Повышение качества литейных жаропрочных сплавов стало возможно за счет выплавки их в вакуумных индукционных печах, а в дальнейшем - благодаря переходу от печей периодического действия к печам полунепрерывного принципа действия типа УППФ (установка полунепрерывной плавки форм).
Технологи в поисках повышения и стабилизации свойств литого металла все чаще обращаются к изучению состояния расплава, которое существенно влияет на литейные свойства сплава, склонность к формированию дефектов в литом металле и свойства сплава в литой детали.
В большей мере это относится к высоколегированным сплавам, имеющим сложный состав фаз-упрочнителей, формирующих физико-механические свойства и рабочие характеристики литой детали.
К этой группе принадлежат жаропрочные сплавы на никелевой основе, содержащие значительный процент интерметаллических, карбидных, карбонитридных, боридных функциональных фаз, а также примесных фаз (оксидов).
Дальнейшей ступенью на пути совершенствования технологии литья является процесс получения отливок с однонаправленной и монокристальной структурой.
Исследования механизмов деформации жаропрочных сплавов с равноосной структурой в процессе ползучести при высоких температурах показали, что разупрочнение материала связано со стоком вакансий и дислокаций на границах зерен, ориентированных перпендикулярно к оси действующих напряжений. Исчезновение поперечных границ зерен или вообще границ зерен повышает механические характеристики материала.
Отливки с монокристальной и однонаправленной структурой получают путем перемещения формы с расплавленным металлом через поле температурного градиента от нагревателя к холодильнику (из горячей зоны в холодную), при этом обеспечивается направленный теплоотвод (рис. 3.15).
Прочностные характеристики никелевых жаропрочных сплавов зависят от ориентировки приложенного механического напряжения относительно кристаллографических осей монокристалла, поэтому отливки должны иметь монокристальную структуру с заданной кристаллографической ориентацией. Монокристальные турбинные лопатки обычно имеют кристаллографическую ориентацию [001] относительно их вертикальной оси.
В отечественной технологии нашел применение - затравочный метод получения монокристальных отливок турбинных лопаток, позволяющий получить отливки любой заданной ориентации.
В ВИАМе разработаны специальные сплавы для затравок, а также метод получения монокристальных отливок, заключающийся в использовании затравки и специального кристаллоотборника, который легко вводится в существующую технологию.
В установках осевой температурный градиент на фронте кристаллизации составляет 2-9 °С/мм, что обеспечивает формирование монокристальной или однонаправленной структуры отливки при скорости роста Р - 3,0...12 мм/мин.
Рис. 3.15. Схема получения отливки лопатки турбины
с монокристаллической структурой
1 – керамическая форма; 2 – нагревательная система; 3 – перо лопатки;
4 – замок лопатки; 5 – охлаждающая система; 6 – «затравочный» кристалл
По сравнению со сплавами с равноосной структурой, монокристальные сплавы имеют значительное преимущество по характеристикам жаропрочности (табл. 3.1 и 3.2). Это связано, главным образом, с отсутствием карбидной фазы, которая является очагом микротрещин при механических нагрузках. В прил. 2 приведена дополнительная информация по получению заготовок лопаток с направленной кристаллизацией (см.стр. 640).
Таблица 3.1
| Температурный режим,°С | Длительная прочность (за 100 ч) образцов из сплава ЖС6У σ, МПа (кгс/мм2) | |
| монокристаллические | равноосные | |
| 392...402 (40...41) 265...276 (27...28) | 343..363 (35...37) 237(24) |
Таблица 3.2
| Кристаллографическая ориентация | Длительная прочность (за 100 ч) σ, МПа (кгс/мм2) | ||
| при 900 °С | при 1000 °С | при 1100 °С | |
| [001] | 446(47,5) | 245(25,0) | 123(12,5) |
| [111] | - | 275(28,0) | - |
