необходимости еще большей интенсификации отвода тепла одновременно с понижением вакуума и до начала погружения формы 8 в ванну 3 включают подачу инертного газа системой 11 в верхнюю часть ванны 3 с охладителем 4 с глубины не менее 15 см. Вследствие этого в течение всего времени погружения формы 8 в жидкометаллический охладитель 4 на часть поверхности формы 8 в зоне, соответствующей зоне формирования МК-структуры в отливке, по периметру формы через жидкометаллический охладитель 4 воздействуют на приграничные к форме слои охладителя струйным потоком инертного газа, распределенным по всему периметру формы 8.If it is necessary to further intensify the heat removal, simultaneously with lowering the vacuum and before the immersion of the mold 8 into the bath 3, the inert gas is supplied by the system 11 to the upper part of the bath 3 with a cooler 4 from a depth of at least 15 cm. As a result, during the entire time the mold 8 is immersed in the liquid metal cooler 4 to a part of the surface of the mold 8 in the zone corresponding to the zone of formation of the MK structure in the casting, along the perimeter of the mold through the liquid metal cooler 4 affect the layers of the jet cooler bordering the mold m inert gas flow distributed throughout the perimeter of form 8.

Давление Р_газ струйного потока увеличивают одновременно с погружением формы для компенсации роста металлостатического давления столба охладителя над первоначально установленным уровнем струйного потока газа.The pressure P of the jet stream _gas is increased simultaneously with the immersion of the mold to compensate for the growth of the metallostatic pressure of the cooler column above the initially established level of the jet stream of gas.

Эффективность теплоотвода при любых значениях Р_газ зависит от диаметра и количества газовых выводов 14 (уровень перфорации) газораспределителя 13, т.е. расхода и длительности τ_мк процесса формирования МК-структуры в зоне l_мк.The heat sink efficiency for any P _gas value depends on the diameter and number of gas outlets 14 (perforation level) of the gas distributor 13, i.e. flow rate and duration τ _{mk of} the formation of the MK structure in the zone l _mk .

Предложенным способом можно еще больше повысить эффективность теплообмена за счет металлизации высокотеплопроводными металлами поверхностных слоев оболочковых керамических форм со сквозной пористостью (патент РФ 2157296).The proposed method can further increase the efficiency of heat transfer due to the metallization by high-heat-conducting metals of the surface layers of shell ceramic forms with through porosity (RF patent 2157296).

В отличие от известных решений (патенты РФ 2157296 и 2167739), где пропитку пористых слоев нагретых форм проводят либо на этапе подготовки формы к заливке, либо перед началом охлаждения залитой формы в предложенном способе, и металлизацию, и охлаждение формы 8 осуществляют одновременно в процессе погружения формы 8 в жидкометаллический охладитель 4.In contrast to the known solutions (RF patents 2157296 and 2167739), where the porous layers of heated molds are impregnated either at the stage of preparing the mold for pouring, or before cooling of the filled mold in the proposed method, both metallization and cooling of mold 8 are carried out simultaneously during the immersion process form 8 into a liquid metal cooler 4.

При погружении залитой расплавом формы 8, у которой наружные слои имеют сообщающуюся пористость, действием капиллярных сил эта пористость практически мгновенно заполняется охладителями: алюминием, оловом и др.,- и низкотеплопроводные керамические поверхностные слои формы 8 преобразуются в высокотеплопроводную металлокерамику. Такое преобразование, например, для керамических оболочек на основе электрокорунда при материале охладителя алюминии позволяет теплопроводность формы повысить на порядок.When immersed in molten form 8, in which the outer layers have communicating porosity, by the action of capillary forces, this porosity is almost instantly filled with coolers: aluminum, tin, etc., and the low-heat-conducting ceramic surface layers of form 8 are converted into high-heat metal ceramics. Such a conversion, for example, for ceramic corundum-based ceramic shells with an aluminum cooler material, allows the thermal conductivity of the mold to be increased by an order of magnitude.

Подачу газа системой 11 прекращают после окончания затвердевания отливки из суперсплава. Последующие операции осуществляются традиционно.The gas supply by the system 11 is stopped after the solidification of the superalloy casting is completed. Subsequent operations are carried out traditionally.

В другом варианте осуществления предложенного способа все технологические операции до погружения формы 8 в охладитель 4 проводят в вакууме 5×10^-1 Па.In another embodiment of the proposed method, all technological operations before immersion of form 8 in cooler 4 are carried out in a vacuum of 5 × 10 ^-1 Pa.

