Введение

Создание в 1940-х гг. авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) послужило стимулом к разработке специальных жаропрочных сплавов для изготовления деталей горячего тракта ГТД. В СССР эти работы были развернуты в ВИАМ под руководством академика С.Т. Кишкина, что инициировало появление гетерофазной теории жаропрочности и показало ключевую роль упрочняющей γʹ-фазы на основе интерметаллида Ni₃Al, высокодисперсные частицы которой препятствуют движению дислокаций и тормозят сдвиговую деформацию [1, 2].

В 1950-х гг. в ВИАМ был разработан отечественный деформируемый никелевый жаропрочный сплав ЭИ437, а далее С.Т. Кишкиным продемонстрировано преимущество литейной технологии. Именно благодаря настойчивости ученого первые литейные жаропрочные сплавы были внедрены в изделиях Генерального конструктора, академика Н.Д. Кузнецова.

Исследования зарождения трещин по границам зерен в никелевых жаропрочных сплавах позволили С.Т. Кишкину обосновать необходимость формирования в изделиях ГТД направленных границ зерен, ориентированных параллельно оси главных напряжений. Первые образцы жаропрочного сплава ЖС6К с направленной структурой были получены сотрудниками ВИАМ Г.И. Соболевым и В.А. Чумаковым на ими же созданной экспериментальной установке с использованием медной водоохлаждаемой плиты. В 1970-х гг. в институте профессором Д.А. Петровым были начаты работы по получению образцов из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой (без границ зерен) с применением затравок с заданной кристаллографической ориентацией.

Материалы и методы направленной кристаллизации

В конце 1960-х – начале 1970-х гг. в ВИАМ с участием В.А. Чумакова были разработаны промышленная технология и оборудование для направленной кристаллизации лопаток ГТД, которые нашли применение при получении целого ряда изделий Генерального конструктора Н.Д. Кузнецова. Конструктивная особенность этих промышленных установок заключается в том, что рост направленной структуры в изделиях ГТД производился в процессе горизонтального перемещения керамической формы с расплавом металла в графитовой опоке в убывающем по высоте тепловом поле, что обеспечивало существенно более высокую производительность по сравнению с установками по методу Бриджмена, используемыми за рубежом (США, Англия) [3]. Хотя установки ПМП-2 и ПМП-4 (рис. 1) [3, 4] имеют высокую производительность, однако теплоотвод в них недостаточно эффективен из-за того, что литейный блок находится в опоке с наполнителем, что приводит к невысоким продольным температурным градиентам (G=10–20 °С/см) и формированию крупнодендритной структуры λ=400–500 мкм (рис. 2, а) с поверхностными ростовыми дефектами (frecкles). Лопатки, получаемые на установках типа ПМП (проходные методические печи), имеют структуру «случайно столбчатой» ориентации, которую оценивают по допустимым конструкторами эталонам (рис. 3, в).

Рис. 1. Схема проходной печи типа ПМП-2:

1 – опоки с литейными блоками; 2 – водоохлаждаемый холодильник; 3 – нагреватель зоны кристаллизации

Рис. 2. Макроструктуры, полученные в проходной печи типа ПМП-2 (а) и на плавильно-заливочной установке УВНК-9А (б)

Рис. 3. Сравнение макроструктур, получаемых на разных плавильно-заливочных установках:

а – направленная структура типа «веник» с крупными кристаллами; б – тонкостолбчатая направленная структура; в – направленная структура «случайно столбчатой» ориентации;
г – монокристаллическая структура с ориентацией ˂001˃

Внедрение процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД на установках ПМП-2 инициировало в середине 1970-х гг. проведение фундаментальных исследований по оценке влияния температурно-скоростных условий процесса направленной кристаллизации на структуру и свойства жаропрочных и разработку новых высокожаропрочных сплавов.

За рубежом изготовление лопаток ГТД базируется на методе Бриджмена–Стокбаргера [5–7] (High Rate Solidification – HRS). Внешний вид одной из промышленных установок и ее принципиальная схема представлены на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид (а) и схема работы (б) установки для получения лопаток ГТД с направленной структурой типа ISPDC/SC фирмы ALD:

1 – теплоизоляция; 2 – верхний нагреватель; 3 – нижний нагреватель; 4 – охлаждающее кольцо; 5 – экран; 6 – охлаждающая плита

Процесс заключается в том, что в зоне нагрева жаропрочный сплав в вакууме заливают в керамическую форму, установленную на плоском охлаждаемом медном кристаллизаторе, который затем вертикально перемещается в зону охлаждения с заданной скоростью, в результате чего создается перепад температур на фронте кристаллизации. Более интенсивный отвод тепла происходит в нижней части формы через медный кристаллизатор, верхняя же часть охлаждается за счет радиационного теплоотвода, излучением тепла с боковой поверхности формы к стенкам камеры. Радиационный теплоотвод приводит к невысоким скоростям охлаждения отливок, в результате чего формируется структура с крупными размерами как дендритных, так и фазовых составляющих. Расстояние между дендритами в структуре в этом случае составляет около 350–600 мкм, образуются значительная дендритная ликвация и объемная доля микропористости до ~0,8%. Температурный градиент в такого типа установках составляет ~20 °С/см. Данная технология не предусматривает использование затравок для формирования структуры: направленные зерна зарождаются непосредственно от медного кристаллизатора и имеют вид большого количества направленных зерен – структура типа «веник» (рис. 3, а).

