Пристрій для отримання монокристалічних відливків

Корисна модель має відношення до металургії та може бути використаний для отримання відливків з монокристалевою структурою та заданою кристалографічною орієнтацією, наприклад, лопаток турбін із жароміцних сплавів, постійних магнітів та інших подібних виробів. Відомо пристрій для отримання монокристалевих відливків, який містить вакуумну камеру з вміщеними до неї нагрівачем, усередині якого розміщені керамічна форма із затравкою, установленим під нагрівачем кристалізатором, що складається з охолоджуваної кільцеподібної камери, усередину якої вміщені рідкий охолоджувач, а також коаксіальне їй та з можливістю переміщення уздовж вакуумної камери охолоджувана циліндрична камера (авт. свід. №462393, С22В17/00, 1982) [1]. Циліндрична камера має трубчатий екран із тугоплавкого металу, який охоплює частину керамічної форми із затравкою. Використання води як охолоджувача дозволяє, завдяки низькій температурі охолодження, одержувати певний градієнт температур на фронті кристалізації. Проте передача тепла від керамічної форми до кристалізатора відбувається крізь невелику поверхню: поверхню частини керамічної форми, яка виступає, та поверхню днища форми. Це не дозволяє відводити від керамічної форми значну кількість тепла, обмежує інтенсивність відводу тепла від розплаву до охолоджувача та обмежує підвищення градієнта температур на фронті кристалізації, що обумовлює невисоку якість отримуваних відливків. Відомо пристрій для отримання монокристалевих відливків, який містить вакуумну камеру з вміщеними до неї нагрівачем, усередині якого розміщені керамічна форма із затравкою, установленим під нагрівачем кристалізатором, що складається з охолоджуваної кільцеподібної камери, усередину якої вміщені легкоплавкий рідкометалевий охолоджувач, а також коаксіальне їй та з можливістю переміщення уздовж вакуумної камери охолоджувана циліндрична камера (патент України №49616А, B22D27/04, 2002) [2]. У цьому пристрою на циліндричну камеру, із боку нагрівача, поставлений стаканоподібний елемент, усередині якого вміщена керамічна форма. Розміщення у циліндричній камері легкоплавкого рідкометалевого охолоджувача, який має низьку температуру плавлення, а також високу теплопровідність, дає можливість отримати, у порівнянні з пристроєм, описаним у [1], більш високий градієнт температур на фронті кристалізації розплаву. Наявність на циліндричній камері стаканоподібного елемента дало можливість підтримувати на камері стаканоподібного елемента дало можливість підтримувати на постійному рівні рідкометалевий охолоджувач, що забезпечило стабільність умов кристалізації, а також підвищення градієнта температур на фронті кристалізації. Проте невелика поверхня теплового контакту між керамічною формою і стаканоподібним елементом створює значний тепловий опір між керамічною формою і рідкометалевим охолоджувачем, оскільки відвід тепла від розплаву до рідкометалевого охолоджувача відбувається в основному за рахунок випромінювання у вакуумі. Цей механізм передачі тепла обмежує підвищення градієнта температур на фронті кристалізації та якість отримуваних відливків. Відомий пристрій для отримання монокристалевих відливків, обраний як прототип (патент України №63621А, B22D27/04, 2003) [2]. Пристрій містить вакуумну камеру з вміщеними до неї нагрівачем, усередині якого розміщені керамічна форма із затравкою, установлений під нагрівачем кристалізатор, що складається з охолоджуваної кільцеподібної камери, усередину якої вміщені легкоплавкий рідкометалевий охолоджувач, а також коаксіально їй та з можливістю переміщення уздовж вакуумної камери охолоджувана циліндрична камера. У цьому пристрою на циліндричну камеру, із боку нагрівача, поставлений стаканоподібний елемент, усередину якого вміщена керамічна форма. Для збільшення інтенсивності відводу тепла від розплаву до легкоплавкого рідкометалевого охолоджувача простір між керамічною формою та стаканоподібним елементом заповнено теплопровідним матеріалом. Проте тепловий опір між розплавом та легкоплавким рідкометалевим охолоджувачем залишається значним, що обмежує отримання відливків достатньо високої якості. В основу корисної моделі поставлено завдання - створити такий пристрій для отримання монокристалевих відливків, який у порівнянні з відомими давали можливість отримувати монокристалові відливки з більш високою якістю. Поставлене завдання вирішується у пристрою, який містить вакуумну камеру з вміщеними до неї нагрівачем, усередині