RU2602584C1 - Method of single-crystal stubs production - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy and can be used during monocrystalline articles casting, for example, gas turbine engines turbine working blades with preset crystallographic orientation. Method involves production of billets stubs having cylindrical shape by casting. During casting on billet generatrix along cylinder axis marks are made in form of one or two diametrically arranged ledges or slots. Performing cast pieces crystallographic analysis, selecting billets, on which position of marks is aligned with billet structure azimuthal crystallographic direction, and performing selected billets cutting for stubs.

EFFECT: higher accuracy of casts stubs orientation, stubs production lower labor input.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам литейного производства с кристаллизацией расплава из затравки, и может найти применение для изготовления затравок, используемых для литья монокристаллических изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией и повышенными требованиями по ресурсу и рабочей температуре.The invention relates to metallurgy, in particular to methods of foundry production with crystallization of the melt from the seed, and may find application for the manufacture of seeds used for casting single-crystal products, for example, rotor blades of gas turbine engines with a given crystallographic orientation and increased requirements for resource and operating temperature.

Известен способ получения затравок для литья монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией, включающий отливку монокристаллической заготовки затравок с произвольной кристаллографической ориентацией, определение положения плоскости с заданной кристаллографической ориентацией, составляющей максимальный угол с осью заготовки, нанесение на заготовку метки положения этой плоскости на торце заготовки и резку заготовки на затравки под найденным углом с расположением плоскости резания параллельно указанному положению плоскости с заданной кристаллографической ориентацией (см. патент РФ №1822375, кл. B22D 27/04, 1993 г.).A known method for producing seeds for casting single crystal products from nickel refractory alloys with a given crystallographic orientation, including casting a single crystal seed blank with an arbitrary crystallographic orientation, determining the position of a plane with a given crystallographic orientation, which is the maximum angle with the axis of the workpiece, marking the position of this plane on the workpiece the end face of the workpiece and cutting the workpiece into seeds at a found angle with the location of the planes and cutting parallel to the specified position of the plane with a given crystallographic orientation (see RF patent No. 1822375, CL B22D 27/04, 1993).

Анализ известного способа показывает, что при его осуществлении перед установкой в литейную форму необходимо наносить метки на поверхность каждой затравки вручную. Поскольку затравка имеет обычно цилиндрическую форму, для указания положения азимута необходимо выполнять дополнительную трудоемкую операцию - маркировать выбранное азимутальное кристаллографическое направление каждой затравки путем нанесения вручную метки (риски) на их поверхность, что при массовом производстве существенно повышает трудоемкость осуществления способа и снижает качество получаемых данным способом отливок вследствие невысокой точности указания азимутального ориентирования положения затравки.Analysis of the known method shows that when it is carried out before installation in the mold, it is necessary to apply marks on the surface of each seed manually. Since the seed usually has a cylindrical shape, it is necessary to perform an additional laborious operation to indicate the azimuth position — mark the selected azimuthal crystallographic direction of each seed by manually applying labels (risks) to their surface, which in mass production significantly increases the complexity of the method and reduces the quality of this method castings due to the low accuracy of the azimuthal orientation of the seed position.

Известен способ получения монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией, включающий отливку монокристаллической заготовки для затравок произвольной кристаллографической ориентации, травление отлитой заготовки для выявления ее макроструктуры, определение ориентации заготовки как угла между ее геометрической осью и нормалью к плоскости выбранной кристаллографической ориентации, резку заготовки на затравки под найденным углом с расположением плоскости реза параллельно плоскости выбранной кристаллографической ориентации, травление торцов затравок для выявления макроструктуры и нанесение на торцы затравок меток, соответствующих кристаллографическим ориентациям, лежащим в плоскости реза.A known method of producing single-crystal products from nickel refractory alloys with a given crystallographic orientation, including casting a single-crystal workpiece for seeds of arbitrary crystallographic orientation, etching the cast workpiece to reveal its macrostructure, determining the orientation of the workpiece as the angle between its geometric axis and the normal to the plane of the selected crystallographic orientation, cutting blanks for seeds at a found angle with the location of the cutting plane parallel to oskosti selected crystallographic orientation, etching ends of the primers for the detection of the macrostructure and applying labels to the ends of the primers of crystallographic orientations lying in the cutting plane.