Перед погружением формы 8 включают систему 11 изменения вакуума и при достижении давления газа в вакуумной печи 1 не ниже величин 3,5×10² Па для алюминия и 1,5×10² Па для олова начинают погружение формы 8 в охладитель. По мере погружения формы 8 увеличивают давление инертного газа в струйном потоке.Before immersion of the mold 8, the vacuum change system 11 is turned on and when the gas pressure in the vacuum furnace 1 is at least 3.5 × 10 ² Pa for aluminum and 1.5 × 10 ² Pa for tin, the mold 8 is immersed in the cooler. As immersion forms 8 increase the pressure of the inert gas in the jet stream.

Таким образом, предложенные способы и устройство для их реализации позволяют существенно увеличить для всех габаритов и масс отливок скорости формирования монокристаллических деталей при одновременном повышении производительности и при максимальной экономичности.Thus, the proposed methods and apparatus for their implementation can significantly increase for all dimensions and masses of castings, the rate of formation of single-crystal parts while increasing productivity and at maximum efficiency.

Для цилиндрической кольцевой отливки диаметром 120 мм с толщинами стенок 6-8 мм и длиной без прибыли 500 мм из жаропрочного сплава на основе никеля с ΔТ=80 град. при литье в керамическую форму со стенкой толщиной 15 мм полученные результаты при изменении величин низкого вакуума Р_ост и давления Р_газ сведены в таблицу. Зона l_газ действия давления Р_газ струйного потока газа составляла 10 см от зеркала охладителя.For a cylindrical ring casting with a diameter of 120 mm with wall thicknesses of 6-8 mm and a length without profit of 500 mm from a heat-resistant alloy based on nickel with ΔТ = 80 degrees. when casting in a ceramic mold with a wall thickness of 15 mm, the results obtained when changing the low vacuum values P _ost and pressure P _gas are summarized in table. Zone l _gas of pressure P _{gas gas} jet stream of gas was 10 cm from the cooler mirror.

Опробовали три варианта технологий:We tested three technology options:

I вариант. Изменяли величину низкого вакуума Р_ост=5×10^-1, 5×10⁺¹, 2,5×l0⁺², 5×10⁺², 1×10⁺³, 1×10⁺⁴ Па.I option. The value of the low vacuum was changed P _ost = 5 × 10 ^-1 , 5 × 10 ⁺¹ , 2.5 × l0 ⁺² , 5 × 10 ⁺² , 1 × 10 ⁺³ , 1 × 10 ⁺⁴ Pa.

II вариант. При постоянном низком вакууме Р_ост=2,5×10⁺² Па изменяли начальное (τ=0) давление Р_газ струйного потока: 2×10⁺³, 4×10+³, 1×10⁺⁴, 5×10⁺⁴ Па.II option. At a constant low vacuum P _ost = 2.5 × 10 ^{+ 2} Pa, the initial (τ = 0) pressure P of the jet _{gas was} changed: 2 × 10 ⁺³ , 4 × 10 + ³ , 1 × 10 ⁺⁴ , 5 × 10 ^{+ 4} Pa

III вариант. При постоянном низком вакууме Р_ост=2,5×10⁺² Па формы с пористыми (5÷6%) поверхностными слоями на глубине 0,9 толщины стенки охлаждали струйным потоком Р_газ по варианту II.III option. At a constant low vacuum, P _ost = 2.5 × 10 ^{+ 2} Pa, the forms with porous (5–6%) surface layers at a depth of 0.9 of the wall thickness were cooled by the P _gas jet stream according to option II.

В табл. 4 даны показатели эффективности охлаждения в алюминии с Т_Al=950 К, оцениваемые по максимально возможной скорости W_max формирования качественной МК-структуры на всей длине отливки l_о=500 мм.In the table. Figure 4 shows the indicators of cooling efficiency in aluminum with T _Al = 950 K, evaluated by the maximum possible speed W _{max for the} formation of a high-quality MK structure over the entire length of the casting l _о = 500 mm.

Таким образом, с помощью предложенного изобретения можно повысить в 3-7 раз скорость формирования МК-структур в установках с жидкометаллическим охлаждением при одновременном повышении качества деталей.Thus, using the proposed invention, it is possible to increase by 3–7 times the rate of formation of MK structures in plants with liquid metal cooling while improving the quality of parts.