Необходимость в более эффективном теплоотводе привела к созданию процесса направленной кристаллизации с жидкометаллическим охлаждением – метод Liquid Мetal Сooling (LМС) [8–10]. Основная особенность технологического процесса с использованием жидкометаллического охладителя заключается в том, что залитую расплавленным жаропрочным сплавом форму перемещают вертикально из печи нагрева в зону охлаждения в емкость с расплавом охлаждающего металла. В России для этого используют алюминий или олово. Использование жидкометаллического охладителя значительно повышает скорость теплоотвода: блок отливок охлаждается в ~(3–4) раза эффективнее, чем при охлаждении радиационным теплоотводом с поверхности формы.

Для проведения фундаментальных исследований процесса направленной кристаллизации в ВИАМ были спроектированы и изготовлены экспериментальные установки с применением различных методов охлаждения (УВНЭС-1, УВНЭС-2, УВНЭС-3, УВНЭС-4, ВИАМ-1790), в создании которых участвовали А.Г. Шалимов, Ю.А. Бондаренко и В.В. Герасимов. Проведенные исследования показали, что применение жидкометаллического охладителя обеспечивает более эффективный отвод тепла, увеличивает скорость охлаждения при формировании дендритно-ячеистой структуры в жаропрочных сплавах. Это дало возможность в начале 1980-х гг. создать новое промышленное оборудование – установки типа УВНК-8П с жидкометаллическим охладителем (расплав алюминия) для литья лопаток ГТД методом высокоскоростной [2, 3, 11] направленной кристаллизации (рис. 5). Принцип работы таких установок заключается в следующем. Литейные блоки на подвеске горизонтально помещают в камеру загрузки. После ее вакуумирования керамические формы перемещают в рабочую камеру печи по направляющим, затем соединяют с верхним штоком установки и размещают в печи подогрева на необходимой высоте относительно нижнего нагревателя. За разогревом форм до нужной температуры и сливом расплава следует их перемещение вертикально вниз с регулируемой скоростью в зону охлаждения – емкость с расплавом алюминия. По окончании погружения форм в жидкий алюминий нагреватели выключают, керамические формы поднимают вверх, а затем горизонтально перемещают в шлюзовую камеру. Данная технология нашла широкое применение при литье лопаток ГТД из промышленных жаропрочных сплавов, а установки типа УВНК-8П используют на большинстве предприятий АО «ОДК» при производстве лопаток для двигателей целого ряда изделий генеральных конструкторов А.М. Люльки, В.Я. Климова и других (рис. 5) [12, 13].
В этих установках температурный градиент на фронте кристаллизации составляет G=50–60 °С/см против 20 °С/см по технологии направленной кристаллизации на медном охлаждаемом кристаллизаторе (метод Бриджмена). Структура лопаток зарождается от монокристаллических затравок с ориентацией ˂001˃ и является монокристаллической (рис. 3, г).

Рис. 5. Общий вид (а) и схема работы (б) печи УВНК-8П для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем:

1 – корпус печи; 2 – ванна с жидкометаллическим охладителем; 3 – нагреватель; 4 – оболочковые формы; 5 – плавильная печь; 6 – подвеска с формами; 7 – механизм вертикального перемещения; 8 – вакуумный затвор; 9 – механизм горизонтального перемещения форм; 10 – шлюзовая камера

Последующие исследования, проведенные в ВИАМ Е.Н. Кабловым и Ю.А. Бондаренко с начала 1990-х гг., позволили разработать научные основы технологического процесса высокоградиентной направленной кристаллизации никелевых монокристаллических жаропрочных сплавов [9, 14, 15]. Суть процесса заключается в том, что направленная дендритная структура в сплавах формируется на фронте кристаллизации в жидко-твердой зоне в интервале температур между Т_S и Т_L, а протяженность смешанной зоны определяется значением температурного градиента на фронте роста. В ходе исследований разработана экспериментальная методика оценки значений температурного градиента с помощью термопар, установленных как внутри формы, так и на ее внешней стороне.

