Способ получения монокристаллов никельсодержащего сплава с дендритной структурой

Способ получения монокристаллов никельсодержащего сплава с дендритной структурой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: металлургия монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Сущность изобретения: кристаллы выращивают направленной кристаллизацией расплава в тигле в градиенте температуры в направлении, составляющем угол 20-30° с направлением 100 границу раздела фаз кристалл-расплав создают с углом наклона ее нормали к направлению кристаллизации не менее 30°. 4 табл. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ы)5 С 30 В 11/02, 29/52

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4904347/26 (22) 22.01.91 (46) 07.05.93. Бюл. hb 17 (71) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР (72) Г.H.Ïàíêèí, В,В.Пойомарев и В.О.Есин (56) Агапова Е,В., Панкин Г.Н., Пономарев

В. В „Ларионов В.Н., Денисов А.Я, Субструктура никелевого сплава при направленной кристаллизации // Изв. АН СССР, Металлы — 1989, % 2, с.104.

Барышев Е.Е., Костина Т.К., Ларионов

В.Е. Зуев Г.И. Зависимость микроструктуры и свойств никелевого сплава от условий плавки // Литейное производство-1985, М

7, с.10.

Petrov D.À., Tumanov А.T. The use of

single Crystal Blades // Aircraft

Yngeneerlng, 1973, ЬЬ 9, с.2-5, Изобретение относится к металлургии монокристаллов и может использоваться при оптимизации технологии получения монокристаллических изделий из жаропрочных сплавов на основе никеля.

Цель изобретения — повышение однородности и совершенства структуры монокристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем направленную кристаллизацию со скоростями и температурными градиентами, обеспечивающими формирование дендритной структуры монокристаллов никелевого сплава, межфазную поверхность формируют асимметричной с углом наклона ее нормали к . направлению выращивания > 30 и обеспечивают, например, с помощью затравки, „„Я3 „„1813818 А1 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩЕГО СПЛАВА С ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРОЙ (57) Использование: металлургия монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов.

Сущность изобретения: кристаллы выращивают направленной кристаллизацией расплава в тигле в градиенте температуры в направлении, составляющем угол 20 — 30 с направлением <100> границу раздела фаэ кристалл — расплав создают с углом наклона ее нормали к направлению кристаллизации не менее 30 . 4 табл. 1 ил. такую ориентацию монокристалла, чтобы кристаллографическое направление <100> составляло с нормалью к межфаэной поверхности угол 0 — 100.

Предлагаемый способ основан на следующих физических закономерностях формирования структуры дендритных монокристаллов никелевых сплавов при направленной кристаллизации. Структура получающихся образцов формируется де-. ндритным ансамблем, развивающимся из одного центра или затравки. Наряду с основными стволами (первого порядка) хорошо развиваются ветви 2-ro и 3-го порядков. (1). Развитие первичных стволов и ветвей выСших порядков происходит в кристаллографических направлениях типа <100>, 1813818

Суть способа заключается в целенаправленной трансформации осесимметричной межфазной поверхности в асимметричную, наклоненну о под некоторым углом r, направлению выращивания в сочетании с оптимальной ориентацией монокристалла в направлении выращивания.

Vrouw наклона /3 между направлением выращивания и нормалью к межфазной поверхности должен быть больше или равен

30 С. В этом случае, при условии, что угол между нормалью к межфазной поверхности и кристаллографич;c YAM направлением типа 100 (rr) достаточно мал (и = 10") удается добиться однородного строения дендри ного ансамбля. характеризующегося постоянством дендритного параметра (расстояние между первичными стволами) по диаметру монокристаллов. Отметим, что у полученных при таких условиях монокристаллов. значительно снижается количество

"паразитных" зерен, образующихся вследствие флуктуационно возникающих отдельных независимых центров кристаллизации.

При P < 30 проявление эффекта значительно ослабевает.

В предлагаемом способе угол наклона межфаэной поверхности и кристаллографическая ориентация ее нормали оказывает существенное воздействие на развитие субструктуры в монокристалла", никелевого сплава с дендритным строением. При выполнении условия /7 = 30 в сочетании с

ri 10" крупных блоков субструктуры, разделеннHõ малоугловыми границами срастания (один из главных дефектов структуры дендритHHx монокрисгаллов никелевых сплавов, выращенных при осесимметричной межфазной поверхности), не образуется. Уменьшается также количество фрагментов(набольших участков кристалла, отделяемых от матрицы малоугловыми границами 1 — 3 ) и yron максимальной разориен ации монокристалла.

Из вышеизложенного ясен механизм формирования структуросовершенных монокристаллов с дендригным строением при наклонной межфазной поверхности в предлагаемом техническом решении. Известно, что совершенство таких монокристаллов определяется устоичивосгью дендритного ансамбля к образованию отдельных независимых (но ориентации) зерен, к флуктуационному нарушению профиля фронта кристаллизации, к неравновесному захвату вакансий и пр.

Пример осущег;гвления способа.

