Патент на изобретение №2255130

(54) СПЛАВ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАТРАВОК

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических отливок с заданной кристаллографической ориентировкой из жаропрочных сплавов, в частности монокристаллических лопаток газовых двигателей. Предложен сплав для монокристаллических затравок, содержащий тугоплавкий элемент, при этом в качестве основы сплав содержит палладий, а в качестве тугоплавкого элемента – молибден, при следующем соотношении компонентов, мас.%: молибден – 21-45, палладий – основа. Технический результат – повышение стабильности технологического процесса, повышение выхода годного по структуре литья за счет предотвращения образования посторонних кристаллов и надежной передачи кристаллографической ориентировки от затравки к отливке.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических отливок с заданной кристаллографической ориентацией из жаропрочных сплавов, в частности монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей.

Известны затравочные методы получения монокристальных отливок с заданной кристаллографической ориентацией в вакууме из никелевых жаропрочных сплавов с использованием затравки из чистого никеля или из того же жаропрочного никелевого сплава, что и сплав отливки (патенты США №3939895; №3915761; №4580163; №4469160, ЕР №0126550).

Для передачи монокристальной структуры заданной ориентации к отливке верх затравки подплавляют и передача ориентации происходит через твердожидкую зону. Недостатки состоят в том, что для сохранения основания затравки в твердом состоянии требуется специальное охлаждение ее нижнего торца (во избежание ее полного расплавления), например, с помощью установки специального холодильника или расположения нижней части формы с затравкой вне горячей зоны печи, а также в том, что система закрепления затравки в форме является сложной, что создает трудности при использовании указанных аналогов. Все это крайне затрудняет надежную работу установок направленной кристаллизации и снижает выход годного литья.

Вышеуказанные недостатки устраняются при использовании затравок из сплавов с температурой плавления выше, чем сплав отливки.

Известно применение сплава для затравки с температурой плавления на 20-170°С выше температуры сплава отливки, в частности сплав Ni-W (Авт. свид. №839153).

Однако превышение температуры плавления затравки над сплавом отливки на 20-170°С недостаточно для стабильного проведения процесса получения монокристальной отливки. Это связано с тем, что температура нагревателей при проведении процесса литья достигает 1600-1650°С, в результате чего затравка часто плавится и получить монокристальную отливку не удается. Чтобы предотвратить расплавление затравки, приходится точно выбирать ее положение относительно нагревателей установки направленной кристаллизации.

Известно использование в качестве материала затравки сплава системы никель – вольфрам – рений – углерод, на котором достигается повышение температуры плавления затравки над сплавом отливки до 250-270°С. Однако этот сплав содержит большое количество рения, образующего перитектическую реакцию с никелем и двойные фазы с вольфрамом, что сильно усложняет получение из него монокристаллических заготовок затравок.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и принятому за прототип является сплав для получения монокристаллических затравок, содержащий один тугоплавкий элемент из группы, включающей рений и родий в количестве 25-50 мас.%, иттрий – 0,001-0,1, никель – остальное (патент РФ №2158781).

Однако использование таких затравок практически затруднено, во-первых, из-за крайне высокой стоимости родия (в 5 раз выше стоимости золота), во-вторых, на диаграмме состояний между никелем и рением, как уже говорилось, существует перитектическая реакция, из-за чего возникают трудности получения монокристаллов, легированных большим количеством рения.

Технической задачей данного изобретения является разработка нового сплава для монокристаллических затравок, обеспечивающего повышение стабильности технологического процесса, повышение выхода годного по структуре литья за счет предотвращения образования посторонних кристаллов и надежной передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке.

Поставленная задача достигается тем, что предложен сплав для монокристаллических затравок, содержащий тугоплавкий элемент, отличающийся тем, что в качестве основы он содержит палладий, а в качестве тугоплавкого элемента – молибден, при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

Мо 21-45%

Pd основа

При использовании предлагаемого сплава температура плавления затравки достигает 1750-1800°С.

Такая высокая температура плавления затравки позволяет проводить процесс монокристального литья при всех температурных режимах работы на всех установок направленной кристаллизации. Палладиевый сплав для затравок имеет ГЦК структуру и образует непрерывный ряд твердых растворов с никелем или его сплавами, не образуя двойных соединений и перитектических реакций. В результате этого кристаллографическая ориентация затравки надежно передается к отливке. При этом форма в процессе литья может располагаться на практически любом уровне нагревателя печи направленной кристаллизации, а температура на нагревателе может быть максимальной (1620-1650°С).

Затравка из сплава на основе палладия имеет относительно невысокую стоимость, поскольку палладий является самым дешевым металлом из платиновой группы, практически половину состава сплава затравки составляет молибден, что еще больше удешевляет затравку.

Поскольку затравка в процессе плавки не плавится, то размер ее может быть очень малым, например высота 1.5-2.0, диаметр 2.0-2.5 мм, что, естественно, также удешевляет ее использование.

Пример осуществления.

В качестве примера использования были выбраны три состава. Заготовки затравок выплавляли из сплавов:

палладий – основа – молибден 45 мас.%,

палладий – основа – молибден 21 мас.%,

палладий – основа – молибден 30 мас.%.

Эти сплавы был выплавлены и переплавлены на монокристальные заготовки диаметром 2.0 мм и длиной 150 мм на специальной высокотемпературной вакуумной установке направленной кристаллизации, обеспечивающей рабочую температуру 1800-1900°С.

Из цилиндрических заготовок методом ориентированной вырезки были изготовлены затравки высотой 2.0-2.5 мм, ориентация – [001]. Вырезанные затравки протравливали для удаления наклепанного слоя и устанавливали в стандартные литейные блоки для печи УВНК-8П, предназначенные для отливки цилиндрических заготовок.

Изобретение проверяли при отливке монокристальных заготовок (цилиндры диаметром 16 мм, длиной 180 мм) из сплава ЖС36 двух кристаллографических ориентаций – [001] и [111].

Режим плавки печи УВНК-8П:

Температура нагревателя 1600-1620°С

Температура заливки металла 1570-1580°С

Скорость вытягивания

(погружения в расплав алюминия) 5 мм/мин

Полученные заготовки были протравлены для выявления макроструктуры. Полученные отливки травили в смеси плавиковой и азотной кислот для выявления макроструктуры, кристаллографическую ориентацию определяли рентгеноструктурным методом на приборе ДРОН-3.

Исследование макроструктуры показало, что все полученные отливки имеют монокристальную структуру с ориентацией [001], с точностью 3°, с разориентацией 1.5°, выход годного литья составляет 85-90%.

Аналогичные результаты были получены при отливке образцов с ориентацией [111] (ориентировка [111] считается самой трудной при получении монокристаллов жаропрочных сплавов). Все вышеуказанные величины соответствуют качественным монокристаллам с дендритно-ячеистой структурой, к которым и относятся монокристаллы жаропрочных сплавов.

Таким образом, проверка затравок из сплавов на основе палладия показала их работоспособность и эффективность при получении монокристаллов никелевых сплавов с заданной кристаллографической ориентацией при значительном удешевлении по сравнению с прототипом.

Применение предлагаемого сплава для монокристаллических затравок с повышенной температурой плавления позволит повысить рабочие температуры при отливке лопаток ГТД и ГТУ нового поколения.

Формула изобретения

Сплав для монокристаллических затравок, содержащий тугоплавкий элемент, отличающийся тем, что в качестве основы сплав содержит палладий, а в качестве тугоплавкого элемента – молибден, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Молибден 21-45

Палладий Основа