Технологические особенности получения монокристаллических образцов и турбинных лопаток из высокорениевых жаропрочных сплавов на установках УВНК-9 и виам-1790 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.018.44:669.849

Е.Н. Каблов, В.В. Герасимов, Е.М. Висик

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК ИЗ ВЫСОКОРЕНИЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА УСТАНОВКАХ УВНК-9 И ВИАМ-1790

Считается, что жаропрочные сплавы, не содержащие углерода в своем составе, при направленной кристаллизации с высокими скоростями (более 10 мм/мин) склонны к рекристаллизации при последующих технологических нагревах [1]. Основной причиной этого является высокий уровень термических напряжений в отливках, что связано с условиями их кристаллизации. Кроме того, высокий уровень остаточных напряжений при наличии поверхностно-активных веществ, оставшихся в керамическом стержне после травления для выявления макроструктуры отливок, может приводить к растрескиванию последних по механизму Ребиндера.

Предпринимается ряд мер по устранению явления рекристаллизации, в частности: ограничивается давление воздуха при пескоструйной обработке деталей; рекомендуется операции мехобработки проводить только после термической обработки изделий; увеличивается податливость керамической формы и стержня в допустимых пределах, не влияющих на геометрические размеры отливок; сокращается до минимума время между операциями «травления на макроструктуру» и «удаления керамического стержня из внутренней полости лопаток».

В связи с изложенным, разработчики сплавов требуют кристаллизовать сплавы при относительно низких скоростях (<5 мм/мин), при этом необходимый уровень свойств в монокристаллических отливках обеспечивается сложной многоступенчатой высокотемпературной термообработкой.

Однако при низких скоростях направленной кристаллизации трудно реализовать потенциальные возможности жидкометаллического охлаждения форм с отливками.

Целью работы является поиск технологических параметров получения монокристаллических отливок из новых жаропрочных сплавов, содержащих в своем составе рений, на установке УВНК-9 с жидкометаллическим кристаллизатором и на установке ВИАМ-1790 с видоизмененным узлом кристаллизации и сравнение структуры и свойств сплавов, полученных на этих установках.

Для серийного производства лопаток ГТД и ГТУ длиной до 200 мм с монокристаллической структурой из жаропрочных (КГО* - [001]) и интерметаллидных сплавов (КГО - [111]) предназначена установка УВНК-9. Отличительными особенностями установки являются:

- наличие печи подогрева форм из принципиально нового композиционного материала системы углерод-углерод (как для нагревателей, так и для теплоизоляции);

- наличие жидкометаллического охладителя (расплав алюминия) в чугунной емкости, перемещающейся в вертикальном направлении для уменьшения теплового зазора между зонами нагрева и охлаждения;

- отсутствие водоохлаждаемых рубашек печи подогрева форм;

- наличие двухуровневой системы компьютерного управления всеми функциональными узлами и агрегатами установки;

* КГО - кристаллографическая ориентация.

- фиксация параметров технологического процесса как в цифровой, так и в графической форме на экране дисплея и на жестком диске компьютера с возможностью последующей распечатки информации - для анализа структуры отливок и выхода годного.

На рис.1 представлена часть мнемосхемы установки УВНК-9 (рис. 1, б) с указанием мест расположения термопар, датчиков вакуума, пути и скорости перемещения формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения и управляющим окном технолога. На рис.1, а показан ход температурных кривых в реальной плавке. При этом построение графика осуществляется в масштабе реального времени.

а) б)

Реальное время плавки (от начала включения печи), ч:мин

Окно технолога

Задание Нагрев Охлаждение Управление

Т, °С V, °С/мин Т, °С V, °С/мин Режим Задание

ППФ (В) 1540 20 800 20 Ручной 0%

ППФ (Н) 1540 20 800 30 Ручной 0%

Рис. 1. Характерные температурные кривые при реальном процессе плавки и кристаллизации (а) и мнемосхема (часть) установки УВНК-9 (б): ППФ(В) и ППФ(Н) - показание термопар на нагревателях печи подогрева формы: верх и низ соответственно; А1 (1) и А1 (2) - показание первой (верх) и второй термопары (низ) соответственно в жидком кристаллизаторе (А1); торец (В) и торец (Н) - показание термопар в торце ППФ - верх и низ соответственно; ТЕРА - оптический прибор для измерения температуры расплава в тигле; РТ1, РТ3, РТ4, РТ5 - датчики вакуума; ИН1 - вакуумный затвор; Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 - термопары на форме

Установка ВИАМ-1790 - многофункциональная лабораторная установка для отработки и проверки технических и технологических решений организации производственных процессов направленной кристаллизации жаропрочных, эвтектических и ин-терметаллидных сплавов. На ней, в частности, отрабатывались процессы направленной кристаллизации на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе; процессы с жидкоме-таллическим охлаждением (алюминий, олово); с псевдокипящим слоем; разрабатывались конструкция керамической формы и способы крепления ее в нагревателях (крепление снизу и сверху); решались вопросы термометрирования отливок в процессе монокристаллического литья, а также процессы математического моделирования и проверки адекватности разрабатываемых моделей реальным процессам направленной кристаллизации.

