RU2157296C1

RU2157296C1 - Method of manufacture of part of monocrystalline structure by oriented crystallization and device for realization of this method

Info

Publication number: RU2157296C1
Application number: RU99121140A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Спиридонов; И.Е. Цацулина
Original assignee: Спиридонов Евгений Васильевич; Цацулина Ирина Евгеньевна
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2000-10-10
Also published as: WO2001026850A1

Abstract

FIELD: manufacture of cast parts for gas-turbine engines, rotor blades for example. SUBSTANCE: method consists in placing the ceramic mold in heating chamber of vacuum furnace, pouring melt in it and transferring it to cooling chamber. Mold is cooled by two flows including mixture of inert gas and powder-like coolants. Coolant made from material undergoing one phase transition-melting is introduced into upper flow and coolant made from material undergoing two phase transitions - melting and evaporation or one phase transition - sublimation-is introduced into lower flow. Ceramic mold has through porosity in outer layers. In melting the coolant of upper flow, it penetrates into pores of mold under action of capillary forces, thus increasing heat conductivity of mold. Second flow is intended for taking heat from mold surface at high velocity. Device proposed for realization of this method includes two units for forming the cooling flows from mixture of inert gas and powder-like coolants beyond vacuum furnace. Two units are mounted in cooling chamber one after other for directing the flow to mold. EFFECT: possibility of manufacturing large-sized parts at stable and quality macro- and microstructure. 7 cl, 5 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к литейному производству, а, более точно, касается способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройства для его осуществления. The present invention relates to foundry, and, more specifically, relates to a method of manufacturing directed by crystallization parts with a single crystal structure and device for its implementation.

Данное изобретение может быть использовано, в частности, при производстве литых деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, например рабочих лопаток. This invention can be used, in particular, in the production of cast parts for gas turbine engines and gas turbine installations, such as rotor blades.

Направленной кристаллизацией изготавливаются сейчас и могут изготавливаться в будущем литые детали ответственного назначения, эксплуатирующиеся при высоких температурах, статических и переменных механических и термических напряжениях. Примерами таких деталей являются рабочие и направляющие лопатки. В зависимости от условий реализации способа литые детали могут быть сформированы в виде монокристалла или могут быть образованы из сориентированных в одном направлении столбчатых кристаллов. Направленной кристаллизацией могут быть получены при различных условиях реализации способа литые детали со столбчатой структурой, монокристаллической структурой, комбинацией этих структур. Различия в условиях реализации метода направленной кристаллизации имеют следствием и разный уровень дефектности в материале деталей: объемной микропористости величиной от ~ 1,0 до ~0,01% и наличием или отсутствием зон с дефектами кристаллической решетки в виде цепочек и соосно ориентированных зон ("веснушки"). Directional crystallization is being manufactured now and in the future can be manufactured cast parts of critical purpose, operated at high temperatures, static and variable mechanical and thermal stresses. Examples of such parts are working and guide vanes. Depending on the conditions for the implementation of the method, cast parts can be formed as a single crystal or can be formed from columnar crystals oriented in the same direction. Directed crystallization can be obtained under various conditions of the method, cast parts with a columnar structure, a single-crystal structure, a combination of these structures. Differences in the conditions for the implementation of the directed crystallization method result in different levels of defects in the material of parts: volume microporosity from ~ 1.0 to ~ 0.01% and the presence or absence of zones with defects in the crystal lattice in the form of chains and coaxially oriented zones ("freckles" ").

Качество структуры и уровень дефектности детали, полученной направленной кристаллизацией, зависит от температурного градиента на фронте кристаллизации и скорости кристаллизации. Высокие значения этих параметров, причем, в течение всего времени затвердевания детали обеспечивают высокое качество детали, то есть стабильность монокристаллической структуры во всей детали и минимальный уровень дефектности. При низких температурных градиентах и даже при высоких скоростях затвердевания получить монокристаллические и ориентированные столбчатые структуры в деталях невозможно. При высоких температурных градиентах на фронте кристаллизации и малых скоростях затвердевания детали с монокристаллическими и столбчатыми структурами имеют ту или иную степень дефектности, то есть детали имеют пониженную эксплуатационную надежность и долговечность. The quality of the structure and the level of defectiveness of the part obtained by directional crystallization depends on the temperature gradient at the crystallization front and the crystallization rate. High values of these parameters, moreover, throughout the entire solidification time of the part, ensure high quality of the part, that is, the stability of the single-crystal structure in the entire part and the minimum level of defect. At low temperature gradients and even at high solidification rates, it is impossible to obtain single-crystal and oriented columnar structures in detail. At high temperature gradients at the crystallization front and low solidification rates, parts with single-crystal and columnar structures have one degree or another of defectiveness, that is, parts have reduced operational reliability and durability.

Величины теплофизических параметров кристаллизации определяются, при прочих равных условиях, исключительно интенсивностью теплоотвода от стенок формы и, следовательно, от кристаллизующегося сплава. Чем выше эта интенсивность, тем выше значения параметров, определяющих качество детали. The values of the thermophysical parameters of crystallization are determined, ceteris paribus, exclusively by the intensity of heat removal from the walls of the mold and, therefore, from the crystallizing alloy. The higher this intensity, the higher the values of the parameters that determine the quality of the part.

Известны способ изготовления монокристаллической литой детали и устройство для его осуществления (US 3532155). Данный способ предназначен для изготовления рабочих и направляющих лопаток газовых турбин. Устройство для его осуществления имеет вакуумную печь, которая содержит две отделенные друг от друга водоохлаждаемой стенкой и расположенные друг над другом камеры, верхняя из которых является нагревательной и содержит поворотный плавильный тигель для плавки и разливки в формы сплава на основе никеля. Нижняя камера, соединенная с этой нагревательной камерой через окно в водоохлаждаемой стенке, выполнена охлаждаемой. Приводная штанга, введенная через дно камеры охлаждения и через окно в водоохлаждаемой стенке, имеет на верхней поверхности пластину охлаждения, которая выполняет функцию дна находящейся в нагревательной камере литейной формы. A known method of manufacturing a single-crystal cast part and a device for its implementation (US 3532155). This method is intended for the manufacture of working and guide vanes of gas turbines. The device for its implementation has a vacuum furnace, which contains two chambers separated from each other by a water-cooled wall and located one above the other, the upper of which is heating and contains a rotary melting crucible for melting and casting in the form of an alloy based on nickel. The lower chamber connected to this heating chamber through a window in a water-cooled wall is made cooled. The drive rod introduced through the bottom of the cooling chamber and through a window in the water-cooled wall has a cooling plate on the upper surface that acts as the bottom of the mold in the heating chamber.

