Основные способы получения монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов

Впервые столбчатую структуру в отливках из никелевых жаропрочных сплавов получили Ференайдер и Гуард методом направленной кристаллизации. Однако даже идеальная ориентировка продольных границ зерен не убирала поперечные компоненты в местах стыковки ветвей дендритов. Следующим шагом совершенствования структуры лопаток было получение их методом направленной кристаллизации в виде монокристаллов, у которых отсутствовали границы зерен и отпала необходимость их упрочнения.

Для получения моноотливок (монокристаллов) из расплавов используются следующие основные методы, названные по фамилиям их создателей.

Метод Бриджмена — Стокбаргера — нормальная направленная кристаллизация. Он заключается в том, что металл или сплав требуемого состава, расплавленный в контейнере — тигле, чаше всего цилиндрической формы с коническим дном, медленно перемещается из зоны расплавления. При этом на дне контейнера, охлаждающемся первым, возникают немногочисленные центры кристаллизации, которые по мере опускания тигля растут за счет поглощения расплава. Между ними идет геометрический отбор из-за скорости роста кристаллов, различающихся по ориентировке. В результате может остаться всего один кристалл, который, разрастаясь, займет весь объем цилиндрической части контейнера. В таком случае процесс считается успешным, так как получен монокристал сплава. Но часто не все зерна выклиниваются в процессе роста, и получается направленно закристаллизованный слиток с небольшим числом столбчатых зерен. Иногда их после соответствующей разрезки можно также использовать как монокристаллы. Применяя тигель с более сложным строением донной части, например, используя пережимы, можно увеличить вероятность получения монокристаллов.

Данный метод универсален и позволяет выращивать монокристаллы большинства ЖНС. К сожалению, выращенные монокристаллы могут иметь такие же несовершенства структуры, какие есть в слитках (ликвация, пористость, разориентировка кристаллической решетки).

Одна из разновидностей метода Бриджмена — метод Чалмерса, отличающийся горизонтальным расположением тигля, который чаще всего имеет вид открытой лодочки. Металл кристаллизуется по мерс удаления лодочки из нагретой зоны печи. Этот способ удобен для получения кристаллов заданной ориентации, так как расположив кристаллическую затравку на одном конце лодочки, можно повернуть ее на заданный угол относительно продольного направления тигля. Используя тигли сложной формы, монокристаллы выращивают в виде готовых образцов для механических испытаний.

Метод Чохральского заключается в том, что к контейнеру, содержащему жидкий металл с постоянной температурой, подводится охлаждаемая затравка, которая затем медленно поднимается. Вследствие силы поверхностного натяжения она захватывает часть жидкого металла, который потом затвердевает. Таким образом, длина стержня растет, а кристаллизующийся на нем металл постепенно удаляется из расплава. Этот метод требует более строгого соблюдения температурного режима ванны, поскольку диаметр и совершенство растущего монокристалла сложным образом зависят от скорости теплоотвода, определяемой температурой расплава, длиной кристалла, скоростью его превращения и ряда других факторов, но обычно совершенство полученных монокристаллов бывает выше, чем у кристаллов, выращенных по методу Бриджмена.

Из перечисленных выше методов для получения монокристаллического литья турбинных лопаток ЖНС применим только метод Бриджмена — Стокбаргера.

Промышленное производство турбинных лопаток ГТД за рубежом базируется на методе Бриджмена, в котором процесс направленной кристаллизации происходит при перемещении керамической формы с расплавом жаропрочного сплава на водоохлаждаемом кристаллизаторе из зоны нагрева в зону охлаждения.

Зарубежная технология монокристаллического литья основана на методе отбора одного кристалла из множества столбчатых зерен, имеющих аксиальную текстуру [001], сформированную за счет их конкурентного роста. Таким методом можно получать отливки только с ориентацией [001]. Получение других ориентаций или получение отливок с заданной азимутальной ориентаций практически невозможно [17]. Вследствие того что данный метод предполагает отвод теплоты кристаллизации только за счет радиационного охлаждения, он обеспечивает невысокие температурные градиенты на фронте кристаллизации (G = 10…20 °С/см), малые скорости кристаллизации и охлаждения. Это приводит к формированию структуры жаропрочных сплавов с крупными дендритными и фазовыми составляющими, со значительной дендритной ликвацией и пористостью. В этой связи за рубежом проблему уменьшения пористости пытаются решать путем использования дорогостоящей технологии газостатического прессования [17]. Направленная кристаллизация в условиях невысокого температурного градиента может привести также к образованию на поверхности отлива дефектов в виде полос струйной ликвации, содержащих крупные выделения эвтектической (у+у')-фазы и карбидов. В отечественной промышленности примером такой установки является проходная печь ПМП-2.

