Монокристалічна кристалізація

В монокристалічних відливках границі зерен, тобто можливі місця зародження тріщини і руйнування, взагалі відсутні. Це дозволяє в жароміцних стопах за рахунок гомогенізуючої термообробки подрібнити частинки g¢-фази, поліпшити їх розподіл і тим самим підвищити експлуатаційні характеристики. Крім того, створення в ГЦК-стопах низькомодульної структури <001>, паралельній напрямку кристалізації, забезпечує їм найкращі механічні властивості та підвищує опір термічній втомі.

Для того щоб отримати монокристалічну структуру відливка необхідно, як і при спрямованій кристалізації, біля границь розділу «т-р» протягом усього процесу кристалізації зберігати позитивний температурний градієнт в рідині. Дотримання режимів подачі і регулювання енергії під час монокристалічної кристалізації, так само як і вимоги до матеріалу виливниці та вакууму, жорсткіші в порівнянні з методами отримання відливків зі стовпчастою структурою. При цьому процес затвердівання триває довше і, отже, створюється більше можливостей для взаємодії між металом і виливницею.

До оптимальних умов отримання монокристалічної структури відливка слід віднести наступні:

- плоский фронт росту кристалізації в макроскопічному масштабі;

- збереження положення фронту кристалізації відносно нагрівача незмінним за час формування монокристалічної відливки.

В промисловості використовуються два методи отримання монокристалічних лопаток для газотурбінних двигунів, що відрізняються один від одного способом зародження монокристалічної структури. Це метод селекторів (кристаловідводів) при якому з безлічі зростаючих стовпчастих кристалів обирається для подальшого росту тільки один, і метод затравок, коли монокристалічна заготовка (затравка) з потрібною кристалографічною орієнтацією встановлюється в нижній частині ливарної форми. Кожен з цих методів має багато технологічних варіантів, але в основі кожного з них лежить принцип методу Бріджмена — охолодження нижньої частини форми і підігрів її в зоні вище лінії фронту кристалізації стопу. Зауважимо, що устаткування для отримання спрямовано кристалізованих і монокристалічних стопів принципово не відрізняються.

2.6.1 Беззатравочний метод отримання моновідливок. За цим методом лише одне з багатьох зерен, які зароджуються на поверхні кристалізатора, може прорости через увесь поперечний перетин відливка. Для прискорення процесу відбору такого зерна місце початку кристалізації слід розмістити нижче за дійсний перетин лопатки. Необхідно, щоб дендритна поверхня розділу «т-р» під час зростання три або чотири рази змінила напрямок, перш ніж стикнеться з корисним перетином виливниці. В результаті цього зберігається і росте лише одне зерно, що має кристалографічний напрямок [001], вздовж якого механічні властивості найкращі.

Вирощування монокристалів на основі конкурентного зростання стовпчастих зерен складається з наступних етапів:

а) одержання спрямованої початкової структури з безліччю стовпчастих зерен довільного аксіального і азимутного кристалографічного орієнтування;

б) конкурентне зростання стовпчастих зерен і витіснення тих з них, орієнтування яких не співпадає з кристалографічним напрямком [001];

в) за допомогою спеціального кристаловідбірника з текстурованих стовпчастих зерен відбирається одне зерно, яке і формує монокристалічну лопатку з аксіальним кристалографічним орієнтуванням [001] і довільним азимутом.

З використанням кристаловідбірника «прямий кут» застосовується спеціальна система літника для отримання монокристалічної лопатки, що зображено на рис. 2.7.

1 - стартер; 2 - нахилений літник; 3, 4 - система горизонтальних літників;

5 - монокристалічна лопатка;

I - схема стовпчастої структури в стартері;

II і III - схема стовпчастої структури в перетинах II і III нахиленого літника

Рисунок 2.7 — Схема конструкції літникової системи, для отримання монокристалічної лопатки з використанням кристаловідбірника «прямий кут»

За наведеною схемою перегрітий метал заливається в оболонкову форму без дна, яка встановлена на водоохолоджуваному мідному кристалізаторі. В результаті інтенсивного охолодження розтопу при контакті з поверхнею кристалізатора в стартері 1 зароджується безліч дрібних рівноосьових зерен довільного орієнтування. Потім ці зерна ростуть в умовах спрямованого тепловідводу і набувають стовпчастої морфології. Сформована в стартері 1 дрібностовпчаста структура з аксіальним орієнтуванням [001] проростає в систему літникових ходів 2...4, де і здійснюється відбір одного зерна. Спочатку стовпчасті зерна потрапляють в літниковий хід 2, нахилений під кутом 30...40° до напрямку тепловідводу. Геометрія і розміри нахиленого літника такі, що проекція вхідного і вихідного перетинів на площину перпендикулярну напрямку тепловідводу, не перекриваються. На вході в літник 3 зерна матимуть пластинчасту морфологію (див. рис. 2.7, перетин III), тому що більшість зерен, які потрапили у вхідний перетин цього літника, закінчують свій ріст на його верхній площині. Подальше заповнення літника здійснюється за рахунок поперечного зростання крайніх зліва зерен, що проникли через вхідний перетин III (див. рис. 2.7). Причому найбільший розвиток одержують ті зерна, аксіальне орієнтування [001] яких найближче до вектора температурного градієнта, а азимутне орієнтування [100] найбільш близьке до напрямку проекції осі нахиленого літника на поперечну площину. В таких кристалах дендритні осі першого і другого порядку активніше проростають в розтоп. Подібний характер росту зберігається і в горизонтальному літнику 3, внаслідок чого на виході утворюється один кристал. Додатковий хід літника 4, перпендикулярний літнику 3, необхіден для гарантування того, що в монокристалічну лопатку 5 потрапить єдиний кристал. Звідси і назва такого кристаловідбірника - прямий кут. В результаті викладеного уся лопатка від замкової частини до пера буде мати монокристалічну структуру.