Данный способ заключается в том, что сначала расплавленный в тигле сплав заливается в находящуюся в нагревательной камере нагретую литейную форму. При этом над образующей дно формы пластиной охлаждения вырастает узкая зона из сплава с ориентированными вдоль направления теплоотвода, то есть снизу вверх, кристаллами. При перемещении литейной формы вниз в камеру охлаждения фронт кристаллизации, разделяющий зону из жидкого расплава и затвердевшего сплава с ориентированными кристаллами, перемещается снизу вверх внутри литейной формы. В начале процесса кристаллизации имеет место высокая интенсивность теплоотвода, большой температурный градиент и высокая скорость затвердевания, так как залитый в форму материал сначала поступает непосредственно на пластину охлаждения, и тепло отводится от фронта кристаллизации к пластине охлаждения через сравнительно тонкий слой закристаллизовавшегося материала с коэффициентом. По мере роста расстояния между пластиной охлаждения и фронтом кристаллизации интенсивность теплоотвода через закристаллизовавшийся слой постоянно уменьшается, тепло во все большей мере отводится через стенки литейной формы, а также излучается поверхностью формы в более холодную окружающую среду. Согласно ньютоновскому закону теплопередачи тепло q, отведенное от литой детали, определяется следующим образом:
q = α (T-Т₀), (2)
где T - средняя температура литой детали,
Т₀ - температура окружающей среды, которая определяется водоохлаждаемыми стенками камеры охлаждения,
α - коэффициент теплоотдачи - мера интенсивности теплоотвода.This method consists in the fact that, first, the alloy melted in the crucible is poured into a heated mold located in the heating chamber. In this case, a narrow zone of an alloy with crystals oriented along the direction of heat removal, that is, from bottom to top, grows over the cooling plate forming the bottom of the mold. When the mold is moved down into the cooling chamber, the crystallization front, which separates the zone from the liquid melt and the solidified alloy with oriented crystals, moves from bottom to top inside the mold. At the beginning of the crystallization process, there is a high heat removal rate, a large temperature gradient, and a high solidification rate, since the material poured into the mold first arrives directly on the cooling plate, and heat is removed from the crystallization front to the cooling plate through a relatively thin layer of crystallized material with a coefficient. As the distance between the cooling plate and the crystallization front increases, the heat sink intensity through the crystallized layer constantly decreases, heat is increasingly removed through the walls of the mold, and it is also radiated by the mold surface to a colder environment. According to the Newtonian law of heat transfer, the heat q removed from the cast part is determined as follows:
q = α (T-T ₀ ), (2)
where T is the average temperature of the cast part,
T ₀ - ambient temperature, which is determined by the water-cooled walls of the cooling chamber,
α - heat transfer coefficient - a measure of the heat sink intensity.

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи α имеет величину около 80 Дж/м²•с•K, поэтому с помощью данного способа и устройства невозможно получать крупногабаритные высококачественные детали.The maximum value of the heat transfer coefficient α has a value of about 80 J / m ² • s • K, therefore, using this method and device it is impossible to obtain large-sized high-quality parts.

Известны способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой при низком уровне микропористости и дефектов кристаллической решетки и устройство для его осуществления (ЕР 0749790, А1, 27.12.96). A known method of manufacturing a directed crystallization of parts with a single crystal structure at a low level of microporosity and defects of the crystal lattice and a device for its implementation (EP 0749790, A1, 27.12.96).

Этот способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой заключается в том, что в вакуумной камере нагрева на подъемном водоохлаждаемом столе устанавливают нагретую литейную керамическую форму, заливают ее расплавом, кристаллизация которого осуществляется снизу вверх, перемещают литейную керамическую форму с кристаллизующимся расплавом из вакуумной камеры нагрева вниз в камеру охлаждения и в процессе перемещения ее охлаждают потоком инертного газа. Нагретый формой газ откачивают, охлаждают, фильтруют, сжимают для дальнейшего использования. Существо способа состоит в дополнительном охлаждении кристаллизующейся детали потоком инертного газа через приспособление, расположенное в верхней части камеры охлаждения. This method of manufacturing a monocrystalline structure-directed part with crystallization consists in installing a heated casting ceramic mold in a vacuum heating chamber on a lifting water-cooled table, pouring it with a melt, crystallizing from bottom to top, moving the casting ceramic mold with crystallizing melt from the vacuum heating chamber down into the cooling chamber and in the process of moving it is cooled by a stream of inert gas. The heated form gas is pumped, cooled, filtered, compressed for further use. The essence of the method consists in additional cooling of the crystallized part by a stream of inert gas through a device located in the upper part of the cooling chamber.

Устройство для осуществления данного способа содержит вакуумную печь, которая содержит две расположенные друг над другом и отделенные друг от друга перегородкой камеры, а также плавильный тигель для сплава и заливки его в форму. Верхняя из двух камер выполнена нагреваемой. Нижняя камера, соединенная с камерой нагрева через отверстие в перегородке, является камерой охлаждения. Устройство содержит также два приспособления: одно для создания, второе для направленной подачи газового потока. Последнее расположено ниже перегородки и содержит полость с отверстиями или соплами, которые обращены вовнутрь на литейную форму. Приспособление для создания газового потока размещено за пределами вакуумной печи. Газовые потоки, выходящие из отверстий или сопел, действуют преимущественно радиально в направлении к оси печи. Введенная через окно камеры охлаждения приводная штанга со столом имеет на поверхности стола обтекаемую водой пластину охлаждения, которая образует дно литейной формы. Литейная форма может перемещаться вместе со столом из камеры нагрева в камеру охлаждения через отверстие в перегородке. На своем верхнем конце литейная форма открыта и может с помощью загрузочного приспособления в камере нагрева заполняться расплавленным сплавом из плавильного тигля. Камера охлаждения связана с вакуумной системой для удаления поступающего газа из вакуумной камеры, для охлаждения его и очистки. Интенсивность теплоотвода охарактеризована в рассматриваемом способе величиной коэффициента теплоотдачи α = 134 Дж/м²•с•К. Такая интенсивность теплоотвода обеспечивала высокие значения градиента температур на фронте кристаллизации и скорости затвердевания, которые дают достаточно высокое качество литой детали. Однако, в данном способе и устройстве технически невозможно осуществить резкое повышение интенсивности теплоотвода и сохранение такой интенсивности теплоотвода в период кристаллизации всей детали, особенно при увеличении размеров лопаток до 400 и более мм. Невозможно также в случае необходимости значимо повысить производительность процесса.A device for implementing this method comprises a vacuum furnace, which contains two chambers located one above the other and separated from each other by a partition, as well as a melting crucible for alloy and pouring it into the mold. The upper of the two chambers is made heated. The lower chamber, connected to the heating chamber through an opening in the partition, is a cooling chamber. The device also contains two devices: one for creating, the second for directional gas flow. The latter is located below the partition and contains a cavity with holes or nozzles that are facing inward to the mold. The device for creating a gas stream is placed outside the vacuum furnace. The gas flows exiting the openings or nozzles act predominantly radially towards the axis of the furnace. A drive rod with a table introduced through the window of the cooling chamber has on the table surface a water-cooled cooling plate that forms the bottom of the mold. The mold can move together with the table from the heating chamber to the cooling chamber through an opening in the partition. At its upper end, the mold is open and can be filled with molten alloy from a melting crucible using a loading device in the heating chamber. The cooling chamber is connected to a vacuum system to remove incoming gas from the vacuum chamber, to cool it and clean it. The heat sink intensity is characterized in the considered method by the value of the heat transfer coefficient α = 134 J / m ² • s • K. Such a heat sink intensity provided high values of the temperature gradient at the crystallization front and the solidification rate, which give a sufficiently high quality of the cast part. However, in this method and device it is technically impossible to carry out a sharp increase in the heat sink intensity and to maintain such a heat sink intensity during the crystallization of the entire part, especially when the blade sizes increase to 400 or more mm. It is also impossible, if necessary, to significantly increase the productivity of the process.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройства для его осуществления с таким их выполнением, которые позволили бы получать крупногабаритные более 300 мм длиной литые детали с высококачественной и стабильной по всей длине макро- и микроструктурой при минимальном уровне дефектности, причем наиболее экономичным и производительным процессом. The basis of the invention is the creation of a method for manufacturing a directed crystallization of a part with a single-crystal structure and a device for its implementation with such their implementation, which would make it possible to obtain large-size cast parts with a high-quality and macro-and microstructure high-quality and stable along the entire length with a minimum level of defect , and the most economical and productive process.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой вводят дополнительно второй охлаждающий поток, расположенный непосредственно под первым охлаждающим потоком, при этом в каждый из охлаждающих потоков вводят разные порошкообразные охладители, материалы которых претерпевают фазовые превращения, а форму выполняют со сквозной пористостью в наружных слоях. The problem is solved in that in the method of manufacturing a crystallized directional part with a single crystal structure, an additional second cooling stream is introduced immediately below the first cooling stream, while different powdery coolers are introduced into each of the cooling flows, the materials of which undergo phase transformations, and the form is performed with through porosity in the outer layers.