Для получения изделия полученную приведенным выше способом затравку устанавливают в затравочный карман литейной формы таким образом, чтобы торец затравки был расположен вдоль геометрической оси изделия, а кристаллографическую ориентацию изделия задают совмещением метки заданной кристаллографической ориентации с геометрической осью изделия, после чего осуществляют отливку изделия (см. патент РФ №2492025, кл. B22D 27/04, 2013 г.) - наиболее близкий аналог).To obtain the product, the seed obtained by the above method is installed in the seed pocket of the mold so that the end face of the seed is located along the geometric axis of the product, and the crystallographic orientation of the product is set by combining the label with the specified crystallographic orientation with the geometric axis of the product, and then the product is cast (see RF patent No. 2492025, CL B22D 27/04, 2013) - the closest analogue).

Анализ известного способа показывает, что он также предусматривает маркировку заданного кристаллографического направления в плоскости каждой отдельной затравки вручную с той же низкой точностью нанесения метки, определяющей заданное кристаллографическое направление затравки. Совмещение нанесенной на затравку метки «на глаз» с меткой на поверхности затравочного кармана литейной формы, куда помещают затравку, не гарантирует затравку от азимутальных смещений - поворотов вокруг нормали к плоскости затравки, и во многом зависит от индивидуального мастерства и сноровки оператора (плавильщика). В целом точность установки затравок в затравочный карман литейной формы мала. Это снижает качество получаемых изделий, особенно при их массовом производстве. При установке затравки в форму визуально известным способом опытный плавильщик допускает отклонение от заданного азимута до 5-10°.The analysis of the known method shows that it also provides for the marking of a given crystallographic direction in the plane of each individual seed manually with the same low accuracy of marking that defines a given crystallographic direction of the seed. The combination of the “by eye” mark applied to the seed with the mark on the surface of the seed mold pocket where the seed is placed does not guarantee the seed from azimuthal displacements - rotations around the normal to the seed plane, and largely depends on the individual skill and skill of the operator (smelter). In general, the accuracy of setting the seeds in the seed pocket of the mold is small. This reduces the quality of the products obtained, especially during their mass production. When installing the seed in the form in a visually known manner, the experienced smelter deviates from the specified azimuth to 5-10 °.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа изготовления монокристаллических затравок, обеспечивающего повышение точности ориентирования затравок отливок за счет точной установки их в затравочном кармане литейной формы и снижающего трудоемкость изготовления затравок путем исключения ручной операции нанесения метки, обозначающей кристаллографическое направление затравки.The technical result of the present invention is to develop a method for producing single-crystal seeds, which improves the accuracy of orientation of the seeds of the castings by accurately installing them in the seed pocket of the mold and reduces the laboriousness of the manufacture of seeds by eliminating the manual operation of applying a mark indicating the crystallographic direction of the seed.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления монокристаллических затравок, включающем литье заготовок затравок цилиндрической формы, резку заготовок на затравки, на поверхности которых имеются метки, соответствующие направлению определенной кристаллографической ориентации, новым является то, что метки выполняют на образующей заготовки в процессе ее литья вдоль оси цилиндра, проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, по результатам анализа отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с заданным азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки, причем метки выполняют в виде продольных выступов или пазов параллельно оси заготовки.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing single-crystal seeds, including casting blanks of seeds of cylindrical shape, cutting blanks on seeds, on the surface of which there are marks corresponding to the direction of a certain crystallographic orientation, the new fact is that marks are performed on the forming blanks in the process casting along the axis of the cylinder, a crystallographic analysis of the cast billets is carried out, according to the results of the analysis, billets with the position of the marks with It falls to a predetermined azimuthal crystallographic direction preform structure, and cutting is performed on the selected blanks seed, wherein the mark is in the form of projections or longitudinal grooves parallel to the axis of the workpiece.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:The essence of the claimed invention is illustrated by graphic materials on which:

- на фиг. 1 - заготовка для получения затравок, аксонометрическая проекция;- in FIG. 1 - blank for receiving seeds, axonometric projection;

- на фиг. 2 - помещенная в литейную форму затравка, разрез;- in FIG. 2 - seed, incision placed in the mold;

- таблица - точностные параметры ориентации монокристаллических лопаток заявленным способом и способом - наиболее близким аналогом.- table - accuracy parameters of the orientation of single-crystal blades by the claimed method and method - the closest analogue.

Заявленный способ осуществляют следующим образом.The claimed method is as follows.

