Получение монокристаллических отливок с заданной аксиальной и азимутальной ориентациями

Введение

Целью работы является практическое решение проблемы получения отливок турбинных лопаток с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации (КГО) – аксиальной [001] и азимутальной [100]. Получение монокристаллических отливок заданной аксиальной и азимутальной КГО возможно осуществить только с применением затравочной технологии литья [1–4]. Зарубежная технология, основанная на методе отбора одного кристалла из множества кристаллов, такой возможности не дает.

Кристаллографическая ориентация монокристаллической отливки турбинной лопатки означает, что вертикальная ось (ось Z) отливки должна с определенной точностью соответствовать кристаллографическому направлению [hkl]. В частности, кристаллографическое направление [001] должно образовывать с вертикальной (продольной) осью отливки лопатки угол <10 градусов. Это условие называется заданной аксиальной кристаллографической ориентацией [001]. Для никелевых жаропрочных сплавов, являющихся материалом для турбинных лопаток современных авиационных двигателей, существует ориентационная зависимость прочностных и упругих свойств [5, 6].

Если кристаллографическая ориентация отливки связана не только с аксиальной, но и с азимутальной ориентацией, т. е. с ориентацией относительно оси, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси Z, то такая структура монокристалла (и отливка) называется дважды кристаллографически ориентированной. За счет азимутальной ориентации можно получить преимущества в термостойкости для охлаждаемых турбинных лопаток. В работах [7, 8] приведены данные по влиянию азимутальной ориентации на термостойкость монокристаллических образцов, имитирующих перо охлаждаемой лопатки. Показано, что наименее термонапряженное состояние реализуется тогда, когда одно из направлений [001] расположено по нормали к поверхности пера лопатки.

Максимальное преимущество в термостойкости лопатки c КГО [001] можно получить в случае ориентации области с максимальным термическим напряжением в кристаллографическом направлении [100] – направлении, имеющем минимальный модуль упругости. Для получения дважды ориентированной отливки лопатки методом направленной кристаллизации, на затравку [001] необходимо нанести разметку, соответствующую азимутальному направлению [100], и установить затравку в литейную форму в нужном положении [9].

Материалы и методы

Материалом для затравочных кристаллов (затравок) является сплав системы Ni–W с содержанием вольфрама от 24 до 30 % (по массе), допускается содержание углерода до 0,08 % (по массе) для повышения технологичности процесса направленной кристаллизации при получении затравочных заготовок.

Метод двойного ориентирования монокристаллических отливок турбинных лопаток в аксиальном и азимутальном направлениях заключается в совмещении с определенной точностью вертикальной (аксиальной) оси Z отливки с направлением [001], а в плоскости, перпендикулярной оси Z отливки (азимутальной), – в совмещении КГО [100] с заданным геометрическим направлением лопатки, для которого наблюдается максимальный уровень термических напряжений. Двойное ориентирование дает преимущество в термостойкости охлаждаемых лопаток с КГО [001], в других ориентациях преимущества прочностных характеристик практически не наблюдается. В работе [10] подробно описано преимущество в уровнях термических напряжений в зависти от аксиальной ориентации турбинной лопатки.

Для получения монокристаллической отливки турбинной лопатки с дважды ориентированной структурой <001> необходимо, прежде всего, использовать затравку с аксиальной кристаллографической ориентацией [001]. Для задания азимутальной ориентации монокристаллической отливки на рабочий торец затравки КГО [001] требуется нанести разметку (риску), параллельную направлению [100]. На керамическую литейную форму для отливки лопаток в области затравочного кармана требуется также нанести риску, соответствующую положению КГО [100] для лопатки в литейном блоке.

При установке затравки в затравочную полость литейной формы необходимо совместить риску на затравке с риской на форме, т. е. установить затравку в затравочной полости рабочим торцом перпендикулярно оси Z отливки и задать азимутальную ориентацию отливке лопатки поворотом затравки до совмещения риски с заданным геометрическим направлением [100] на затравке с риской на литейной форме лопатки. Далее зафиксировать затравку в форме, а значит, задать направление КГО [100] для отливки, и проводить плавку [11].

Технологический процесс определения и разметки азимутальной ориентации [100] на монокристаллических затравках КГО [001] осуществляется металлографическим или рентгеноструктурным методами:

– металлографическая методика определения направления [100] на рабочей поверхности затравки по следам травления, выявляющего дендритно-ячеистую структуру монокристалла системы Ni–W, соответствующую кристаллографическому направлению <001>;

– дифрактометрическая методика определения направления [100] на рабочей поверхности затравки по следам плоскостей {420}, выведенным в отражающее положение.