2.6.2 Метод затравки. Процес формування монокристалічної відливки за цим методом умовно ділиться на три стадії: перша – зародження монокристалічної структури; друга – підведення структури до порожнини форми, яка використовується для отримання відливка; третя – формування монокристалічного відливка.

В основу промислової технології монокристалічного литва покладений спосіб зародження монокристалічної структури на затравочному монокристалі, або затравці, що показано на рис.2.8. Ливарна форма 1 без дна встановлюється на водоохолоджувальному холодильнику 2, в якому виконано спеціальне поглиблення для затравки 3 циліндричної форми. Над затравкою діафрагма 4 сполучається з конусом 5. При заливці розтопу торець затравки підтоплюється і монокристалічна структура передається до виробу. При цьому кристали ростуть як від затравки, так і від поверхні холодильника. Один кристал, що росте від затравки, входить в діафрагму 4, а решта кристалів відсікається. Для підвищення надійності передачі структури від затравки останню виконують з керамічною оболонкою 6, а на поверхню холодильника укладають керамічну пластину 7. Цим досягається переважний контакт розтопу з торцем затравки і дещо сповільнюється зародження та ріст кристалів від поверхні холодильника.

Затравки поділяються на дві групи: ті, що працюють в режимі підтоплення і ті, що працюють в режимі розчинення.

 

1 - керамічна форма; 2 - холодильник; 3 - затравка; 4 - діафрагма; 5 - конус;

6 - керамічна оболонка; 7 - керамічна пластина

Рисунок 2.8 — Схема ливарної форми

для отримання монокристалічної лопатки від затравки

В режимі підтоплення можуть працювати затравки з того ж стопу, що і відливок, а також із сплавів системи Ni-W та чистого нікелю. При цьому верх затравки розтоплюється на глибину 5...10 мм, а низ залишається нерозтопленим.

Затравки, що працюють в режимі розчинення, мають температуру топлення вище, ніж стоп відливка. Як матеріали для таких затравок можуть використовуватися чистий нікель (t_топл = 1452°С), стопи системи Ni-W (t_топл до 1510°С), стоп Ni-Re (t_топл до 1610°С). Найчастіше використовується затравка із стопу Ni-33%W з t_топл = 1510°С і інтервалом кристалізації близьким до нуля. Структура від затравки передається за рахунок змочування і розчинення її торця розтопом основного стопу. Швидкість розчинення визначає висоту затравки. Мінімальна висота затравки може складати 0,6...1,0 мм. Зазвичай висота затравок такого типу обирається 2,0...2,5 мм для зручності роботи з ними.

Для реалізації методу затравки необхідна окрема технологія отримання досконалих за структурою затравок із строго регламентованим кристалографічним орієнтуванням. Технологія спрямованої кристалізації монокристалів з використанням затравок більш трудомістка, однак вона дозволяє одержати монокристали будь-яких заданих орієнтувань як в аксіальному, так і азимутному напрямках.

2.6.3 Жароміцні стопи для монокристалічного литва. Оскільки в монокристалічній структурі відливків відсутнє зерномежове зміцнення, то в стопах, спеціально розроблених для таких відливків, як правило, відсутні карбідоутворюючі елементи (Hf, Zr), а вуглець зведений до технологічно можливого мінімуму (0,002...0,004 %). Невеликі добавки Hf або Y можуть вводитися з метою створення захисних плівок НfО₂ і Y₂O₃ для компенсації зменшення жаростійкості з-за зниженого (до 4...6 %) хрому, як a-утворюючого легувального елементу.

Монокристалічні жароміцні стопи I покоління (ЖС30М, ЖС40, RENE-4, PWA-1480 та інші), які не містили ренію, мали близько 60 % (об.) g¢-фази і відрізнялись вищими в порівнянні зі спрямовано кристалізованими стопами значеннями температур солідусу і сольвусу для g¢-фази. До складу стопів II покоління був введений Re в кількості до 3 %, а об’ємна частка g¢-фази підвищилася до 65...74 % (ЖС36, RENE-N5, PWA-1484 та інші). В 90-х роках XX ст. за кордоном були розроблені жароміцні стопи III покоління (RENE-6, CMSX-10) з ренієм до 6 %.

Створена в Росії (ВІАМ) унікальна високоградієнтна технологія отримання монокристалічних стопів дозволила розробити стопи для двигунів літаків V покоління з ренієм до 10 % типу ЖС50 (6 % Re) і ЖС55 (9 % Re). При відповідному охолодженні лопатки з таких стопів здатні працювати при робочій температурі газів до 2200 К. В результаті суттєво (в 5 разів) зростає робочий ресурс двигуна, що виправдовує витрати на коштовний реній. Сплав ЖС55 має наступні значення довготривалої міцністі (МПа): ; ; . Це вище, ніж у кращих іноземних стопів на 30...40 МПа.

До монокристалічних стопів пред'являються високі вимоги по чистоті від шкідливих домішок. Вміст кисню і азоту повинні бути не вище за границю їх розчинності в нікелі (< 0,0001 %) щоб уникнути утворення неметалевих включень та зниження циклічних характеристик жароміцних стопів. Сірка, яка утворює сульфіди титану і танталу, повинна бути в межах (5...7)×10^-4 %.