Предпочтительно, чтобы первый охлаждающий поток был направлен преимущественно радиально к оси камеры охлаждения, а второй охлаждающий поток был направлен преимущественно вдоль стенок формы сверху вниз. Preferably, the first cooling stream is directed mainly radially to the axis of the cooling chamber, and the second cooling stream is directed mainly along the walls of the mold from top to bottom.

Порошкообразный охладитель для первого охлаждающего потока выбирают таким образом, чтобы в процессе теплоотвода от затвердевающего расплава через форму материал охладителя претерпевал только одно фазовое превращение - плавление и имел максимальные из возможных значения коэффициентов теплопроводности в жидком и твердом состоянии и поверхностного натяжения. The powder cooler for the first cooling stream is selected so that in the process of heat removal from the solidified melt through the mold, the material of the cooler undergoes only one phase transformation - melting and has the maximum possible values of the coefficients of thermal conductivity in the liquid and solid state and surface tension.

Порошкообразный охладитель для второго охлаждающего потока выбирают таким образом, чтобы в процессе теплоотвода от затвердевающего расплава через форму материал охладителя претерпевал два фазовых превращения - плавление и испарение и имел максимальные значения теплоемкости в твердом и жидком состояниях, теплот плавления и испарения или одно фазовое превращение - сублимацию и имел максимальные значения теплоемкости в твердом состоянии и теплоты сублимации. The powder cooler for the second cooling stream is selected so that in the process of heat removal from the solidified melt through the mold, the cooler material undergoes two phase transformations - melting and evaporation and has maximum heat capacity in solid and liquid states, heat of fusion and evaporation or one phase transformation - sublimation and had the maximum values of heat capacity in the solid state and heat of sublimation.

Второй поток подают непременно с запаздыванием относительно момента подачи первого потока. The second stream is certainly supplied with a delay relative to the time of supply of the first stream.

Также поставленная задача решается тем, что устройство для осуществления способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, содержащее вакуумную печь с системой вакуумирования, имеющую расположенные соосно одна над другой верхнюю камеру нагрева и нижнюю камеру охлаждения формы, перегородку с отверстием, разделяющую камеру нагрева и камеру охлаждения, литейную керамическую форму, установленную на столе с кристаллизатором с возможностью ее перемещения из камеры нагрева в камеру охлаждения, приспособление для нагрева литейной керамической формы, газовую систему, расположенную за пределами вакуумной печи, согласно изобретению содержит под перегородкой в камере охлаждения расположенные одно под другим два приспособления для направления на форму соответственно первого и второго охлаждающих потоков из смесей инертного газа с порошкообразными охладителями и два приспособления для формирования потоков, расположенных за пределами печи, а форма выполнена со сквозной пористостью в наружных слоях. The problem is also solved by the fact that the device for implementing the method of manufacturing directed crystallization of a part with a single crystal structure, containing a vacuum furnace with a vacuum system, having an upper heating chamber and a lower mold cooling chamber, a partition with an opening separating the heating chamber and the chamber, arranged coaxially one above the other cooling, a ceramic mold mounted on a table with a mold with the possibility of its movement from the heating chamber to the cooling chamber, at a method for heating a ceramic casting mold, a gas system located outside the vacuum furnace, according to the invention, comprises two devices located one below the other under the baffle in the cooling chamber for directing the first and second cooling flows from mixtures of inert gas with powder coolers, respectively, and two devices for the formation of flows located outside the furnace, and the form is made with through porosity in the outer layers.

Целесообразно, чтобы на наружной поверхности формы были выполнены пересекающиеся канавки с максимальной глубиной каждой из них до 20% от толщины стенки формы δ₂. Канавки выполнены так, что они имеют разные по высоте формы глубину, ширину, профиль и частоту размещения.It is advisable that the intersecting grooves with a maximum depth of each of them up to 20% of the mold wall thickness δ ₂ be made on the outer surface of the mold. The grooves are made so that they have different height shapes, depth, width, profile and frequency of placement.

Керамическая форма имеет в поверхностных слоях сквозную пористость величиной до 15%. The ceramic form has a through porosity of up to 15% in the surface layers.