Разметка монокристаллической затравки КГО [001] проводится путем нанесения на рабочий торец затравки линии (риски), параллельной определяемому азимутальному направлению [100].

Определение азимутальной ориентации [100]

металлографическим методом

Определение азимутальной ориентации на затравке с аксиальной ориентацией [001] по фигурам травления, выявляющим дендритную структуру (металлографический метод), основано на том, что дендритные ветви в металлах (в том числе и в никеле) с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой развиваются вдоль направлений <001>, выстраиваясь параллельными рядами вдоль плоскостей {001} с отклонением до ~3 градусов, декорируя тем самым пространственное расположение плоскостей {420} и направлений <001>.

На рис. 1 показана затравка и схематически морфология структур дендритных осей первого порядка, выявленных на протравленных рабочих (базовых) поверхностях затравок [001], которые возникают при направленной кристаллизации сплава системы Ni–W. Структура затравок (рис. 1, а) формируется при макроскопически плоском фронте роста, структуры (рис. 1, б, в) – при вогнутом в сторону твердой фазы фронте роста [12]. Фигуры травления выявляют на поверхностях затравок травлением в смеси HF + HNO₃ + H₂O.

На рис. 1, а направление роста дендритов и температурный градиент на фронте роста совпадают с нормалью к базовой поверхности затравки, структура затравки формируется осями дендритов первого порядка одного направления <001>, образующего минимальный угол c осью теплоотвода. В этом случае риску, соответствующую направлению [100], следует проводить параллельно дендритному ряду осей первого порядка.

В случае роста осей первого порядка вдоль двух (рис. 1, б) или четырех (рис. 1, в) направлений <001>, риску, соответствующую направлениям [100] или [010], ставят вдоль дендритного ряда ветвей КГО <001>, растущих от одной оси первого порядка.

Рис. 1. Характерная морфология дендритных ветвей затравок с ориентацией [001]

В модельной пресс-форме, формирующей затравочную полость в модельном блоке литейной формы, выполняется риска, соответствующая требуемому направлению [100] в азимутальной плоскости, которая в процессе изготовления формы переносится на керамику затравочной полости.

Затравку устанавливают в затравочную полость готовой литейной формы, размеченной поверхностью вверх, с помощью пинцета разворачивают затравку вокруг нормали к ее поверхности на требуемый угол до совмещения риски на затравке с риской на форме и фиксируют подмазкой из микропорошков электрокорунда со связующим – гидролизованным раствором этилсиликата-40.

Определение азимутальной ориентации рентгеноструктурным методом

Определение азимутальной ориентации проводится путем фиксации следов плоскостей {420} на рабочем торце затравки. С целью повышения точности измерений для разметки используются отражения не от ближайших к плоскости (001) плоскостей ,  с угловым расстоянием 26,5 градуса от КГО <001>, а от плоскостей   с угловым расстоянием 63,5 градуса от КГО <001>.

При точной аксиальной ориентации торца затравки (α₀₀₁ = 0 градусов) линия пересечения плоскостей (402), с плоскостью (001) (следы этих плоскостей) совпадают с направлением [010], а плоскостей (042),  – с направлением [100].

Рентгеновская съемка проводится на дифрактометрах типа ДРОН-3 с использованием гониометрической приставки ГП-2 по методике, близкой к методике разметки заготовки для ориентированной вырезки затравок [13–15].

На рис. 2 представлена схема кристаллографических плоскостей, от которых проводится съемка приопределении азимутальной ориентации рентгеноструктурным методом.

Счетчик дифрактометра устанавливается в положение 2θ₂₄₀, которое для чистого никеля в излучении Cu K_α1 равно 2×78°03ʹ = 156°06ʹ. Поскольку легирование вольфрамом увеличивает параметры решетки никеля, то необходимо проводить корректировку угла θ на конкретный состав сплава затравки.

Затравка устанавливается в держатель приставки ГП-2. Съемку проводят при быстром вращении вокруг нормали к плоскости рабочего торца (скорость вращения – от 60 до 66 об/мин). Диапазон углов поворота вокруг главной оси гониометра при раскрепленном лимбе образца и счетчика (образец вращается вокруг оси гониометра, счетчик закреплен в положении 2θ₂₄₀) составляет:

α₂₄₀ = β – θ₂₄₀ = ±(55÷70) градусов,

где β – текущие показатели шкалы образца гониометра.

Рис. 2. Кристаллографические плоскости, от которых проводится съемка при определении азимутальной ориентации рентгеноструктурным методом

Указанный диапазон углов съемки α₂₄₀ выбран с учетом максимального отклонения аксиальной ориентации затравки от КГО [001] (α₀₀₁ – не более 5 градусов). Затравки с бόльшим отклонением бракуются на ранних стадиях контроля.