Для реализации заявленного способа отливают партию заготовок 1 для затравок. Получение заготовок для затравок не представляет сложностей для специалистов и осуществляется по известным технологиям с использованием стандартного оборудования. Данные заготовки имеют форму цилиндра с отформованными на ней в процессе литья одной или двумя метками 2. Метка (метки) расположена(ы) на образующей цилиндрической заготовки вдоль ее оси. Метки могут быть конструктивно реализованы на заготовке различным образом, например в виде одного выступа или двух диаметрально расположенных на образующей заготовки продольных выступов 2. Для получения этих выступов в литейной форме заготовок для затравок формируют одну или две расположенные диаметрально канавки и в этих формах отливают цилиндрические стержни затравок с соответствующими выступами, имеющими первоначально случайную азимутальную ориентацию (например, [100] на фиг. 1). Метки могут быть выполнены в виде одного или двух диаметрально расположенных продольных пазов на образующей заготовки для затравок. Данные пазы формируются выступами, которые выполняют на литейной модели.To implement the inventive method, a batch of preforms 1 is cast for seeds. Getting blanks for seeds is not difficult for specialists and is carried out according to known technologies using standard equipment. These blanks are in the form of a cylinder with one or two marks formed on it during casting 2. The mark (s) are located (s) on the generatrix of the cylindrical workpiece along its axis. The marks can be structurally implemented on the workpiece in various ways, for example, in the form of one protrusion or two longitudinal protrusions diametrically located on the forming part of the preform 2. To obtain these protrusions in the molds of the seed blanks, one or two diametrically located grooves are formed and cylindrical rods are cast in these forms seed with corresponding protrusions having an initially random azimuthal orientation (for example, [100] in Fig. 1). Labels can be made in the form of one or two diametrically located longitudinal grooves on the forming blanks for seeds. These grooves are formed by protrusions that are performed on a casting model.

В дальнейшем описание заявленного способа будет раскрыто для конструкции затравки, у которой метки выполнены в виде двух диаметрально расположенных продольных выступов 2 на образующей заготовки 1. Сущность заявленного способа не меняется при выполнении меток иным описанным выше образом.In the future, the description of the claimed method will be disclosed for the design of the seed, in which the marks are made in the form of two diametrically located longitudinal protrusions 2 on the forming blank 1. The essence of the claimed method does not change when the marks are made in the other way described above.

При диаметре заготовки и затравок 10 мм и ширине выступов затравки и пазов формы 0,2-0,3 мм точность их азимутального совмещения предлагаемым способом составляет 0,5-1°, что значительно точнее, чем при использовании известного способа - наиболее близкого аналога. В этом состоит преимущество предлагаемого способа в отношении метрологии. Операция установки полученной заявленным способом затравки в затравочный карман значительно более производительна, чем известным.When the diameter of the workpiece and seeds 10 mm and the width of the protrusions of the seed and grooves of the form of 0.2-0.3 mm, the accuracy of their azimuthal alignment by the proposed method is 0.5-1 °, which is much more accurate than when using the known method, the closest analogue. This is the advantage of the proposed method in relation to metrology. The installation operation obtained by the claimed method of seed in the seed pocket is much more productive than the known.

Далее из партии отлитых стержней 1 отбирают те, у которых заданное кристаллографическое направление, например [100] (фиг. 1), параллельное элементам микроструктуры - дендритам на торцевых поверхностях, параллельно отрезку прямой, проходящей через оба ребра на боковой поверхности. При этом используется ранее установленный факт: дендриты в литой структуре граничат с друг с другом по плоскости (100), а их направление на поперечном срезе совпадает с направлением [100]. При отборе отлитых стержней допускается отклонение от параллельности на 5-10°.Then, those from which a given crystallographic direction, for example, [100] (Fig. 1), parallel to the microstructure elements — dendrites on the end surfaces and parallel to the straight line passing through both ribs on the side surface, are selected from the batch of cast rods 1. In this case, a previously established fact is used: dendrites in the molded structure are adjacent to each other along the (100) plane, and their direction on the transverse section coincides with the [100] direction. When selecting cast rods, deviation from parallelism by 5-10 ° is allowed.

Отбор осуществляют проведением кристаллографического анализа заготовки, который осуществляют известным образом с помощью известных средств, например использованием стандартного рентгеновского или металлографического оборудования. Стержни для затравок, не прошедшие процедуру отбора, направляются на переплавку.The selection is carried out by crystallographic analysis of the workpiece, which is carried out in a known manner using known means, for example, using standard x-ray or metallographic equipment. Seed rods that have not passed the selection procedure are sent for remelting.