якого розміщені керамічна форма із затравкою, установленим під нагрівачем кристалізатором, що складається з охолоджуваної кільцеподібної камери, усередину якої вміщені легкоплавкий рідкометалевий охолоджувач, а також коаксіально їй та з можливістю переміщення уздовж вакуумної камери охолоджувана циліндрична камера, згідно з корисною моделлю, усередині нагрівача розміщений з можливістю переміщення уздовж нього тримач керамічної форми, охолоджувана циліндрична камера розміщена у кристалізаторі нижче рівня легкоплавкого рідкометалевого охолоджувача на відстань, яку визначають з умови: H ³ L - h, , (1), де L глибина занурення керамічної камери у легкоплавкий рідкометалевий охолоджувач; h - величина, яку h ³ 4 ´ Vкф / p ´ D2 цк (2), де Vкф - об'єм частини керамічної форми, яку занурюють у визначають із умови: легкоплавкий рідкометалевий охолоджувач; DЦК – зовнішній діаметр циліндричної камери кристалізатора. Наявність усередині нагрівача тримача, виконаного з можливістю переміщення уздовж його, дозволяє розмістити керамічну форму у початковому стані над кристалізатором та забезпечити найбільш сприятливі умови для нагрівання форми з розплавом. Розміщення охолоджуваної циліндричної камери у кристалізаторі нижче рівня легкоплавкого рідкометалевого охолоджувача на величину, яка визначається з умов (1) і (2), дає можливість занурювати керамічну форму безпосередньо у рідко-металевий охолоджувач. Це забезпечує більш ефективний відвід тепла від керамічної форми, ніж у пристрою, який обраний як прототип, що обумовлює високу стабільність умов кристалізації та високу якість отримуваних відливків. На кресленні наведено пропонований пристрій. Пристрій містить вакуумну камеру 1, у якій розміщені нагрівач 2 із вміщеними до нього керамічною формою 3 із затравкою 4. У вакуумній камері 1, під нагрівачем 2, установлений кристалізатор, який складається з охолоджуваної кільцеподібної камери 5, усередину якої, коаксіальне їй вміщені охолоджувана циліндрична камера 6 і легкоплавкий рідкометалевий охолоджувач 7. Циліндрична камера 6 розміщена нижче рівня рідкометалевого охолоджувача 7 на відстань Н. На рівні донної частини кільцеподібної камери 5, між останньою та циліндричною камерою 6, вміщений вакуумний ущільнювач 9. Керамічна форма 3 підвішена у нагрівачі 2 на тримачі 10. Циліндрична камера 6 та тримач 10 з'єднані за допомогою тяг 11 та 12 із механізмами переміщення їх (на кресленні не показані). Отримання монокристалевих відливків здійснюють за допомогою запропонованого пристрою так. Керамічну форму 3 із затравкою 4 закріплюють на тримачі 10. Порожнину усередині кільцеподібної камери 5 заповнюють легкоплавким рідкометалевим охолоджувачем 7, наприклад, сплавом Ga-25%ln. Циліндричну камеру 6 установлюють нижче рівня рідкометалевого охолоджувача 7 на відстань Н, яка визначається з умов (1) і (2). Далі у порожнини камер 5 та 6 подають охолоджувач - воду та пропускають її крізь згадані камери під час усього процесу кристалізації до отримання відливки. Вакуумну камеру 1 герметизують та відкачують. Потім за допомогою нагрівача 2 нагрівають керамічну форму 3 із затравкою 4 до температури вище температури ліквідусу матеріалу, що кристалізують. Далі заливають у керамічну форму 3 розплав 8 сплаву ЖС-32 та занурюють її у рідкометалевий охолоджувач. Одночасно із зануренням керамічної форми 3 опускають циліндричну камеру 6. В результаті цього відбувається спрямована кристалізація розплаву 8. При цьому, за рахунок безпосереднього контакту керамічної форми 3 з охолоджувачем 7 відбувається інтенсивне відведення тепла із фронту кристалізації. Переміщення циліндричної камери 6 у легкоплавкому рідкометалевому охолоджувачі 7, а також існування над циліндричною камерою 6 шару рідкометалевого охолоджувача 7, товщина якого визначається з умов (1) і (2), сприяє підтриманню постійного рівня легкоплавкого рідкометалевого охолоджувача 7, а також створює сприятливі теплофізичні умови для отримання досконалої мікроструктури при високих швидкостях спрямованої кристалізації, що обумовлює високу стабільність умов кристалізації та високу якість отримуваних відливків. Як показали експерименти, тривала жароміцність монокристалевих відливків, отриманих за допомогою пропонованого пристрою, у 1,5...2 рази перевищує цей показник для відливків, отриманих за допомогою пристрою, обраних як прототип. Поряд із цим, покращення теплофізичних умов кристалізації сприяє підвищенню виходу придатних монокристалевих відливків та зниженню витрат.