Канавки увеличивают поверхность теплоотвода соответственно их глубине, ширине, профилю и частоте; канавки не только увеличивают теплоотдачу от формы при кристаллизации монокристаллической детали, но и сокращают время нагрева формы в камере нагрева вакуумной печи перед заполнением ее расплавом из тигля; канавки на поверхности формы могут быть с переменной по высоте формы глубиной, шириной и частотой; эти параметры канавок выбираются в связи с особенностями геометрии монокристаллической детали. Объект отвода и передачи тепла от кристаллизующейся монокристаллической детали - керамическая оболочковая форма изготавливается с переменной по толщине стенки сквозной объемной пористостью, а именно до ~90% последних по времени нанесения слоев оболочковой формы изготавливают с возрастающей к наружной поверхности сквозной объемной пористостью и, следовательно, с увеличивающейся к поверхности формы площадью внутренней поверхности теплообмена. Внутренняя поверхность теплообмена предназначена быть заполненной под действием капиллярных сил жидким расплавом охладителя из верхнего охлаждающего потока, то есть предназначена преобразовать керамику наружных слоев формы в металлокерамическое тело с высокой, относительно керамики, теплопроводностью. Grooves increase the surface of the heat sink according to their depth, width, profile and frequency; grooves not only increase the heat transfer from the mold during crystallization of the single-crystal part, but also reduce the heating time of the mold in the heating chamber of the vacuum furnace before filling it with the melt from the crucible; grooves on the surface of the mold can be of varying height, depth, width and frequency; these parameters of the grooves are selected in connection with the features of the geometry of the single-crystal part. The object of heat removal and transfer from a crystallizing single-crystal part — a ceramic shell mold — is made with a through volume porosity variable in wall thickness, namely, up to ~ 90% of the last layers of a shell mold that are deposited with increasing through-wall porosity increasing to the outer surface and, therefore, with increasing to the surface of the mold by the area of the inner surface of heat transfer. The inner surface of the heat transfer is designed to be filled under the action of capillary forces with the liquid melt of the cooler from the upper cooling stream, that is, it is intended to convert the ceramics of the outer layers of the mold into a cermet body with high thermal conductivity relative to ceramics.

Специфика устройства формы с металлокерамическим слоем на поверхности охлаждения определяет дополнительные к обязательному претерпеванию только одного фазового превращения - плавлению требования к физическим свойствам охладителя верхнего потока, а именно максимально высокая теплопроводность в жидком и твердом состояниях и максимально высокое поверхностное натяжение. The specifics of the mold device with a ceramic-metal layer on the cooling surface determines additional to the obligatory undergoing only one phase transformation - melting requirements to the physical properties of the upper flow cooler, namely the highest thermal conductivity in liquid and solid states and the highest surface tension.

Данное изобретение позволяет, благодаря применению керамической формы специальной конструкции и специальных технологических приемов отбора и переноса тепла от кристаллизующего и охлаждающейся монокристаллической детали, обеспечить высокие градиенты температур на фронте кристаллизации и высокие скорости затвердевания. И, как следствие этого, обеспечивается повышение производительности и сокращение рабочего цикла, получение свободных от дефектов столбчатых и монокристаллических структур. This invention allows, through the use of a ceramic mold of a special design and special technological methods for the selection and transfer of heat from a crystallizing and cooling single-crystal part, to provide high temperature gradients at the crystallization front and high solidification rates. And, as a consequence of this, an increase in productivity and shortening of the working cycle, obtaining column-free and single-crystal structures free from defects are provided.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения и чертежами, на которых
фиг. 1 изображает схематично общий вид устройства для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает сечение стенки керамической формы, согласно изобретению.The invention is further illustrated by a specific example of execution and drawings, in which
FIG. 1 is a schematic perspective view of an apparatus for manufacturing a monocrystalline directed crystallized part according to the invention;
FIG. 2 shows a wall section of a ceramic mold according to the invention.

Способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой заключается в том, что устанавливают в камере нагрева на подъемном водоохлаждаемом столе приготовленную особым образом нагретую литейную керамическую форму. Затем заливают литейную керамическую форму расплавом, кристаллизация которого осуществляется снизу вверх. Перемещают литейную керамическую форму с кристаллизующимся расплавом из вакуумной камеры нагрева вниз в камеру охлаждения. В процессе перемещения формы ее охлаждают от кристаллизатора на столе, и одновременно в процессе перемещения в камере охлаждения литейную керамическую форму охлаждают дополнительно двумя независимыми охлаждающими потоками смесей инертного газа и порошкообразных охладителей (металл, смесь металлов, сплав металлов, смесь сплавов металлов, соединения металла с неметаллом и их смеси, в т.ч. с металлами и сплавами). A method of manufacturing a monocrystalline directed crystallized part consists in installing a specially heated heated casting mold prepared in a heating chamber on a lifting water-cooled table. Then pour the casting ceramic mold with a melt, the crystallization of which is carried out from the bottom up. The molded ceramic mold with crystallizing melt is moved from the vacuum heating chamber down to the cooling chamber. In the process of moving the mold, it is cooled from the mold on the table, and at the same time, in the process of moving in the cooling chamber, the casting ceramic mold is additionally cooled by two independent cooling streams of mixtures of inert gas and powder coolers (metal, metal mixture, metal alloy, mixture of metal alloys, metal compounds with non-metal and mixtures thereof, including with metals and alloys).

Каждый из независимых потоков имеет разное направление: первый - верхний - преимущественно к оси вакуумной печи, второй - преимущественно вдоль оси сверху вниз. Каждый из независимых потоков состоит из инертного газа с порошкообразным охладителем различного химического состава и существенно отличными теплофизическими характеристиками. Верхний поток содержит порошкообразный охладитель, претерпевающий в процессе отбора и переноса тепла только одно фазовое превращение - плавление; нижний поток содержит порошкообразный охладитель, претерпевающий в процессе отбора и переноса тепла или два фазовых превращения - плавление и испарение, или одно - сублимацию, то есть обязательно имеет в конце фазовых превращений парообразное состояние. Каждый из независимых потоков различен по физическому механизму действия в процессе отбора и переноса тепла. Один - верхний поток, преимущественно радиальный, предназначен, главным образом, для отбора тепла из глубины формы и переноса его за счет высокой теплопроводности металлокерамики в литейной форме к поверхности формы. Другой - нижний поток, направленный преимущественно сверху вниз вдоль оси, предназначен для отбора тепла с поверхности формы за счет нагрева, плавления, испарения, сублимации охладителя и переноса тепла вместе с инертным газом к охлаждаемым внутренним поверхностям камеры охлаждения для последующей конденсации, кристаллизации и охлаждения охладителя и охлаждения газа. Each of the independent flows has a different direction: the first - upper - mainly to the axis of the vacuum furnace, the second - mainly along the axis from top to bottom. Each of the independent flows consists of an inert gas with a powder cooler of various chemical composition and significantly excellent thermophysical characteristics. The upper stream contains a powdery cooler that undergoes only one phase transformation during melting and heat transfer - melting; the lower stream contains a powdery cooler that undergoes two phase transformations during melting and heat transfer — melting and evaporation, or one sublimation, that is, it necessarily has a vapor state at the end of the phase transformations. Each of the independent flows is different in the physical mechanism of action in the process of heat selection and transfer. One is the upper stream, mainly radial, designed mainly for heat removal from the depth of the mold and its transfer due to the high thermal conductivity of cermets in the mold to the mold surface. The other is the lower flow, directed mainly from top to bottom along the axis, designed to take heat from the mold surface by heating, melting, evaporating, sublimating the cooler and transferring heat along with inert gas to the cooled inner surfaces of the cooling chamber for subsequent condensation, crystallization and cooling of the cooler and gas cooling.

