Схемы процесса направленной кристаллизации

Направленная кристаллизация за счет снижения мощности нагре­вателя. Литейная форма 1, рассчитанная на получение сразу нескольких отливок, ус­танавливается (рис.1.2) в наг­ревателе 2 на водоохлаждаемой плите холодильника 3 и закреп­ляется на нем с помощью специ­ального приспособления 4.

Так как форма для увеличения теп­лоотвода от металла изготавли­вается с открытым дном, то держатели обеспечивают плотный контакт с холодильником, препятствуя вытеканию расплава по разъему. После вакуумиро­вания рабочего объема установки включается нагреватель, имеющий две отдельно управляемые секции, и литейная форма разогревается до температуры на 100 - 150оС выше ликвидуса сплава. В это время в порционной печи готовится расплав.

Рис.1.2. Направленная кристаллизация за счет снижения мощности нагревателя

Режим заливки подбирается таким образом, чтобы расплав в момент заполнения формы имел близ­кую с ней температуру. Сразу после заливки нижняя секция нагрева­теля выключается, а на верхней начинается плавное снижение мощ­ности. Температура формы при нагреве и в процессе направленной кристаллизации контролируется с помощью термопар 5, установленных на разных уровнях формы.

Направленная кристаллизация путем вытягивания формы из наг­ревателя. Данный метод является в настоящее время основным для получения отливок с направленной и монокристаллитной структурами. На рис.1.3 представлена схема ус­тановки для осуществления нап­равленной кристаллизации этим методом. Литейная форма 1 поме­щается в нагреватель установки на медном водоохлаждаемом крис­таллизаторе 3 и закрепляется на нем специальным креплением 4. Необходимо отметить, что в данном случае можно успешно реализовать обе основные разновидности метода: с непосредственным контактом расплава с поверхностью кристаллизатора и кристаллизацией через форму.

Литейная форма разогревается в вакууме глубиной 0.133 Па до температуры на 100 - 150оС выше ликвидуса сплава, после чего из порционной печи происходит заливка сплава. Вначале кристаллизация происходит или на холодильнике или на нижней поверхности формы, а в дальнейшем осуществляется радиационный теплоотвод от стенок формы, которая с помощью механизма 6 постепенно вытягивается из нагревателя вместе с холодильником.

Рис. 1.3. Направленная кристаллизация путем вытягивания формы из расплава

Для разделения зоны нагрева и охлаждения служит тепловой экран 5, расположенный у нижнего среза нагревателя. При направленной кристаллизации стро­гое разделение зон нагрева и охлаждения имеет важное значение. В реальных условиях это­го добиться весьма трудно, так как тепловое излучение от нагрева­теля всегда попадает на кристаллизующуюся часть слитка, что вызы­вает понижение аксиального градиента температур. Для разделения зон нагрева и охлаждения применяют различного рода тепловые экра­ны, устанавливаемые на нижнем срезе нагревателя. В некоторых слу­чаях экран-диафрагма представляет собой молибденовую пластину толщиной 20-30 мм. Широкое распространение получили пустотелые коробчатые экраны из графита, заполненные графитовым войлоком, а также водоохлаждаемые экраны в виде кольца. Однако при кристалли­зации отливок сложной формы, например лопаток турбины ГТД, труд­но добиться эффективного разделения зон нагрева и охлаждения, так как сечение и конфигурация экрана остаются постоянным, а сечение и конфигурация отливок изменяются по высоте.

Направленная кристаллизация с охлаждением в расплавленном теплоносителе (высокоскоростная направленная кристаллизация). Теплоотдачу с поверхности можно интенсифицировать, погружая форму в расплав теплоносителя, в качестве которого обычно исполь­зуются металлические расплавы, позволяющие получать значения ко­эффициента теплоотдачи a до 100000 Вт/(м² К) вместо 100 Вт/(м² К) при теплоотдаче излучением. Схема установки для направленной кристаллизации с охлаждени­ем в расплавленном теплоносителе представлена на рис.1.4. В нагре­вателе 1 на подвижной подставке 4 установлена литейная форма 3. После нагрева формы до требуемой температуры и заливки металла процесс направленной кристал­лизации осуществляется погру­жением формы в расплавленный теплоноситель 2. Для исключе­ния перегрева жидкометалличес­кого теплоносителя в верхней части ванны установлен кольце­вой водоохлаждаемый холодиль­ник 5, а в основании ванны - нагреватель для предваритель­ного расплавления теплоносите­ля.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают олово и алю­миний. Олово обеспечивает получение более высоких температурных градиентов, вследствие низкой температуры плавления, однако это достаточно дорогой металл. Алюминий более дешевый, безвредный для сплавов типа ЖС металл, однако он обладает высокой активностью и для него трудно подобрать материал для ванны, а также ввиду более высокой температуры плавления он позволяет получить меньшие тем­пературные градиенты, а, следовательно, и скорости кристаллиза­ции.

Рис.1.4. Схема установки для направленной кристаллизации с охлаждением в расплаве теплоносителя

Применяемые в качестве жидкометаллического теплоноси­теля расплавы металлов должны иметь:

-низкую температуру плавления;

- низкое давление паров в вакууме при температуре контакта с формой и высокую температуру кипения;

- высокую теплопроводность и теплоемкость;

- инертность к материалу ванны, формы и жаропрочному сплаву при случайном попадании его в ванную с теплоносителем.

Известны также конструкции установок, где охлаждение формы происходит в псевдокипящем слое порошковой керамики, например двуокиси алюминия, создаваемого потоком инертного газа аргона.

Направленная кристаллизация с охлаждением сверху. Основной недостаток, присущий методунаправленной кристаллизации при не­посредственном контакте расплава с кристаллизатором, вероятность ухода металла по разъему формы можно устранить при ис­пользовании затвер­девания сверху. На рис.1.5. показана схема такой установ­ки.

Оболочковая фор­ма 3, находящаяся в печи 4, прокаливает­ся до температуры выше ликвидуса спла­ва и заливается сплавом.Кристал­лизатор 2 подво­дится к верхней час­ти формы, которая начинает вытягиваться вверх. Питание отливки происходит от стояка, который кристал­лизуется позднее благодаря наличию специального устройства для подогрева1.

Рис.1.5. Схема установки для получения отливок с кристаллизацией сверху

Направленная кристаллизация при вытягивании формы из распла­ва. На рис.1.6 изображена схема установки для направленной крис­таллизации путем погружения формы 2 в расплав 1. Заполнение формы при та­ком способе литья проис­ходит через специальный питатель, находящийся в нижней части. В момент касания жидкого металла с кристаллизатором 3, под­водимым к верхней части формы, начинается ее вы­тягивание вверх из тигля 4 с расплавом жаропрочно­го сплава с помощью специального устройства 5.

Основным недостатком является загрязнение жаропрочного сплава, находящегося в тигле, примесями при его взаимодействии с поверх­ностью формы.