Рис. 2. Кристаллизационный узел установки ВИАМ-1790 для получения монокристаллов безуглеродистых жаропрочных сплавов: 1 - двухзонный нагреватель; 2 - тепловой экран между зонами нагрева и охлаждения; 3 - водо-охлаждаемая пустая емкость; 4 - керамическая форма с отливкой

4

Последняя доработка кристаллизационного узла, выполненная специально для получения монокристаллов безуглеродистых жаропрочных сплавов, заключается в следующем (рис. 2). Под двухзонным нагревателем сопротивления была установлена полностью водоохлаждаемая пустая емкость. Сверху емкость закрыта тепловым экраном суммарной толщиной 12-15 мм. В экране имеются отверстия, через которые с минимальным зазором проходит форма в процессе кристаллизации. Повышение скорости охлаждения отливки по сравнению с традиционным процессом литья на медный кристаллизатор обеспечивается в данном случае путем:

- более надежного экранирования зоны охлаждения от зоны нагрева с помощью горизонтальных тепловых экранов;

- повышения степени черноты тепловоспринимающей поверхности;

- снижения степени вакуума в процессе направленной кристаллизации, после того как процесс плавки и заливки жаропрочного сплава в форму завершен;

- снижения температуры окружающей форму поверхности внутренней стенки емкости.

Действительно, при сложном теплообмене, когда передача тепла происходит как посредством излучения, так и путем конвекции, количественной характеристикой процесса является коэффициент теплоотдачи

ао— 0.к+0,л,

где ак учитывает действие конвекции и теплопроводности (коэффициент теплоотдачи соприкосновением), а ал - действие теплового излучения (коэффициент теплоотдачи излучением) [2].

Если и (в °С) - температура газа и 4 (в °С) - температура тепловоспринимающей стенки, то каждой единице поверхности этой стенки передается тепло путем соприкосновения [3]

дк = ак (Гг-4) (!)

и путем теплового излучения [3]

4л = 8Со[(Гг/100)4-(Гс/100)4], (2)

где дк, дл - тепловой поток при конвекции и излучении соответственно; в - приведенная степень черноты системы; со - коэффициент излучения абсолютно черного тела (5,7 Вт/(м2К4)); Тг, Тс (в К) - температуры газа и стенки соответственно.

Суммируя (1) и (2), имеем:

4о = 4к + 4л = ак & - 4) +вСо[(Тг/100)4-(Тс/100)4], (3)

где 40 - общий тепловой поток.

Так как = Гг-Гс, то, вынося эту разность за скобки в (3), получаем:

q =^а к + ес0

(T/100)4 - (Тс/100)4 Т - Т

г c

•(ir -О (4)

или

qo = (ак + ал)(^г-^с) = ао(^-4). (5)

Из уравнений (4) и (5) имеем:

ал = всо-10-8 (Тг4-Тс4)/(Тг-Тс) = 8Со[ 10-8(Тг3+ТгТс+ТгТс2+Тс3)] = всА (6)

где 0 - температурный коэффициент.

Значение 0 зависит только от температур ^ и tc и выбирается из графика [4, с.184, рис. 7.1].

Значение в определяется как , = 1 ,

— +--1

8j 8 2

где si, s2 - степень черноты тел системы.

_Т„ - Т

ф

Обозначим температуру на форме Тф как Тф — г с

2

Т

Тогда, если 0,9< <1,1, можно считать, что

0 - 0,04

f т Л

V100 у

и ал = 0,04scf

f т л

V100 у

[3].

Чтобы интенсифицировать теплоотдачу излучением, необходимо увеличить температуру излучающего тела (формы) и повысить степень черноты системы.

Если процесс теплового излучения принят в качестве основного, расчетная формула суммарной теплоотдачи будет иметь вид:

Цо = (8к+в)Со[(Гг/100)4-(Гс/100)4]. (7)

Участие в процессе конвективного теплообмена здесь учитывается увеличением приведенной степени черноты за счет вк:

В к =-- = ^ . (8)

к е0[(Тг/100)4 - (Тс/100)4 ] с00

Таким образом, факторами, влияющими на теплопередачу в отсутствие жидкоме-таллического охладителя, являются приведенная степень черноты системы тел, участ-

3

3

вующих в теплообмене, температура тепловоспринимающей стенки и газа, температура экрана между горячими и холодными зонами кристаллизационной печи, которые были учтены при разработке кристаллизационного узла с водоохлаждаемой емкостью.