Знаки «±» соответствуют симметричным рефлексам {420}, полученным при повороте образца вокруг оси гониометра по часовой или против часовой стрелки. Для сокращения времени при съемке допускается пользоваться только положительным или только отрицательным диапазоном углов поворота образца.

В указанном диапазоне определяют и фиксируют углы, соответствующие максимумам отражений от плоскостей {420}. Всего на затравке в этом интервале углов (при условии α₀₀₁ ≤ 5 градусов) может быть от одного до четырех таких рефлексов.

Образец (затравка), развернутый вокруг оси гониометра на угол α₁, соответствующий максимуму первого рефлекса, медленно поворачивается в приставке ГП-2 вокруг нормали к его поверхности со скоростью 0,1 об/мин и повторно выходит в положение максимальной интенсивности рефлекса. Это положение соответствует случаю, когда плоскость {420} становится параллельной главной (вертикальной) оси гониометра. Тогда линия пересечения плоскости {420} с плоскостью торца затравки (след) совпадает с этой осью, т. е. становится строго вертикальной. Найденное положение следует зафиксировать на рабочем торце затравки риской. Такие же операции проводятся со всеми выявленными рефлексами в вышеуказанном диапазоне углов α₂₄₀.

Разметка монокристаллической затравки КГО [001]

Разметка затравки КГО [001] рентгеноструктурным методом (как и разметка по следам травления) проводится путем нанесения на рабочий торец затравки линии (риски), параллельной направлениям [100] или [010], лежащим в плоскости (001).

При аксиальной ориентации затравки 0 градусов от КГО [001] и съемке при быстром вращении, отражения от плоскости {420} на «кривой качания» – графике дифрактометрического определения кристаллографической ориентации – соединяются в один пик с углом α₂₄₀, равным 63,5 градуса (рис. 3, а). На торце затравки в этом случае будут наблюдаться два взаимно перпендикулярных следа: от плоскостей (042),  – след параллелен направлению [100], от плоскостей (402),  – след параллелен направлению [010] (рис. 3, б).

Рис. 3. Аксиальная ориентация затравки с отклонением 0 градусов от КГО [001]: отражения (а), следы от плоскостей (б)

При аксиальной ориентации затравки 0 градусов от КГО [001], допускается использовать только одно отражение от любой из четырех плоскостей {420} ‒ например, от (402).

Для разметки азимутальной ориентации достаточно определить один след на торце затравки и провести риску, параллельную ему. В данном случае можно использовать любой из двух следов от плоскости {420} на торце затравки. При отклонении аксиальной ориентации затравки от ориентации [001] возникают отклонения следов плоскости {420}от направления <100>.

На рис. 4 показано появление неточности азимутальной ориентации при отклонении аксиальной ориентации на 5 градусов в направлении от КГО [001] к КГО [011] стереографического треугольника. При быстром вращении образца на рентгенограмме возникают три максимума: первый – слившийся максимум от плоскостей (402) и , второй и третий – от плоскостей (042) и  под углами соответственно 61,7; 58,5 и 68,5 градусов.

Рис. 4. Азимутальная ориентация затравки при β = 0 и отклонении аксиальной ориентации на 5 градусов в направлении от КГО [001] к КГО [011]: отражения (а), следы от плоскостей (б)

Определение азимутальной ориентации с минимальной погрешностью следует проводить на рефлексе с наименьшим отклонением по абсолютной величине Δ = α₄₂₀° – 63,5°, т. е. 63,5° – 61,7° = 2,8 градуса от следа плоскости (402).

На рис. 5 показана азимутальная ориентация затравки при отклонении аксиальной ориентации на 5 градусов в направлении от КГО [001] к КГО  (бόльшая сторона стандартного стереографического треугольника). В этом случае возникает погрешность в определении азимутальной ориентации, равная 3,5 градуса для всех следов от плоскостей {420} на рабочем торце затравок КГО [001]. Ни одно из направлений <100> не остается в плоскости рабочего торца затравки, однако погрешность азимутальной ориентации меньше, чем отклонение аксиальной ориентации (3,5 градуса, а не 5 градусов).

