Получение отливок методом направленной кристаллизации

 

Тема: Получение отливок методом направленной кристаллизации.

 

План

1. Метод направленной кристаллизации;
2. Универсальная вакуумная плавильная установка «ВИП НК ПМ»;
3. Вывод;
4. Список использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод направленной кристаллизации при отливке деталей из металлических сплавов заключается в зональном охлаждении и нагреве изделия с тем, чтобы кристаллизация (образование твердой структуры из жидкого расплава) шла требуемым образом. При этом образуются макрозерна, вытянутые вдоль вектора действия главных напряжений в отливке. Такая структура изделия позволяет уменьшить дефекты кристаллической структуры объекта и получить большую прочность и термостойкость.

Для получения данного  эффекта производится ускоренное охлаждение одного конца отливки с поддержанием температуры выше точки кристаллизации на другом. При этом в охлаждаемой  части кристаллизация идет ускоренно, а в нагреваемом - замедленно, что  и обеспечивает рост кристаллических  зерен в нужном направлении. Чаще всего методом литья с направленной кристаллизацией получают фасонные отливки. Классический пример - рабочие  лопатки газовых турбин.

 Нагреватель и охладитель являются основными частями оборудования для выплавления подобных изделий. При этом нагреватель окружает изложницу, а необходимое охлаждение обеспечивается расположением охладителя возле нижней части формы. Изложница выдвигается из нагревателя с определенной скоростью, что и обеспечивает рост кристаллов по заданному вектору.

  С помощью направленной кристаллизации можно получить отливки:

- из жаропрочных сплавов (структура образуется дендритными столбчатыми зернами);

- монокристаллические;

- эвтектические комозитные (форму кристаллического строения задают нити или пластины упрочняющей фазы, растворенные в базовой).

 При правильном соотношении роста различных зерен (равная скорость) образуется структура в виде параллельно расположенных нитей или пластин. Именно такая структура является оптимальным результатом литья методом направленной кристаллизации.

 Сущность метода направленной  кристаллизации состоит в том,  что рост кристаллов начинается  одновременно из большого количества  центров кристаллизации, равномерно  распределенных в стекле, которому  уже придана форма изделия.  Для создания центров кристаллизации  в шихту стекла вводят катализаторы  кристаллизации.

Другое ограничение метода направленной кристаллизации состоит  в том, что необходимо использовать материал высокой степени чистоты. Если пользоваться недостаточно чистыми  исходными материалами, то плоский  фронт кристаллизации нарушается, в  результате чего образуется ячеистая структура.

Горизонтальный вариант  метода направленной кристаллизации, проводимый в герметичном реакторе, получил наибольшее распространение  в технологии арсенида галлия. Он универсален  и может использоваться как для  синтеза поликристаллического соединения, так и для синтеза, совмещенного с выращиванием монокристалла. Достоинством рассматриваемого метода получения  монокристаллов разлагающихся полупроводниковых  соединений является возможность регулирования  состава кристаллизуемого расплава путем создания над ним требуемого давления пара летучего компонента. Это  позволяет выращивать монокристаллы  стехиометрического состава или, наоборот, с заданным отклонением от него.

При использовании метода направленной кристаллизации можно  повысить магнитные свойства сплава, но при этом усложняется технологический  процесс получения сплава, увеличивается  его стоимость и магниты могут  быть получены лишь простой формы.

Оптимальным вариантом однократных  методов направленной кристаллизации является однопроходная зонная перекристаллизация при небольшом отношении L / / 2 - M с  нормальной направленной кристаллизацией  в последней зоне.

МК-отливки ( лопатки) получают методом направленной кристаллизации по двум основным вариантам: методом селекторов ( кристалловодов) при котором из множества растущих столбчатых кристаллов выбирается для дальнейшего роста только один, и методом затравок, когда искусственная затравка с нужной кристаллической ориентацией устанавливается в нижней части литейной формы. Каждый из этих методов имеет много технологических вариантов, но в основе каждого из них лежит принцип метода Бриджмена - охлаждение нижней части формы и подогрев ее выше линии фронта кристаллизации металла. При этом установки для получения НК - и МК-сплавов принципиально не отличаются.