Отобранные описанным выше образом заготовки 1, у которых «носителем» азимутальной ориентации заданного кристаллографического направления являются метки (выступы 2), разрезают (например, алмазным кругом) на затравки 3. Предварительно уточняют аксиальную ориентацию заготовки, устанавливают последнюю в отрезном станке под углом плоскости реза к основанию заготовки, равным измеренному значению аксиального отклонения нормали к искомой кристаллографической плоскости от оси заготовки, и далее выполняют операции резки.The preforms 1 selected in the manner described above, in which the “carrier” of the azimuthal orientation of the given crystallographic direction are marks (protrusions 2), are cut (for example, with a diamond wheel) into seeds 3. The axial orientation of the preform is preliminarily specified, the latter is set in the cutting machine at an angle of the cutting plane to the base of the workpiece, equal to the measured value of the axial deviation of the normal to the desired crystallographic plane from the axis of the workpiece, and then perform cutting operations.

Полученные затравки готовы к использованию.The seeds obtained are ready for use.

Предложенный способ исключает ручные операции выполнения меток. Они формируются на заготовке в процессе ее отливки.The proposed method eliminates the manual operations of labels. They are formed on the workpiece during its casting.

Отбор заготовок, у которых заданное кристаллографическое направление совпадает с направлением выступов (меток), производится на стандартном оборудовании, что позволяет произвести практически полную отбраковку некондиционных заготовок с высокой производительностью и точностью.The selection of blanks in which the given crystallographic direction coincides with the direction of the protrusions (marks) is performed on standard equipment, which allows for almost complete rejection of substandard blanks with high productivity and accuracy.

Для отливки изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинного двигателя, полученную заявленным способом затравку 3 помещают в затравочный карман литейной формы 4. В затравочном кармане литейной формы выполнены метки 5 (фиг. 2), например риски, полоски краски, пазы. Метки 5 выполнены ориентированными относительно азимутальной ориентации монокристаллического изделия, например, при изготовлении рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей - относительно длинной стороны замка лопатки или в направлении оси двигателя. Оптимальное азимутальное положение меток литейной формы определяется предварительными исследованиями или расчетным путем.For casting products, for example, turbine blades of a gas turbine engine, the seed 3 obtained by the claimed method is placed in the seed pocket of the mold 4. Marks 5 are made in the seed pocket of the mold (Fig. 2), for example, risks, paint strips, grooves. Labels 5 are made oriented with respect to the azimuthal orientation of a single-crystal product, for example, in the manufacture of turbine blades for gas turbine engines — relative to the long side of the blade lock or in the direction of the engine axis. The optimum azimuthal position of the marks of the mold is determined by preliminary studies or by calculation.

Необходимая азимутальная и аксиальная ориентация затравок в затравочном кармане литейной формы, в основном, зависит от конструкции изделия и довольно подробно описана в технической литературе (см., например, Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Толораия В.Н. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. М., Наука, 1997 г.).The required azimuthal and axial orientation of the seeds in the seed pocket of the mold mainly depends on the design of the product and is described in some detail in the technical literature (see, for example, Shalin R.E., Svetlov I.L., Toloraiya V.N. and other. Single crystals of nickel heat-resistant alloys. M., Nauka, 1997).

Наличие меток в виде выступов или пазов на боковой поверхности заготовки для затравок 1 и последующее размещение полученных из нее затравок с ответными метками - пазами или выступами затравочного кармана литейной формы - обеспечивает устойчивую азимутальную ориентацию полученных в ней отливок. При этом гарантируется единый азимут всех затравок, полученных из данной заготовки, что способствует повышению качества изделий, а также обеспечивает получение изделий с практически одинаковыми техническими характеристиками. При этом отпадает необходимость в азимутальной разметке торцевых поверхностей каждой затравки, что заметно снижает трудоемкость контроля и последующего их монтажа в литейной форме.The presence of marks in the form of protrusions or grooves on the side surface of the seed blank 1 and subsequent placement of the seed obtained from it with reciprocal marks — grooves or protrusions of the seed mold of the mold — provides a stable azimuthal orientation of the castings obtained in it. At the same time, a single azimuth of all seeds obtained from this billet is guaranteed, which helps to improve the quality of products, and also provides products with almost the same technical characteristics. This eliminates the need for azimuthal marking of the end surfaces of each seed, which significantly reduces the complexity of the control and their subsequent installation in the mold.

Сущность заявленного способа будет более понятна из приведенного ниже примера его реализации при изготовлении затравок для литья монокристаллических рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией.The essence of the claimed method will be more clear from the following example of its implementation in the manufacture of seeds for casting single-crystal working blades of turbines of gas turbine engines with a given crystallographic orientation.

