В целях повышения эксплуатационных характеристик турбинные лопатки из жаропрочных сплавов типа ЖС часто изготавливают монокристаллическими, применяя для этого метод направленной кристаллизации.
Направленная кристаллизация осуществляется следующим образом: чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева, при этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя.
Для создания технологии направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров - скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей.
Изучение выращивания столбчатых кристаллов рентгенографическими методами позволило выращивать всю лопатку целиком из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого изготавливается затравка (небольшой образец, вырезанный из монокристалла по возможности без структурных дефектов (рис. 1.5.)), которая позволяет только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X-Y - нет). Затравка помещается в нижнюю часть формы и заливается металл, при этом происходит интенсивное охлаждение снизу. Вырастающий монокристалл приобретает форму лопатки.
Рис. 1.5. Внешний вид затравки
Известны следующие методы выращивания монокристалла из расплава: а) Стокбаргера; б) Чохральского; в) Вернейля; г) зонной плавки.
В методе Стокбаргера тигель с расплавом 1 перемещают вдоль печи 3 в вертикальном направлении со скоростью 1—20 мм/ч (рис. 1.6.), температура в плоскости диафрагмы 6 поддерживается равной температуре кристаллизации вещества.
Рис. 1.6. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Стокбаргера:
1 — тигель; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — холодильник; 5 — термопара; 6 — диафрагма.
Так как тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору остается лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней монокристалла. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных монокристаллов флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др.
В методе Чохральского монокристалл медленно вытягивается из расплава (рис. 1.7.).
Рис. 1.7. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Чохральского:
1 — тигель; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — холодильник; 5 — механизм вытягивания.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.