Различные физические механизмы в отборе и переносе тепла от формы двумя независимыми потоками предъявляют следующие дополнительные требования к порошкообразным охладителям: для верхнего потока - максимальные значения величин теплоемкости в твердом состоянии, теплопроводности в твердом и жидком состояниях, теплоты плавления и поверхностного натяжения; для нижнего потока - максимальные значения величин теплоемкости и теплопроводности в твердом и жидком состояниях, теплот плавления, испарения и сублимации. Каждый из независимых потоков различен также по моменту начала действия: всегда и обязательно сначала включают поток, претерпевающий только одно фазовое превращение - плавление, и только потом, с задержкой второй, претерпевающий фазовые превращения до парообразного состояния. The various physical mechanisms in the selection and transfer of heat from the mold by two independent streams impose the following additional requirements for powder coolers: for the upper stream, the maximum values of the specific heat in the solid state, thermal conductivity in the solid and liquid states, heat of fusion and surface tension; for the lower flow, the maximum values of the heat capacity and thermal conductivity in the solid and liquid states, the heats of fusion, evaporation, and sublimation. Each of the independent flows is also different at the moment of the onset of action: always and always first they turn on a stream that undergoes only one phase transition - melting, and only then, with a delay of the second, undergoes phase transformations to a vapor state.

Выбор материалов порошкообразных составляющих каждого из потоков, дисперсности порошков и концентрации порошков в газе определяется поставленной конкретной задачей и элементарными расчетами сравнительной эффективности охладителей с использованием данных таблиц 2 - 4. The choice of materials of the powder components of each of the flows, the dispersion of the powders and the concentration of powders in the gas is determined by the specific task and elementary calculations of the comparative efficiency of the coolers using the data in tables 2-4.

Из сформулированных принципов выбора материалов порошков для каждого из потоков (см. по тексту выше) и данных по значениям физических свойств ряда материалов (в таблицах 1 - 3) возможно предпочесть в наших условиях в качестве примеров:
для верхнего потока медь и алюминий,
для нижнего потока цинк, магний и соединения цинка.From the stated principles of choosing powder materials for each of the streams (see the text above) and data on the values of the physical properties of a number of materials (in tables 1-3), it is possible to prefer as examples in our conditions:
for the upper flow copper and aluminum,
for lower flow zinc, magnesium and zinc compounds.

Ниже приведен в качестве иллюстрации схемы расчета для нижнего охлаждающего потока пример сравнения эффективности охладителей: аргона и смеси аргона с порошком цинка. Сравнение выполнено при условии полного использования каждой единицы (моль) массы в отводе тепла q [кДж/моль]. The following is an illustration of the calculation scheme for the lower cooling flow, an example of comparing the effectiveness of coolers: argon and a mixture of argon with zinc powder. The comparison was made under the condition that each unit (mol) of the mass is fully used in heat removal q [kJ / mol].

Исходные данные (см. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И. К. Кикоина, М., "Атомиздат", 1976 г.)
1. теплоемкость аргона С_p1 = const = 20,79 Дж/моль
2. теплоемкость цинка С_p2 Дж/моль

3. температура плавления цинка Т_ПЛ= 692, 5 К
4. теплота плавления цинка Δ H_пл = 7, 28 кДж/моль
5. температура испарения цинка

= 1180 К
6. теплота испарения цинка

= 114, 7 кДж/моль
7. диапазон рабочих температур охладителей T_max - T_min = 1500 - 300 К
8. состав охладителей: 1) аргон - 100% - 1 моль
2) аргон 50 % + цинк 50% (моль)
Ниже приведен расчет эффективности.Initial data (see. Tables of physical quantities. Handbook edited by I. K. Kikoin, M., "Atomizdat", 1976)
1. heat capacity of argon With _p1 = const = 20.79 J / mol
2. the heat capacity of zinc With _p2 J / mol

3. The melting temperature of zinc T _PL = 692, 5 K
4. the heat of fusion of zinc Δ H _PL = 7,28 kJ / mol
5. The temperature of evaporation of zinc

= 1180 K
6. heat of vaporization of zinc

= 114, 7 kJ / mol
7. range of working temperatures of coolers T _max - T _min = 1500 - 300 K
8. composition of coolers: 1) argon - 100% - 1 mol
2) argon 50% + zinc 50% (mol)
The following is a calculation of effectiveness.

q_Ar = C_p1 • (T_max - T_min) = 24948 Дж/моль = 24, 948 кДж/моль,

Таким образом, эффективность одного из ряда предложенных, причем не самого эффективного охладителя в виде смеси аргона и порошка цинка, превышает максимальную физическую способность охладителя-аргона в 3,4 раза. На практике рассчитанная эффективность будет суммироваться с эффективностью охлаждения верхним потоком.q _Ar = C _p1 • (T _max - T _min ) = 24948 J / mol = 24, 948 kJ / mol,

Thus, the efficiency of one of a number of proposed, and not the most effective, coolers in the form of a mixture of argon and zinc powder exceeds 3.4 times the maximum physical ability of an argon cooler. In practice, the calculated efficiency will be combined with the cooling efficiency of the overhead stream.

Расчеты для оценки эффективности отвода тепла из-за увеличения поверхности теплоотдачи на наружной поверхности керамической формы с канавками. Так, в случае нанесения сетки пересекающихся канавок глубиной 1 мм, шириной 1 мм и шагом 1 мм поверхность теплоотдачи увеличивается в два раза, что равнозначно увеличению теплопроводности материала формы в два раза или уменьшению толщины стенки формы в два раза. Calculations for evaluating the efficiency of heat removal due to an increase in the heat transfer surface on the outer surface of the ceramic mold with grooves. So, in the case of applying a grid of intersecting grooves with a depth of 1 mm, a width of 1 mm and a pitch of 1 mm, the heat transfer surface doubles, which is equivalent to a two-fold increase in the thermal conductivity of the mold material or a two-fold decrease in the mold wall thickness.

Эффект повышения эффективности теплоотвода за счет пропитки поверхностных слоев формы жидким охладителем подлежит оценке по двум показателям: во-первых, за счет повышения теплопроводности металлокерамической формы по сравнению с керамической и, во-вторых, за счет увеличения из-за сквозной объемной пористости поверхностных слоев формы. Так, при сквозной пористости формы 1% по площади сквозных каналов и заполнении через сквозные капилляры сквозных пор медью (при различии в теплопроводности любой из керамик - см. таблицы 2 и 4) теплопроводность металлокерамического слоя увеличивается в два раза при пористости 5% в 6 раз. The effect of increasing the heat removal efficiency due to the impregnation of the surface layers of the mold with a liquid cooler should be evaluated according to two indicators: firstly, due to an increase in the thermal conductivity of the cermet form compared to the ceramic one and, secondly, due to an increase due to through volumetric porosity of the surface layers of the form . So, when the through porosity of the mold is 1% over the area of the through channels and filling through the through capillaries of the through pores with copper (with a difference in the thermal conductivity of any of the ceramics - see Tables 2 and 4), the thermal conductivity of the cermet layer doubles at 5% porosity by 6 times .