Выращивали монокристаллы с дендритным строением высоколегированного спла5

55 ва на никелевой основе типа MAP-M200, содержащего вольфрам, хром, алюминий молибден, титан. кобальт, углерод, ванадий, ниобий (суммарное количество легирующих элементов не превышало 40 мас, ) и бинарный сплав Nl — 27 W. Öëÿ каждого сплава проводили по 2 серии экспериментов — с осесимметричной межфазной поверхностью и с наклонной. При выращивании использовали универсальную высокотемпературную установку для направленной кристаллизации конструкции Института кристаллографии АН СССР. Подбирали условия выращивания, обеспечивающие стабиллное развитие дендритного ансамбля для монокристаллов обоих сплавов. Для высоколегированного сплава тигель с расплавом выводили из зоны нагрева со скоростью

1,4 мм/мин, для бинарного 10 мм/мин. Диаметр образцов 9,5 мм, длина 80 мм.

Асимметричную межфазную поверхность формировали путем асимметричного расположения тигля в концентрическом нагревателе. Наклон межфазной поверхности определяли путем металлографического анализа образцов, полученных в специальных экспериментах с остановкой движения тигля и быстрым охлаждением после затвердевания половины образца. Кристал ографичес кую ориентацию нормали к межфазной поверхности определяли с помощью рентгенографического метода обратной сьемки (по Лауэ) в сочетании с металлографическими исследованиями, Субструтуру монокристаллов исследовали методом рентгеновской топографии (метод углового сканирования), разработанным в

ИФМ УрО АН СССР.

На чертеже приводятся рентгеновские дифракционные топограммы поперечных сечений монокристаллов бинарного сплава

Nl 27Я,W. полученных при симметричной (а) и асимметричной (б) межфазных поверхностях, На топограммах наблюдается картина зкстинционного контраста, типичная для монокристаллов с дендритным строением.

На топограмме (а) видны крупные макроблоки, разделенные малоугловыми границами (белые области), просматривается разориентация отдельных участков внутри макроблоков, Топограмма (б) указывает на высокое совершенство дендритного монокристалла — малоугловые границы развиты очень слабо, видны отдельные дендритные стволы.

Результаты экспериментов представлены в табл. l-4, в которых приведены основные параметры, характеризующие сгруктурное совершенство получавшихся

1813818 образцов и даны примечания об особенностях их структуры, В таблицах используются обозначения; 01 — угол максимальной разориентации монокристалла, 6 — средний угол разориентации соседних блоков, d1/dz — отношение средних значений дендритного параметра, соответствующих периферийной и центральной областям монокристалла (в поперечном сечении) Р и о (см. выше).

При сопоставлении таблицы 1 с таблицей 2 10 и таблицы 3 с таблицей 4 видно, что для обоих сплавов монокристаллы, выращенные с асимметричной межфазной поверхностью, по степени структурного совершенства существенно превосходят

Таблица 1

Основные характеристики структурного совершенс:ва монокристаллов, выращенных с осесимметричной межфаэной поверхностью. Высоколегированный сплав на основе никеля

d>/б2

Примечания

1О40

Наличие фрагментов с разориентацией

1-3

1,5

3,5

50о

1,4

Наличие фрагментов, зерна в конце образца

Наличие фрагментов, отдельные зерна на боковой поверхности

2,50

45о

1,3

2 5а

1,3

Наличие фрагментов с раэориентацией до 5О образцы, полученные при осесимметричной межфазной поверхности при условии, что угол P 30 и при этом, угол o 10о. Видно также, что наряду с повышением степени структурного совершенства по параметрам

91, Щ, d и нормалью к межфазной поверхности.

Таким образом, предлагаемый способ за счет использования наклонной межфазной поверхности и оптимальной ориентации выращиваемого монокристалла обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: повышает радиальную однородность дендритных монокристаллов никелевых сплавов, повышает степень структурного совершенства дендритных монокристаллов эа счет подавления развития субструктурных составляющих, повышает устойчивость рас5 тущего монокристалла к образованию "паразитных" зерен и фрагментации, повышает выход годных монокристаллов (ориентировочно с 60 до 90 ).

Формула изобретения

Способ получения монокристаллов никельсодержащего сплава с дендритной структурой путем направленной кристаллизации расплава в тигле при наличии градиента температуры на границе раздела фаэ кристалл — расплав, отличающийся тем, что, с целью повышения однородности и совершенства структуры монокристаллов, кристаллизацию ведут на ориентированную затравку в направлении, составляющем угол 20 — 30 с направлением <100>, а границу раздела фаз создают с углом наклона ее нормали к направлению кристаллизации не менее 30 .

1813818

Таблица 2

Примечания д1И2

1,2

Фрагменты отсутствуют

1,0

Фрагменты отсутствуют

Фрагменты отсутствуют

201

Наличие фрагментов в конце образца с разориентацией 1-2

1,2

Фрагменты с малой разориентацией (1 ) Фрагменты с малой разориен-. тацией

1,3

Фрагменты отсутствуют

1,3

1,2

Фрагменты с малой разориентацией

1,3

Наличие фрагментов с разориентацией 1 -3 в начальной части образцов

Фрагменты с разориентацией

1 30

Таблица 3

Основные характеристики структурного совершенства монокристаллов, выращенных с осесимметричной межфазной поверхностью. Бинарный сплав на основе никеля

Основные характеристики структурного совершенства монокристаллов, выращенных с асимметричной межфазной поверхностью. Высоколегированный сплав на основе никеля

1813818

Таблица 4

Основные характеристики структурного совепшенствэ монокригталлов, оч агпе ных с асимметричной межфазной поверхностье, Бинарный сплав на основе никг ля азори

Составитель Г.Панкин

Техред М,Моргентал

Корректор Л.Линринц

Редактор

Заказ 1814 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагаоина, 101