Для реализации заявленного способа из сплава Ni+30% W отливали 24 заготовки (две формы по 12 штук в каждой) для затравок, имеющих цилиндрическую форму длиной 150 мм диаметром 10 мм. На заготовках метки формировали в виде двух продольных диаметрально расположенных выступов, параллельных оси цилиндра. Ось заготовки параллельна кристаллографическому направлению [001].To implement the inventive method, 24 preforms (two forms of 12 pieces each) were cast from Ni + 30% W alloy for seeds having a cylindrical shape 150 mm long with a diameter of 10 mm. On the blanks, marks were formed in the form of two longitudinal diametrically protruding protrusions parallel to the axis of the cylinder. The axis of the preform is parallel to the crystallographic direction [001].

Далее металлографически с использованием микроскопа при увеличении × 24 отобрали заготовки, у которых кристаллографическое направление [100] - направление длинной оси дендритов на поперечном срезе совпадает с направлением выступов. Из 24 отлитых заготовок отобраны 2 отливки с отклонением азимутального направления не более 1,5°.Then, preforms were taken metallographically using a microscope at a magnification of × 24, in which the crystallographic direction [100] - the direction of the long axis of the dendrites on the transverse section coincides with the direction of the protrusions. From 24 cast billets, 2 castings were selected with a deviation of the azimuthal direction of no more than 1.5 °.

Отобранные кондиционные заготовки разрезали на затравки абразивным диском на отрезном станке, устанавливая заготовку в суппорте станка под углом к ее оси, равным ранее измеренному углу отклонения оси от [001]. После резки затравки травили в смеси плавиковой и азотной кислот. Затем проверяли ориентацию полученных затравок на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3м с точностью 0,1°. Всего из двух заготовок получено 40 затравок с заданным азимутом.The selected conditional blanks were cut into seeds with an abrasive disk on a cutting machine, placing the blank in the support of the machine at an angle to its axis equal to the previously measured angle of the axis deviation from [001]. After cutting, the seeds were etched in a mixture of hydrofluoric and nitric acids. Then, the orientation of the obtained seeds was checked on a DRON-3m X-ray diffractometer with an accuracy of 0.1 °. In total, two seeds were obtained from two blanks with a given azimuth.

Для отливки лопаток полученные затравки помещали в затравочный карман литейной формы лопатки, совмещая выступы затравки с пазами в затравочном кармане, что автоматически обеспечило заданное азимутальное положение затравки в затравочном кармане. Отливку лопаток проводили по традиционно используемой технологии отливки.For casting the blades, the obtained seeds were placed in the seed pocket of the casting mold of the blade, combining the protrusions of the seed with the grooves in the seed pocket, which automatically ensured the specified azimuthal position of the seed in the seed pocket. The blades were cast according to the traditionally used casting technology.

В результате было отлито 24 лопатки, их кристаллографическая ориентация определена на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3м при съемке рентгеновских линий (004) - аксиальное отклонение от [001] и (024) - азимутальное отклонение заданного направления от [100].As a result, 24 blades were cast, their crystallographic orientation was determined on a DRON-3m automated diffractometer when taking X-ray lines (004) —axial deviation from [001] and (024) — azimuthal deviation of a given direction from [100].

Результаты контроля лопаток представлены в таблице.The results of the control of the blades are presented in the table.

Из приведенной таблицы очевидно почти двукратное повышение точности азимутального ориентирования при использовании разработанного способа по сравнению с известным.From the table above, an almost twofold increase in the accuracy of azimuthal orientation when using the developed method compared to the known one is obvious.

Claims (1)

Способ изготовления затравок для литья монокристаллических изделий, включающий получение литьем заготовок затравок, имеющих цилиндрическую форму, резку заготовок на затравки, на поверхности которых выполнены метки, соответствующие направлению кристаллографической ориентации, отличающийся тем, что метки выполняют на образующей заготовки в процессе ее литья вдоль оси цилиндра в виде одного или двух диаметрально расположенных на образующей заготовки продольных выступов или пазов, проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, по результатам анализа отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с требуемым азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки. A method of manufacturing seeds for casting single-crystal products, including the production of casting seed blanks having a cylindrical shape, cutting blanks into seeds, on the surface of which marks are made corresponding to the direction of crystallographic orientation, characterized in that the marks are made on the forming blanks during casting along the axis of the cylinder in the form of one or two longitudinal protrusions or grooves diametrically located on the forming blank, a crystallographic analysis of the cast blanks is carried out k, on the analysis of selected blank label whose position coincides with the desired azimuthal direction of the crystallographic structure of the workpiece, and the cutting is performed on the selected blanks seed.

Images