Эффективность системы охлаждения формы с кристаллизующимся сплавом достигается, во-первых, применением двух охлаждающих потоков, независимых и отличных друг от друга по функциональному назначению, по времени и механизму действия, по химической природе и теплофизическим свойствам охладителей. Во-вторых, эффективность охлаждения достигается высокой теплопроводностью металлокерамической формы и повышением поверхностей теплоотдачи при переносе тепла внутри формы и с ее поверхности. Совместное действие указанных условий обеспечивают, что особенно важно, эффективный теплоотвод не только при формировании качественной монокристаллической структуры на границе раздела фаз, но и в период отвода тепла от всей закристаллизованной части детали. The efficiency of the mold cooling system with a crystallizing alloy is achieved, firstly, by using two cooling flows, independent and different from each other in terms of functional purpose, time and mechanism of action, chemical nature and thermophysical properties of the coolers. Secondly, the cooling efficiency is achieved by high thermal conductivity of the cermet form and by an increase in heat transfer surfaces during heat transfer inside the form and from its surface. The combined effect of these conditions provides, which is especially important, effective heat removal not only during the formation of a high-quality single-crystal structure at the phase boundary, but also during the heat removal from the entire crystallized part of the part.

Устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой содержит вакуумную печь 1 (фиг. 1), которая состоит из двух водоохлаждаемых камер 2, 3, расположенных одна над другой соосно. Верхняя камера 2 - это камера нагрева, а нижняя - камера 3 охлаждения с вакуумной системой 4 вакуумной печи 1. Камеры 2 и 3 разделены водоохлаждаемой перегородкой 5 с отверстием. Также устройство имеет расположенное в камере 2 нагрева приспособление 6 для нагрева литейной формы 7 до заполнения ее расплавом 8 из поворотного плавильного тигля 9. В устройстве имеется стол 10 с кристаллизатором, размещенный на штоке 11. Форма 7 установлена на столе 10 с возможностью ее перемещения из камеры 2 в камеру 3 через отверстие в перегородке 5. A device for manufacturing a directed crystallization part with a single crystal structure contains a vacuum furnace 1 (Fig. 1), which consists of two water-cooled chambers 2, 3, located one above the other coaxially. The upper chamber 2 is the heating chamber, and the lower chamber is the cooling chamber 3 with the vacuum system 4 of the vacuum furnace 1. Chambers 2 and 3 are separated by a water-cooled partition 5 with an opening. The device also has a device 6 located in the heating chamber 2 for heating the mold 7 until it is filled with melt 8 from the rotary melting crucible 9. The device has a table 10 with a mold placed on the rod 11. Form 7 is mounted on the table 10 with the possibility of its movement from chamber 2 into chamber 3 through an opening in the partition 5.

Также устройство снабжено двумя независимыми и общеизвестными приспособлениями, размещенными за пределами печи 1, для формирования и двумя независимыми приспособлениями для направления двух охлаждающих потоков, размещенными в камере 3 охлаждения (см. "Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование", В.В.Кудинов, Г.В.Бобров, Москва, "Металлургия", 1992 г., стр. 225 и стр. 274). The device is also equipped with two independent and well-known devices located outside the furnace 1, for forming and two independent devices for directing two cooling flows, placed in the cooling chamber 3 (see "Spray coating. Theory, technology and equipment", V.V. .Kudinov, G.V. Bobrov, Moscow, Metallurgy, 1992, p. 225 and p. 274).

Приспособления для формирования охлаждающего потока состоят из расположенных за пределами камеры 3 охлаждения газовой системы 12, двух независимых систем 13 и 14 для формирования смеси газа с порошкообразными охладителями, например, общеизвестные бункер, дозатор и т.д. Приспособления для направления потоков состоят из систем 15,16 распыления, расположенных внутри камеры 3 охлаждения вблизи перегородки 5. Системы 15 и 16 имеют расположенные по кольцу распылители (на фиг. не показано), отверстия верхних систем 15 направлены на линейную форму 7, преимущественно по горизонтали к оси устройства. The devices for forming a cooling flow consist of two independent systems 13 and 14 located outside the cooling chamber 3 of the gas system 12, for forming a mixture of gas with powder coolers, for example, a well-known hopper, dispenser, etc. Devices for directing flows consist of spraying systems 15.16 located inside the cooling chamber 3 near the partition 5. Systems 15 and 16 have sprayers located along the ring (not shown in Fig.), The openings of the upper systems 15 are directed to a linear shape 7, mainly along horizontal to the axis of the device.

Отверстия нижних систем 16 направлены преимущественно сверху вниз вдоль литейной формы 7. The holes of the lower systems 16 are directed mainly from top to bottom along the mold 7.

На фигуре 1 показана также монокристаллическая деталь 17. Стрелками А, В показано направление движения охлаждающих потоков. Figure 1 also shows a single-crystal part 17. Arrows A, B show the direction of movement of the cooling flows.

На фигуре 2 представлена специальная конструкция литейной керамической оболочковой формы 7. The figure 2 presents the special design of the foundry ceramic shell mold 7.

Наружная поверхность формы 7 оребрена пересекающимися канавками под углом 30-45^o к вертикальной оси формы. Канавки характеризуются глубиной, шириной, профилем и частотой размещения.The outer surface of the form 7 is ribbed by intersecting grooves at an angle of 30-45 ^o to the vertical axis of the form. Grooves are characterized by depth, width, profile and frequency of placement.

По толщине δ стенка формы состоит из двух зон: первая зона толщиной δ₁ имеет относительную протяженность - δ₁/δ от ~0,9 до ~0,1; она представляет собой капиллярно-пористое тело с величиной относительной объемной пористости П до 30% и газопроницаемостью не более 15 единиц, то есть с величиной сквозной пористости

, равной 0.In thickness δ, the mold wall consists of two zones: the first zone with a thickness of δ ₁ has a relative length of δ ₁ / δ from ~ 0.9 to ~ 0.1; it is a capillary-porous body with a relative volumetric porosity P of up to 30% and a gas permeability of not more than 15 units, i.e., with a value of through porosity

equal to 0.