Рис. 5. Азимутальная ориентация затравки при β = 45 градусов и отклонении аксиальной ориентации на 5 градусов в направлении от КГО [001] к КГО : отражения (а), следы от плоскостей (б)

Рис. 6. Азимутальная ориентация затравки при β = 15–30 градусов и отклонении аксиальной ориентации на 5 градусов в произвольном направлении от КГО [001]: отражения (а), следы от плоскостей (б)

На рис. 6 показано появление погрешности в определении азимутальной ориентации при отклонении аксиальной ориентации на 5 градусов в произвольном направлении от КГО [001]. При съемке с быстрым вращением образца вокруг его нормали в обоих случаях возникают четыре рефлекса при углах α₁, α₂, α₃, α₄. Для определения азимутальной ориентации с минимальной погрешностью выбирают тот рефлекс, у которого величина Δ = ǀ63,5° – α_nǀ наименьшая по абсолютной величине по сравнению с остальными тремя. Далее при медленном вращении вокруг нормали к образцу определяют максимум интенсивности данного рефлекса и наносят на рабочий торец затравки риску КГО <100>.

В таблице представлены значения углов между α₂₄₀ и нормалью к рабочей поверхности затравки в зависимости от величины и ориентации отклонения аксиальной ориентации затравки от направления [001] (последнее приведено в полярных координатах, где α – угол между нормалью к торцу затравки и КГО [001], β – направление отклонения нормали от КГО [001]) (рис. 7).

Величины углов <α₂₄₀> в зависимости от величины и ориентации отклонения

аксиальной ориентации затравки от направления [001]

Аксиальная ориентация затравки, градус		Углы между направлениями <420> и нормалью к торцу затравки, градус
α001	β001	[402]	Δ	[042]	Δ		Δ		Δ
0	0–45	63,5	0	63,5	0	63,5	0	63,5	0
5	0	58,5	5,0	63,7	0,2	68,5	5,0	63,7	0,2
5	15	58,8	4,7	62,4	1,1	68,4	4,9	65,0	1,5
5	30	59,3	4,2	61,2	2,3	68,0	4,5	66,2	2,7
5	45	60,1	3,3	60,1	3,3	67,2	3,3	67,2	3,3

Рис. 7. Кристаллографическая ориентация затравки в стереографическом треугольнике, где α – угол между нормалью к торцу затравки и КГО [001] – от 0 до 54°44′; β – направление отклонения нормали от КГО [001] – от 0 до 45 градусов

В таблице подчеркнутым шрифтом отмечены рефлексы {420}, по следам которых размечается азимутальная ориентация <100>. Разность Δ = |63,5° – α_n| данных рефлексов наименьшая по абсолютной величине по сравнению с остальными тремя отражениями от совокупности плоскостей {420}.

Разметка затравок для получения

дважды ориентированной структуры отливки

Для получения дважды ориентированной структуры с ориентацией [001], на базовой поверхности монокристаллических затравок (α₀₀₁ – не более 5 градусов), признанных годными, под бинокулярным микроскопом по рельефным признакам осей дендритов КГО [001] отмечено маркером в виде риски направление [100], как показано на рис. 8.

Рис. 8. Затравки с указанным направлением КГО [100]

Контроль КГО партии затравок, полученных из одной затравочной заготовки методом ориентированной вырезки, проводят на одной затравке из партии рентгеноструктурным методом. Годными по аксиальной ориентации считаются затравки с отклонением от заданной ориентации α_hkl менее 5 градусов.Годными по азимутальной ориентации считаются затравки с отклонением от заданной ориентации α₁₀₀ менее 5 градусов.

Результаты и обсуждение

Для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток с дважды ориентированной структурой <001> использовали затравки с аксиальной кристаллографической ориентацией [001] и разметкой азимутальной ориентации в виде риски, параллельной направлению [100] на рабочем торце затравки КГО [001]. В пресс-форме для изготовления выплавляемой модели отливки турбинной лопатки в области, формирующей затравочную полость, нанесена риска, соответствующая положению КГО [100] для лопатки.

При установке затравки в затравочную полость литейной формы для каждой лопатки в блоке совместили риску на затравке с риской на форме, т. е. установили затравку в затравочной полости рабочим торцом перпендикулярно оси Z отливки и задали азимутальную ориентацию отливке лопатки поворотом затравки до совмещения риски с заданным геометрическим направлением [100] на затравке с риской на литейной форме лопатки. Далее зафиксировали затравку в форме керамической массой и провели плавку на установке для направленной кристаллизации. В результате отлита лопатка с двойным ориентированием, фрагменты которой представлены на рис. 9.

Рис. 9. Фрагменты пера монокристаллической лопатки КГО [100], полученной методом двойного ориентирования и затравочного кармана керамической формы с риской для установки дважды ориентированной затравки

Заключения

Представлены способы определения азимутальной ориентации и разметки монокристаллических затравок КГО [001], полученные из сплава системы Ni–W. .

Применение затравок с заданной аксиальной и азимутальной КГО позволяет получать монокристаллические отливки турбинных лопаток из никелевых жаропрочных сплавов с заданной пространственной кристаллографической ориентацией <001>.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.