Направленной кристаллизации

В донной работе рассмотрены упругие и пластические эффекта, сопровождающие основной структурный переход при стабилизирующей обработке с упорядочением — сдвиговой (бездиффузионной) направленной кристаллизацией аморфных магнитно-мягких металлических сплавов типа «переходный металл — металлоид» преимущественно на основе железа и никеля, подученных методом спиннингования.

Работы по получению лопаток с направленной кристаллизацией проводились в 1970 - 1985 гг. Н.Н. Сухановым, Б. П. Чирковым и др. в ВИАМе. Главное направление - это получение лопаток ГТД с монокристаллической структурой.

Литниковые системы при литье жаропрочных сплавов с направленной кристаллизацией

Следующим недостатком вышеописанной технологии явились особо вредные условия труда при выбивке литейных фэрм,. Для удаления кремнеземосодержащих пылевидных вредных веществ были предусмотрены мощные вентиляционные установки, размещенные в подвальных помещениях, которые работали неэффективно. Кроме того, по данной технологии практически невозможно регулировать-процесс кристаллизации отливки, особенно при получении лопаток ГТД с направленной кристаллизацией.

Технологическая схема плавки заготовок, проводимая на металлургических заводах, приведена на рис. 137. Она включает 19 технологических операций. В зависимости от назначения жаропрочного сплава технология его плавки на металлургическом заводе может быть одно- или двустадийной. Особо следует отмстить, что для изготовления лопатки с направленной кристаллизацией необходимо, прежде всего, весьма чистый жаропрочный сплав. Для получения весьма чистого сплава сначала необходимо получить слиток первого переплава (черновой слиток) с заданным химическим составом в открытой электропечи, а затем - черновой слиток, переплавляемый в вакуумной электропечи с разливкой на мерные заготовки (слитки).

Установлено, что использование лопаток с направленной кристаллизацией дает возможность повысить рабочую температуру ГТД на 50 - 60°С, в результате чего расход воздуха снижается на 30% с соответствующей экономией топлива, равной 1%.

Схематическое изображение макроструктуры литой лопатки с направленной кристаллизацией показано на рис. 209.

Рис. 209. Схематическое изображение макроструктуры лопатки с направленной кристаллизацией:

Переохлаждение (Д<), необходимое для начала кристаллизации, составляет: для гомогенных расплавов t - 0,2 /шь гетерогенных расплавов t - 0,1 tnsi- Схема процесса кристаллизации структуры лопатки с направленной кристаллизацией показана на рис. 205, б. Дендриты располагаются по границам кристаллитов зерен, выстроенных вдоль оси пера лопатки, а в замковой части - зерна кристаллизуются с равноосной структурой.

Внедрение на моторостроительных предприятиях производства литья лопаток с направленной кристаллизацией началось в 1970 г., для чего была введена в строй первая проходная печь ПМП-1 (ОКБ-1239). Принцип действия заключается в том, что передвижение оболочковой формы с огнеупорным накопителем производится горизонтально по тепловому потоку печи. При этом керамические формы находятся в идентичных условиях нагрева, плавления металла и заливки по потоку и направленного охлаждения. Схема получения лопаток методом направленной кристаллизации в печи ПМП-2 показана на рис. 210.

Наиболее распространенными жаропрочными сплавами для литья турбинных лопаток ГТД являются жаропрочные сплавы ЖС6У и ЖС6К (см. табл. 5). Наибольший вклад в разработку жаропрочных сплавов при освоении технологии литья лопаток с направленной кристаллизацией внесен сотрудниками ВИАМа -С. Т. Кишкиным, И.Г. Лиференко, В.А. Чумаковым, В.П. Гре-чиным, В.М. Степановым, Е.В. Качановым, Г.И. Зуевым и др.

После такой обработки магнитные свойства сплавов становятся анизотропными, их магнитные характеристики (Br, Hc, (B//)max) сильно возрастают в направлении приложенного магнитного поля (магнитная текстура). Термомагнитной обработке подвергают сплавы, содержащие свыше 18 % Со. Кристаллическая текстура образуется в случае направленной кристаллизации отливки магнита, при этом возникают столбчатые кристаллы, растущие в направлении [100]. Это сильно повышает магнитные свойства, поскольку они зависят от кристаллографической ориентации ферромагнитных фаз.

Производственно-технологические дефекты. Дефекты плавки и литья. Одним из основных дефектов плавки является несоответствие металла заданному химическому составу, которое обусловливается ошибками, допущенными при расчете шихты, неправильным ведением процесса плавки или выгоранием отдельных компонентов сплава [22]. Одним из основных дефектов стальных отливок являются усадочные раковины и рыхлоты. Они образуются вследствие недостаточного питания отливки в процессе кристаллизации и отсутствия условий для направленной кристаллизации. Некоторые сорта металлов, например, кипящую сталь, варят так, чтобы растворенные в металле газы выделялись не полностью. Это уменьшает размеры усадочной раковины, но приводит к образованию газовой пористости, рассеянной по всему объему литого металла. Если поры и газовые пузыри в слитке имеют неокисленную поверхность, то она заваривается в процессе обработки давлением. Специфическим дефектом литого металла является ликвация — неоднородность химического состава по скелету дендрита и объему зерна. Сначала кристаллизуется аустенит с малым содержанием углерода, а затем с большим; если такая ликвация недопустима, то следует замедлить процесс кристаллизации, провести гомогенизирующий отжиг. Ликвация по плотности металла проявляется в обогащении нижней части слитка или отливки компонентами с большей плотностью в результате плохого перемешивания жидкого металла. Зональная ликвация, в отличие от неоднородности химического состава металла в дендритах и междендритных промежутках, проявляется в обогащении легкоплавкими составляющими центральной части слитка.

характеристик в литых сплавах создают структурную анизотропию путем направленной кристаллизации, что тоже способствует повышению внутренних напряжений и ухудшает обрабатываемость. Для снижения хрупкости проводят легирование Ti, Si, S, С, однако это ухудшает магнитные характеристики сплавов.

ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

АВТОВОЛНОВЫЕ УПРУГИЕ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АМОРФНЫХ МАГНИТНОМЯГКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ .,.........................7i>

мальную прочность вплоть до 0,7 - 0,9 („л можно получить при направленной кристаллизации тугоплавких соединений карбидов, нитридов, боридов в жаропрочных сплавах. Путем армирования тугоплавких металлов и сплавов либо волокнами из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, оксидов) с прочностью 3000 -5000 МПа, либо нитевидными кристаллами с прочностью 10000 -20000 МПа можно добиться значительного улучшения их свойств. В настоящее время на стадии завершения находится строительство крупнейшего завода по производству композиционных материалов "Химволокно" в г. Уфе.

Рис. 205. Схема процесса направленной кристаллизации структуры лопатки:

Структура турбинных лопаток, полученная методом направленной кристаллизации. Методы регулирования теплоотвода разнообразны. Наиболее простая схема теплоотвода формы показана на рис. 80. Отвод тепла, обеспечивающий кристаллизацию, осуществляет медный поддон, охлаждаемый водой. При этом обеспечивается строгая направленность затвердевания снизу вверх отливки в нижней части формы и нагрева ее верхней части индуктором.

Для осуществления направленной кристаллизации сплава лопатки в процессе затвердевания в литейных формах необходимо создать следующие условия:

Согласно закону термодинамики процесс кристаллизации отливки с направленной кристаллизации характеризуется теплообменом между формой и отливкой и критериями:

При направленной кристаллизации отливки "инструментом регулирования" является переохлаждение Af или регулирование кинетики теплоотвода и кристаллизации.