Вторая зона толщиной δ₂ имеет относительную протяженность δ₂/δ от ~0,1 до ~ 0,9; она представляет собой капиллярно-пористое тело с величиной относительной объемной пористости П от 30% на границе зон I и II до ≈ 60% на наружной поверхности формы, при этом газопроницаемость второй зоны меняется от 5-15 единиц на границе зон до 400 и более единиц на наружной поверхности формы. Величина сквозной пористости

во второй зоне меняется по направлению к наружной поверхности от 0% до 15%.The second zone of thickness δ ₂ has a relative length of δ ₂ / δ from ~ 0.1 to ~ 0.9; it is a capillary-porous body with a relative bulk porosity P from 30% at the boundary of zones I and II to ≈ 60% on the outer surface of the mold, while the gas permeability of the second zone varies from 5-15 units at the border of the zones to 400 or more units on the outside of the mold. Through porosity

in the second zone varies from 0% to 15% towards the outer surface.

Именно сквозная пористость

обеспечивает газопроницаемость капиллярно-пористых керамических форм 7. Наличие и величина сквозной пористости в виде сообщающихся капиллярных каналов регулируется гранулометрическим составом наполнителя и специальными добавками, например совелитом - смесью асбеста с солями магния и кальция; последние и обеспечивают из-за разложения при прокаливании форм образование сквозных каналов. Причем газопроницаемость керамики и, следовательно, заполняемость капилляров жидкими расплавами можно изменять на два порядка, и на практике обеспечение требуемой величины сквозной пористости технологических трудностей не имеет (А.А.Стрюченко, Э.В. Захарченко "Керамические формы в точном литье", М., "Машиностроение", 1988 г., стр. 63-65).It is through porosity

provides gas permeability of capillary-porous ceramic forms 7. The presence and value of through porosity in the form of interconnected capillary channels is regulated by the particle size distribution of the filler and special additives, for example sovelite - a mixture of asbestos with magnesium and calcium salts; the latter provide, through decomposition during the calcination of the forms, the formation of through channels. Moreover, the gas permeability of ceramics and, therefore, the filling of capillaries with liquid melts can be changed by two orders of magnitude, and in practice, ensuring the required through porosity is not technologically difficult (A.A. Stryuchenko, E.V. Zakharchenko "Ceramic forms in precision casting", M ., "Engineering", 1988, pp. 63-65).

Движение жидких расплавов по сквозным каналам капиллярно-пористых керамических форм достаточно изучено, и параметры этого движения: глубина проникновения расплава, скорость движения расплавов и время заполнения капилляров можно оценить даже аналитически (С.И. Попель "Поверхностные явления в расплавах", М" "Металлургия", 1994 г., стр. 39-44, 321- 337). The movement of liquid melts through the through channels of capillary-porous ceramic forms has been sufficiently studied, and the parameters of this movement: the depth of penetration of the melt, the speed of movement of the melts and the filling time of the capillaries can even be estimated analytically (S.I. Popel "Surface phenomena in melts", M "" Metallurgy ", 1994, pp. 39-44, 321-337).

Данное устройство работает следующим образом. This device operates as follows.

Для осуществления предложенного способа стол 10 штоком 11 устанавливают в верхнее положение. На водоохлаждаемом кристаллизаторе стола 10 укреплено тонкостенное керамическое дно для образования зародышей кристаллов или специальные затравки-стартеры. Форму 7 открытым нижним торцом устанавливают на керамическое дно, далее нагретую приспособлением 6 литейную форму 7 заполняют из тигля 9 готовым расплавом 8. При этом приспособление 6 поддерживает в расплаве 8 и форме 7 температуру выше температуры ликвидус сплава, а на охлаждаемой кристаллизатором пластине - дне формы 7 образуется узкая по высоте зона из затвердевшего сплава с несколькими столбчатыми или одним монокристаллом. To implement the proposed method, the table 10 with the rod 11 is installed in the upper position. On the water-cooled mold of table 10, a thin-walled ceramic bottom is fixed for the formation of crystal nuclei or special starter seeds. Form 7 with the open bottom end installed on the ceramic bottom, then the mold 6 heated by the device 6 is filled from the crucible 9 with the prepared melt 8. In this case, the device 6 maintains the temperature in the melt 8 and form 7 above the liquidus temperature, and on the mold-cooled plate, the bottom of the mold 7, a narrow height zone of solidified alloy with several columnar or one single crystal is formed.

Перемещая форму 7 сверху вниз из камеры 2 нагрева в камеру 3 охлаждения, достигают увеличения затвердевшей, например, монокристаллической зоны с образованием из расплава 8 монокристаллической детали 17 (фиг. 1). By moving the mold 7 from top to bottom from the heating chamber 2 to the cooling chamber 3, an increase in the hardened, for example, single-crystal zone is achieved with the formation of a single-crystal part 17 from melt 8 (Fig. 1).

В начале процесса кристаллизации достигаются большой температурный градиент и высокая скорость затвердевания, так как тепло от залитого в форму 7 сплава 8 поступает непосредственно на кристаллизатор, а тепло, которое должно быть отведено от кристаллизующегося расплава, направляется от фронта кристаллизации через сравнительно тонкий слой закристаллизованного материала на кристаллизатор. Если образованное им дно литейной формы 7, считая от нижней стороны перегородки 5, погружено на несколько миллиметров, например, до 30 мм в камеру 3 охлаждения, то из отверстий верхних распылителей стационарной системы 15 начинают подавать специальный охладитель, не реагирующий химически с нагретым материалом формы 7, например, смесь металлического порошка меди с инертным газом (аргон). Медь плавится на поверхностях формы и по сквозным каналам в стенке формы под действием капиллярных сил заполняет часть свободной внутренней поверхности в наружных слоях δ₂ (фигура 2) формы, образуя металлокерамическое тело. Теплопроводность металлокерамики, а следовательно, перенос тепла к поверхности формы увеличивается в два (при сквозной пористости в 1,0%) - шесть раз (при пористости 5%).At the beginning of the crystallization process, a large temperature gradient and a high solidification rate are achieved, since the heat from the alloy 8 cast into the mold 7 goes directly to the crystallizer, and the heat that must be removed from the crystallizing melt is directed from the crystallization front through a relatively thin layer of crystallized material to mold. If the bottom of the mold 7 formed by it, counting from the lower side of the partition 5, is immersed several millimeters, for example, up to 30 mm, in the cooling chamber 3, then a special cooler that does not react chemically with the heated mold material begins to be fed from the openings of the upper nozzles of the stationary system 15 7, for example, a mixture of a metal powder of copper with an inert gas (argon). Copper melts on the surfaces of the mold and through the through channels in the mold wall under the action of capillary forces fills part of the free inner surface in the outer layers δ ₂ (figure 2) of the mold, forming a ceramic-metal body. The thermal conductivity of cermets, and consequently, the heat transfer to the surface of the mold, increases two-fold (with a through porosity of 1.0%) - six times (with a porosity of 5%).