Первыми отливками, полученными направленной кристаллизацией в пустую во-доохлаждаемую емкость, были лопатки из сплава ЖС36 с проникающим охлаждением. Исследование структуры полученных лопаток показало, что они монокристаллические с заданной КГО. Расстояние между осями дендритов первого порядка по всей высоте пера составляло 120-140 мкм при скорости перемещения из зоны нагрева в зону охлаждения 7 мм/мин (рис. 3).

Рис. 3. Лопатка с проникающим охлаждением из сплава ЖС36 (1) и микроструктура (х100) в ее поперечном сечении (2)

По тем же режимам кристаллизовали такие же лопатки и в установке УВНК-9 с жидкометаллическим охлаждением. Исследование микроструктуры полученных отли-

вок на поперечных шлифах показало, что междендритное расстояние X между осями первого порядка практически одинаково в обоих случаях, - при плавке и на УВНК-9, и на ВИАМ-1790.

Так же были получены по двум технологиям направленной кристаллизации образцы из сплавов ЖС40, ЖС47, ВКНА-1В, ВКНА-25. Проведенные сравнительные исследования структуры (морфология и объемное содержание у'- и уэвт-фаз), свойств, коэффициентов ликвации не выявили разницы между образцами, выплавленными на установках ВИАМ-1790 и УВНК-9 (табл. 1). На рис. 4, а, б представлены микроструктура образцов из сплава ЖС47, полученных на разных установках.

Таблица 1

Результаты структурных исследований сплава ЖС47, выплавленного по разным технологиям

Установка Место анализа Содержание химических элементов, % (по массе),

и их коэффициенты ликвации

А1 Сг Мо Та Со Яе N1

ВИАМ-1790 с Ось дендрита 4,2 2,6 1,9 1,5 6,5 11,4 16,5 55,6

доработанным Междендритная 6,1 2,3 1,8 0,6 13,1 9,8 5,1 61,5

кристаллизаци- область

онным узлом

Кл 1,5 0,9 0,9 -2,5 2,0 -1,2 -3,2 1,1

УВНК-9 Ось дендрита 3,9 2,7 1,7 1,5 5,3 11,5 17,0 57,7

Междендритная область 5,4 2,2 1,4 0,7 10,5 10,0 5,0 65,0

Кл 1,4 0,8 0,8 -2,1 2,0 -1,2 -3,4 1,1

а) б)

Рис. 4. Микроструктура (х100) сплава ЖС47 в образцах, полученных на установке ВИАМ-1790 (а; ^=190-220 мкм) и на установке УВНК-9 (б; ^=220-250 мкм)

По данным Н.В. Петрушина время до разрушения монокристаллических образцов [001] из сплава ЖС47 (после полной термообработки) при Тисп=1000°С и а=320 МПа составляет т=105-161 ч для образцов, полученных на установке УВНК-9 (охладитель -

расплав алюминия), и т=112-155 ч - для образцов, полученных при отливке на установке ВИАМ-1790 (охлаждающая среда - пустая водоохлаждаемая емкость).

Данные В.П. Бунтушкина по исследованию интерметаллидных сплавов типа ВКНА с рением также подтверждают отсутствие существенной разницы в свойствах образцов, полученных по двум вариантам технологического процесса направленной кристаллизации.

Результаты испытаний монокристаллических образцов ориентации [111] из нового сплава ВКНА-25, полученных на установках ВИАМ-1790 и УВНК-9, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Испытание на длительную прочность (при 1000°С и а=250 МПа) образцов из сплава ВКНА-25, полученных на разных установках

Установка Условный Время до 5 W

номер образца разрушения т,ч %

УВНК-9 1 101,0 19,8 19,8

2 107,0 22,0 20,0

3 103,5 22,8 20,0

4 81,5 20,6 20,0

ВИАМ-1790 5 107,0 26,2 22,8

6 75,5 19,4 20,8

Таким образом, найдено техническое решение для литья монокристаллических образцов и лопаток из безуглеродистых ренийсодержащих сплавов, обеспечивающее: получение структуры без freckles с междендритным расстоянием между осями первого порядка не более, чем при кристаллизации в жидкометаллический охладитель; высокий уровень механических характеристик при всех исследованных температурах, а также исключающее явление рекристаллизации в отливках, позволяющее легко собрать и использовать дорогостоящий сплав в случае разрушения керамической формы при литье и легко вписывающееся в существующий техпроцесс, так как не требует существенных конструктивных изменений существующего оборудования, что расширяет функциональные возможности установок и обеспечивает скорости кристаллизации 6-10 мм/мин в отливках с приведенным размером от 0,5 до 4 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Goldshmidt D., Paul U., Sahm P. R. Porosity Clusters and Recrystallization in Single-crystal Components //Superalloy: A Publ. of the Minerals, Met. & Mat. Soc., 1992, p. 155-164.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981, 417 с.

3. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М.: Госэнергоиздат, 1956, 392 с.

4. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. - Л.: Госэнер-гоиздат, 1959, 415 с.