Параметры роста в печах с радиационным охлаждением: осевой температурный градиент G. = 3…4 °С/мм, скорость роста R = 3…3,5 мм/мин, скорость охлаждения GR = 9… 14 °С/мин.

Необходимость в более эффективном отводе тепла привела к созданию процесса направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем — метод LMC [19]. В процессе LMC керамическую форму с расплавом жаропрочного сплава перемещают из зоны нагрева и одновременно погружают в ванну с жидким охлаждающим металлом. Использование конвективного охлаждения существенно повышает скорость теплоотвода: отливка охлаждается в 3—4 раза эффективнее, чем при охлаждении излучением.

Метод LMC получил развитие в ВИАМ, где разработана технология высокоскоростной направленной кристаллизации лопаток ГТД в установках УВНК-8П с температурным градиентом и жидкометаллическим охладителем — расплавом алюминия. Эта технология широко используется в России при производстве рабочих лопаток 1-й ступени авиационных ГТД (длиной до 100 мм). Установки такого типа (УВНК-8П, УВНК-9) являются основными в отечественном производстве турбинных лопаток с однонаправленной и монокристалл ической структурой. Отливка лопаток в таких установках обычно проводится блоками по 12 штук, производительность около 100… 150 отливок в сутки. Параметры роста: G" = 6…8 °С/мм, R = 5… 10 мм/мин, С. R = 30…80 °С/мин.

Дальнейшим развитием таких высокоградиентных установок являются печи типа УВНС, работа которых также основана на методе LMC с применением охлаждения формы в олове, когда достигаются величины G = 18…20 °С/мм и R = 20 мм/мин.

В основу отечественной технологии монокристаллического литья был положен затравочный метод с использованием затравок с температурой плавления на 150— 170 °C выше температуры плавления жаропрочного сплава. В частности, в серийной технологии используются затравки из сплава системы Ni — W или Ni — W — С, получаемые методом ориентированной вырезки из заготовок произвольной ориентации. Использование затравок дает возможность получить отливки с любой заданной ориентацией как в аксиальном, так и в азимутальном направлениях.

Оптимальные условия для получения монокристаллической отливки создаются в том случае, когда в установке обеспечиваются:

• • плоский фронт роста в макроскопическом масштабе;
• • стабильное положение фронта кристаллизации относительно нагревателя в течение всего процесса формирования отливки

[17].

Практически все монокристаллы жаропрочных сплавов имеют дендритно-ячеистую структуру. Собственно монокристалл жаропрочного сплава с дендритно-ячеистой структурой формируется ветвями различных порядков (обычно 1—3-й) одного дендрита, зародившегося от одного центра кристаллизации или затравки.

Ветви дендритов всегда растут вдоль кристаллографических направлений [001], при этом наиболее развитые оси 1-го порядка формируются вдоль того из направлений [001], которое образует минимальный угол с вектором температурного градиента на фронте роста. Вдоль прочих направлений [001] растут менее развитые дендритные ветви — 2-го и 3-го порядков. Поскольку этот угол при строго аксиальном теплоотводе зависит от ориентации растущего кристалла, то появляется зависимость морфологии дендритных ветвей и соответственно ростовой структуры монокристаллов от кристаллографической ориентации относительно направления роста.

Дендритная структура монокристаллов с осью роста [001], выделяемая на продольном шлифе, состоит из дендритных ветвей 1 -го порядка, которые соответствуют кристаллографическому направлению [001] и ориентированы вдоль теплового потока. Эти ветви развиты практически на всю длину слитка. Ветви 2-го порядка расположены поперек теплового потока и поэтому развиты слабо: они выстраиваются рядами вдоль плоскостей (010) и (100).

Впервые монокристаллические лопатки были поставлены в двигатель самолета «Боинг-767» американской фирмой Pratt and Whitney в 1982 году. Объем производства монокристаллических лопаток увеличивается с каждым годом. Миллионы монокристаллических отливок, преимущественно лопаток, производятся американской фирмой Howmet для выполнения военных и гражданских проектов [19].

В отечественном газотурбостроении переход на ЖНС с направленной и монокристаллической структурой для отливки турбинных лопаток ГТД обеспечил рост КПД и значительное уменьшение расхода топлива современных авиационных двигателей (рис. 2.4) [20, 21].

Рис. 2.4. Динамика роста длительной прочности ЖНС (1), КПД (2) и уменьшения расхода топлива (3) газотурбинных двигателей разработки ОАО «Авиадвигатель».