После начала работы системы 15 включают систему 16. Охлаждающий поток на пути к форме 7 и при движении вдоль стенок литейной формы 7 нагревается (газ и, например, цинк), плавится (цинк) и испаряется (цинк). Охладитель и газ (в малой степени) забирают тепло от формы 7. Газ отводят в вакуумную 4 и газовую 12 системы, пары охладителя конденсируют и кристаллизуют на охлаждаемых стенках камеры 3 или на панелях специального водоохлаждаемого конденсатора в камере 3 - на фигуре 1 не показан. After the system 15 starts operating, the system 16 is turned on. The cooling stream en route to mold 7 and when moving along the walls of the mold 7 heats up (gas and, for example, zinc), melts (zinc) and evaporates (zinc). The cooler and gas (to a small extent) take the heat from form 7. The gas is taken off to the vacuum 4 and gas 12 systems, the cooler pairs are condensed and crystallized on the cooled walls of chamber 3 or on the panels of a special water-cooled condenser in chamber 3 — not shown in FIG. 1.

По мере роста затвердевшей монокристаллической части детали 18 зоны интенсивность теплоотвода через эту зону и в целом от формы практически не уменьшается. Охлаждающие потоки выключают после полного формирования монокристаллической структуры в детали 18. As the hardened single-crystal part of the part 18 of the zone grows, the intensity of heat removal through this zone and in general from the form practically does not decrease. Cooling flows are turned off after the complete formation of a single crystal structure in the part 18.

Таким образом, предложенные способ и устройство для его реализации позволяют существенно расширить диапазон достигаемых значений интенсивности теплоотвода в процессе направленной кристаллизации в зависимости от специфики устройства поверхности и поверхностных слоев формы, от химической природы применяемых порошков, их составов в смесях и концентраций смесей порошков в инертном газе, от объемных расходов охлаждающих потоков. Thus, the proposed method and device for its implementation can significantly expand the range of achieved values of the heat sink intensity in the process of directed crystallization depending on the specifics of the surface structure and surface layers of the mold, on the chemical nature of the powders used, their compositions in mixtures and the concentration of powder mixtures in an inert gas , from the volumetric flow rates of cooling flows.

Для газотурбинной лопатки с длиной рабочей части 340 мм из жаропрочного сплава на основе никеля в типовом случае не самой высокой эффективности охладителя и системы охлаждения для случая применения порошка меди с концентрацией 30% и порошка цинка с концентрацией 60% (весовых) в аргоне при максимальной сквозной пористости на поверхности формы -4% и параметрами канавок на поверхностях формы, образующих спинку и корыто рабочей лопатки: глубина 0,8 мм, ширина 1,5 мм, частота 4 канавки на 1 см, профиль - полусферический, получены следующие результаты. For a gas turbine blade with a working part length of 340 mm made of a heat-resistant nickel-based alloy, in a typical case, the cooler and cooling system are not of the highest efficiency for the case of using copper powder with a concentration of 30% and zinc powder with a concentration of 60% (weight) in argon with a maximum through the porosity on the mold surface is 4% and the parameters of the grooves on the mold surfaces forming the back and trough of the working blade: depth 0.8 mm, width 1.5 mm, frequency 4 grooves per 1 cm, the profile is hemispherical, the following results are obtained.

В таблице 5 даны показатели свойств изготовленных по патенту США 3532155, по европатенту ЕР 0749790 A1 и по предложенному способу литых лопаток из сплавов на основе никеля с аналогичными теплофизическими характеристиками. Для сравниваемых способов принципиальное устройство вакуумных печей, температуры заливаемых сплавов, температуры нагрева форм и другие технологические параметры были идентичны. Table 5 shows the properties of manufactured by US patent 3532155, according to Europatent EP 0749790 A1 and the proposed method of cast blades of nickel-based alloys with similar thermophysical characteristics. For the compared methods, the basic structure of vacuum furnaces, the temperature of the cast alloys, the heating temperature of the molds and other technological parameters were identical.

Таким образом, с помощью предлагаемого изобретения достигаются лучшие условия по формированию монокристалла в крупногабаритных лопатках. Принципиально технически осуществимы условия для выращивания монокристаллических лопаток со скоростями до 50 мм/мин и более. Изготовленные в благоприятных теплофизических условиях в соответствии с данным способом литые детали обладают особенно большой прочностью на излом монокристалла, малой пористостью и не имеют дефектов кристаллической решетки. Кроме того, данное изобретение позволяет изготавливать литые детали, которые почти свободны от "веснушек" и от "лучин". Предложенный способ имеет в числе своих достоинств возможность резкого повышения производительности и экономичность технологического процесса. Thus, using the present invention, the best conditions are achieved for the formation of a single crystal in large blades. Fundamentally technically feasible conditions for growing single-crystal blades with speeds up to 50 mm / min and more. Cast parts made under favorable thermophysical conditions in accordance with this method have particularly high single-crystal fracture strength, low porosity, and no crystal lattice defects. In addition, this invention allows the manufacture of molded parts that are almost free from "freckles" and from "bumps". The proposed method has, among its advantages, the possibility of a sharp increase in productivity and the efficiency of the technological process.

Claims

1. A method of manufacturing a monocrystal-structured directed crystallization part, including installing a casting ceramic mold on a water-cooled table in a vacuum heating chamber, pouring it into a melt mold, moving the mold with crystallized melt from the heating chamber down to the cooling chamber, cooling the mold during inert gas flow characterized in that the form immediately below the first stream is additionally cooled by a second stream of inert gas, while a powder is introduced into the first stream a cooler from a material that undergoes one phase transformation during melting of heat from a crystallizing melt — melting, and a powder cooler is introduced into the second stream from a material that undergoes two phase transformations during melting of heat — melting and evaporation, or one — sublimation, and the ceramic form is through porosity in the outer layers.

2. The method according to claim 1, characterized in that the first cooling stream is directed mainly radially to the axis of the cooling chamber, and the second, mainly along the walls of the form from top to bottom.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the second cooling stream is supplied with a delay relative to the time of supply of the first stream.

4. A device for manufacturing a directed crystallization of a part with a single crystal structure, containing a vacuum furnace with a vacuum system, having a mold heating chamber and a mold cooling chamber located coaxially one above the other, a baffle with an opening separating the heating chamber and the cooling chamber, a ceramic casting mold mounted on a table with a mold with the possibility of its movement from the heating chamber to the cooling chamber, a gas system located outside the vacuum furnace, characterized in then it is equipped with two devices for forming cooling flows from mixtures of inert gas and powder coolers located outside the furnace, and two devices for directing cooling flows to the mold located one below the other in the cooling chamber, while the ceramic mold is made with through porosity in the external layers.

5. The device according to claim 4, characterized in that the through porosity on the surface of the mold is up to 15%.

6. The device according to claim 4, characterized in that on the outer surface of the ceramic mold intersecting grooves are made with a depth of up to 20% of the mold wall thickness.

7. The device according to claim 6, characterized in that the grooves along the height of the form have different depths, widths and profiles and are located at different frequencies.