Claims (8)

1. Способ литья деталей направленной кристаллизацией, включающий установку литейной формы в камеру нагрева вакуумной печи, создание рабочего вакуума в печи, нагрев литейной формы выше температуры плавления жаропрочного сплава, плавку, заливку расплава в форму, перемещение литейной формы из камеры нагрева в камеру охлаждения с ванной жидкометаллического охлаждения, погружение формы в охладитель, отличающийся тем, что перед погружением формы в охладитель вакуум в печи уменьшают до величины не выше 3,5×10² Па и поддерживают его до окончания погружения формы.1. A method of casting parts by directional crystallization, including installing a mold in a heating chamber of a vacuum furnace, creating a working vacuum in a furnace, heating the mold above the melting temperature of a heat-resistant alloy, melting, pouring the melt into a mold, moving the mold from the heating chamber to the cooling chamber with liquid metal cooling bath, dipping the form into a cooler, characterized in that before immersing the mold in a vacuum cooler in a furnace is reduced to a value not higher than 3,5 × ¹⁰ February Pa and maintained until the end of ogruzheniya form. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при погружении формы в жидкий алюминий величину вакуума устанавливают (3,0±0,5)×10² Па, а при погружении в жидкое олово (1,0±0,5)×10² Па.2. The method according to claim 1, characterized in that when the mold is immersed in liquid aluminum, the vacuum value is set (3.0 ± 0.5) × 10 ² Pa, and when immersed in liquid tin (1.0 ± 0.5) × 10 ² Pa. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что через приграничный к форме слой охладителя с глубины не более 15 см подают инертный газ струйным потоком в направлении к поверхности формы по ее периметру.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that through the layer of cooler bordering the mold, an inert gas is supplied from the depth of not more than 15 cm by jet stream towards the mold surface along its perimeter. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что давление газа в струйном потоке увеличивают по мере погружения формы в охладитель для компенсации роста металлостатического давления охладителя над уровнем потока газа.4. The method according to claim 3, characterized in that the gas pressure in the jet stream increases as the mold is immersed in the cooler to compensate for the growth of the metallostatic pressure of the cooler above the gas flow level. 5. Способ литья деталей направленной кристаллизацией, включающий установку литейной формы в камеру нагрева вакуумной печи, создание рабочего вакуума в печи, нагрев литейной формы выше температуры плавления жаропрочного сплава, плавку, заливку расплава в форму, перемещение литейной формы из камеры нагрева в камеру охлаждения с ванной жидкометаллического охлаждения, подачу под давлением инертного газа, погружение формы в охладитель, отличающийся тем, что подачу под давлением инертного газа осуществляют в направлении к поверхности формы по ее периметру струйным потоком через приграничный слой охладителя с глубины не более 15 см.5. A method of casting parts by directional crystallization, including installing a mold in a heating chamber of a vacuum furnace, creating a working vacuum in a furnace, heating the mold above the melting temperature of a heat-resistant alloy, melting, pouring the melt into a mold, moving the mold from the heating chamber to the cooling chamber with bath liquid metal cooling, the supply of inert gas under pressure, immersion of the form in the cooler, characterized in that the supply of inert gas under pressure is carried out towards the mold surface about its perimeter not more than 15 cm jet flow through the cooler boundary layer depth. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что величину давления газа в вакуумной печи при погружении формы в жидкий алюминий устанавливают не ниже 2,5×10² Пa, а в жидкое олово - не ниже 0,5×10² Па.6. The method according to claim 5, characterized in that the gas pressure in the vacuum furnace when the mold is immersed in liquid aluminum is set not lower than 2.5 × 10 ² Pa, and in liquid tin - not lower than 0.5 × 10 ² Pa. 7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что давление газа в струйном потоке увеличивают по мере погружения формы в охладитель для компенсации роста металлостатического давления над уровнем потока газа и давления газа в печи.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the gas pressure in the jet stream is increased as the mold is immersed in the cooler to compensate for the growth of metallostatic pressure above the level of gas flow and gas pressure in the furnace. 8. Устройство для литья деталей направленной кристаллизацией, содержащее вакуумную печь с камерой нагрева формы, плавки и заливки расплава и с камерой охлаждения формы с ванной жидкометаллического охладителя, механизм перемещения формы из камеры нагрева в камеру охлаждения, вакуумную систему и систему подачи инертного газа, отличающееся тем, что оно снабжено приспособлением распределения струйного потока газа по периметру формы через газопроводы, размещенные в ванне с охладителем на глубине не более 15 см.8. A device for casting parts by directional crystallization, containing a vacuum furnace with a mold heating chamber, melt and pour and a mold cooling chamber with a liquid metal cooler bath, a mechanism for moving the mold from the heating chamber to the cooling chamber, a vacuum system and an inert gas supply system the fact that it is equipped with a device for distributing the jet stream of gas along the perimeter of the mold through gas pipelines located in a bath with a cooler at a depth of not more than 15 cm.

Images