 

Столбчатое зерно эвтектики, полученной методом направленной кристаллизации, состоит из взаимопроникающих монокристаллов эвтектических фаз, обычно имеющих  специфические направления роста  и кристаллографические соотношения  между фазами. Так как микроструктура большинства эвтектических композиций является скоплением этих столбчатых зерен, беспорядочно ориентированных вокруг направления роста, материал может рассматриваться как негомогенный, но упругоизотрошшй в поперечной плоскости. По Велсу [70] упругие константы, характеризующие эвтектику, выбираются такими же, как для обычных жаропрочных сплавов, полученных методом направленной кристаллизации.

1 - полости 2-х лопаток  турбины;

2 - стартовая полость;

3 - затравочная полость;

4 - горизонтальные и вертикальные  литниковые каналы;

5 - литейная чаша;

6 - монокристаллическая затравка.

Изобретение относится к  литейному производству и может  быть использовано для получения  лопаток авиационных газотурбинных  малоразмерных двигателей и двигателей наземных установок. Устройство содержит керамическую форму, включающую стартовую  полость, полости лопаток и затравочную  полость, соединенную со стартовой  полостью. Система вертикальных и  горизонтальных литниковых каналов, с соотношением площадей их поперечного сечения 1:(1-2), обеспечивает плавный подвод расплава в каждую лопаточную полость. Достигается повышение качества отливок и выход годного по структуре, а также повышение производительности процесса.

Универсальная вакуумная  плавильная установка «ВИП НК ПМ» предназначена для изготовления отливок с направленной и монокристаллической структурой из жаропрочных и других сплавов.

 

 К преимуществам новой установки «ВИП НК ПМ» можно отнести:

- увеличение методов управления  структурой отливок (для получения  необходимого температурного градиента  можно использовать жидкометаллический  кристаллизатор или композиционные  экраны):

- высокий уровень управляемости  и повторяемости параметров технологического  процесса;

- исключение влияния субъективных  факторов на процесс кристаллизации  посредством закрепления отлаженного  нормативного технологического  процесса в управляющей программе  и возможности блокировки несанкционированного  изменения программы; 

- повышение комфортности  условий работы оператора за  счет интегрирования на рабочем  месте органов управления;

- улучшение ремонтопригодности  за счет автоматического диагностирования  и тестирования оборудования  средствами контроллера и компьютера.

  В состав установки «ВИП НК ПМ» входят следующие основные узлы:

- плавильная камера;

- шлюзовая камера;

- загрузочное устройство;

- механизмы вертикального  и горизонтального перемещения  керамических форм;

- откатной блок;

- печь подогрева форм;

- жидкометаллический кристаллизатор;

- кристаллизационные экраны;

- вакуумная система; 

- система управления;

- система водяного охлаждения.

 

Конструкция установки и  её механизмы обеспечивает простоту обслуживания и свободный доступ к основным узловым элементам, таким  как ППФ, индуктор и т.д.

 

В крышке и корпусе рабочей  камеры предусмотрены технологические  окна для визуального наблюдения за плавкой-заливкой металла и перемещением форм в процессе кристаллизации.

В нижней части плавильной камеры установлены две видеокамеры  для визуального наблюдения за положением экранов (плотность их прилегания к  формам) при загрузке форм в ППФ  и процессе кристаллизации. Изображение  с видеокамер выводится на монитор  центрального пульта управления.

Механизм вертикального  перемещения осуществляет подачу блока  форм из зоны нагрева в зону кристаллизации по управляющей программе с программируемой  скоростью и включает шариковую  винтовую пару, редуктор, двигатель, сервопривод  компании Mistubishi Electric и фотодатчик обратной связи по положению. Диапазон регулирования скорости составляет до 250 мм/мин, минимальный шаг изменения скорости перемещения форм - 0,1 мм/мин.

Механизм горизонтального  перемещения форм выполнен в виде телескопической системы с цилиндрической формой каретки.

Особенностью установки  «ВИП НК ПМ» является возможность  реализации процесса кристаллизации отливок  по двум схемам:

- с жидкометаллическим  охладителем; 

- при помощи кристаллизационных  экранов, без жидкометаллического  охладителя.

Схема получения отливок  с монокристаллической структурой с жидкометаллическим кристаллизатором приведена на рисунке. В этом случае два боковых нагревателя образуют верхнюю зону нагрева и один нагреватель нижнюю. В печи установлено шесть термопар типа ВР: по три с каждой стороны в один ряд по высоте.

 

Схема получения отливок  с монокристаллической структурой с жидкометаллическим кристаллизатором

Схема кристаллизации отливок  с помощью кристаллизационных экранов  обеспечивает получение отливок  с направленной структурой за счет плотного прилегания подвижных графитовых экранов с гибким материалом на рабочем торце по поперечному сечению форм.

 

Теплозащитный экран обеспечивает перекрытие теплового потока ППФ  при перемещении форм в нижнее пространство плавильной камеры. Перемещение  каждого экрана в горизонтальной плоскости по оси X составляет не менее 50 мм. Перемещение экранов осуществляется как по программе путем кратковременного возвратно-поступательного движения, так и в ручном режиме.

Экраны плотно прилегают  к форме в течение всего  цикла кристаллизации и повторяют  наружный контур форм. Электромеханические  элементы привода экранов надёжно  защищены от теплового воздействия  со стороны ППФ. В конструкции  механизма привода экранов предусмотрен блок конечных выключателей для безопасности работы.

Схема кристаллизации отливок  с помощью кристаллизационных экранов

 

Качество образующейся при  кристаллизации литой структуры  во многом определяется скоростью кристаллизации и температурным градиентом в  зоне кристаллизации. Скорость кристаллизации в свою очередь определяется температурным  градиентом: при большом градиенте  значительное количество тепла должно быть отведено через фронт кристаллизации и, следовательно, скорость кристаллизации должна быть малой; при малом температурном  градиенте скорость кристаллизации скорость должна быть больше.

Вакуумная система обеспечивает на холодной, сухой, пустой печи давление равное 2х10-4 мм рт.ст., остаточное давление на снаряжённой печи в рабочем цикле от 1х10-3 мм рт.ст. до 2х10-4 мм рт.ст. Натекание в общим объёме печи составляет не более 5-7 л мкм рт.ст./с.

Вакуумная система установки  состоит из двух линий: форвакуумной и бустерной откачки. В состав бустерной линии входят насос 2НВБМ-250 и механический насос КТ-300 компании KINNEY.

Форвакуумный режим реализован на базе насоса Рутса «КМВД-720» и механического насоса 2НВЗ-80Т.

На установке организовано двухконтурное охлаждение с разделением  первичного контура на охлаждение корпуса  печи, индуктора. Охлаждающая жидкость первичного контура – вода плюс антикоррозионные и смягчающие воду добавки.

Система управления (СУ) установки  «ВИП НК ПМ» построена на базе промышленного  компьютера (верхний уровень) и программируемого логического контроллера (ПЛК) Direct Logic (нижний уровень).

Нижний уровень СУ «ВИП НК ПМ», построенный на базе двух каркасов D2-09B, обеспечивает проведение в автоматическом режиме следующих операций:

- перемещение теплоизолирующих  экранов; 

- нагрев форм в ППФ  с заданной скоростью и в  заданном интервале температур;

- кристаллизация отливок  (перемещение форм из ППФ).

Выход на рабочую температуру  является регулируемым. Нагрев до рабочей  температуры реализован программно, а поддержание температуры на участке «полочка» осуществляется ПИД-регулятором.

Для реализации технологической  задачи (управление нагревом ППФ) и  геометрической задачи (движение кристаллизации) используются следующие модули ПЛК:

- «H2-CTRIO» (обработка информации  от фотодатчика);

- «F2-02DА-2» (аналоговые  сигналы для управления электрическим  приводом механизма перемещения);

- «F2-08DА-2» (вывод аналоговых  сигналов для фазового управления  нагревом в зонах ППФ);

- D2-32ND3 (входные дискретные  сигналы);

- D2-12TR (управление электрической  автоматикой).

 

Структурная схема системы  управления установки «ВИП НК ПМ»

Конструктивно СУ включает:

-шкаф управления с  промышленным контроллером;

-один центральный пульт  управления с индустриальным  компьютером с 15 дюймовым монитором; 

- пульты дистанционного  управления.

Контрольно-измерительная  аппаратура обеспечивает контроль температур в ППФ, температуры ванны кристаллизатора, температуру расплава, величину разряжения в плавильной камере, электрических  параметров, движения форм при кристаллизации.

СУ обеспечивает работу в  следующих режимах:

-наладочном, обеспечивающим  управление механизмами установки  от переключателей пульта оператора ;