Результаты и обсуждение

Детальные исследования влияния температурно-скоростных условий направленного роста, а также способов направленной кристаллизации (рис. 6) на особенности формирования ориентированной дендритно-ячеистой структуры высокожаропрочных сплавов позволили установить, что при отводе тепла за счет только радиального охлаждения с внешней поверхности формы (величина жидко-твердой зоны достаточно велика – рис. 7, а) происходит формирование крупнодендритной структуры с развитыми осями дендритов (рис. 8, а, в). Это сопровождается дендритной ликвацией легирующих элементов относительно осей дендритов и межосного пространства. По мере роста дендритов в их основании при кристаллизации остатков расплава из-за разности объемов жидкой и твердой фаз образуются дендритные поры. При невысоком температурном градиенте на поверхности отливки также может формироваться «струйчатая полосчатость» в виде цепочек равноосных зерен (freckles), ориентированных в направлении кристаллизации, состоящих из избыточных выделений эвтектических фаз жаропрочных сплавов [3].

Рис. 6. Направленная кристаллизация лопаток ГТД (схема) традиционным методом Бриджмена (а) и с жидкометаллическим охладителем (б):

1 – нагреватель; 2 – керамическая форма; 3 – жидкий расплав; 4 – фронт кристаллизации;
5 – твердый сплав; 6 – кристаллизатор; 7 – охладитель из легкоплавкого металла; →,  – – →  – подвод и отвод тепла соответственно

При формировании направленной структуры с использованием охладителя из легкоплавкого металла в условиях конвективного охлаждения поверхность детали охлаждается в 3–4 раза эффективнее, что обеспечивает уменьшение высоты жидко-твердой зоны на фронте роста (рис. 7, б) и в жаропрочном сплаве кристаллизуется структура с меньшими по размеру дендритами (рис. 8, б, г), меньшей микропористостью и дендритной ликвацией [10, 15, 16]. Эти главные результаты нашли свое подтверждение в работах, выполненных в ВИАМ по контрактам с зарубежными исследователями на их сплавах Rene N5, CMSX-4 и GTD-111 с направленной структурой [17], при создании оборудования для получения крупногабаритных лопаток энергетических турбин. По заключению специалистов фирмы General Electric (США), высокоградиентная технология, разработанная в ВИАМ, в 30 раз эффективнее технологии, применяемой в промышленности США.

Рис. 7. Схема роста дендритной структуры при разных температурных градиентах (Т_S и Т_L – температуры солидус и ликвидус соответственно):

а – G=30 °С/см; б – G=200 °С/см

Рис. 8. Характер структуры (а, б – поперечная; в, г – продольная) жаропрочного сплава, формирующейся при температурных градиентах 30 (а, в) и 200 °С/см (б, г)

Экспериментально были установлены главные факторы, влияющие на реализацию высокоградиентного процесса: высокая температура в расплаве перед фронтом кристаллизации, максимальный теплоотвод ниже фронта роста, минимальная температура расплава охладителя, использование эффективных тепловых экранов между нагревателем и охладителем, минимальное расстояние между нагревателями и охладителем, применение керамической формы с хорошей теплопроводностью [10].

Результаты исследований позволили модернизировать существующие установки, а также создать промышленные образцы высокоградиентных установок УВНС-5 и УВНС-6 [18], которые могут быть использованы для литья лопаток из более жаропрочных сплавов на основе эвтектических композитов, в том числе на основе никеля и системы Nb–Si. Показано, что сплавы системы Nb–Si по уровню жаропрочности при температуре 1200 °С в 2 раза превосходят традиционные никелевые жаропрочные сплавы с монокристаллической структурой [9, 10, 19].

	Технические характеристики установки УВНК-9А:
	Потребляемая мощность, кВт	250
	Рабочая среда: вакуум, Па (мм рт. ст.)	0,65 (5·10-3)
	Масса металла в тигле, кг	10–15
	Температура металла в тигле, °С	1700
	Температура в печи подогрева формы, °С	1650
	Емкость кристаллизатора с жидким алюминием, кг	80
	Температура жидкометаллического охладителя, °С	750–800
	Скорость вертикального перемещения, мм/мин	0,1–10; 1,4–170
	Размеры формы, мм	130×260×350
	Максимальный температурный градиент, °С/см	60–80
	Производительность, лопатки/сут (блок 6 лопаток)	До 144
	Занимаемая площадь, м2	48

Рис. 9. Установка УВНК-9А

С 1998 г. осуществлена модернизация установки УВНК-8П, связанная с разработкой автоматизированной системы управления на базе промышленного компьютера. Компьютерная система управления обеспечивала проведение технологического процесса по заданной программе, осуществляя контроль главных технологических параметров – температуры, скорости кристаллизации, а также отображение в реальном масштабе времени технических данных о работе установки. На экране дисплея компьютера, а также на жестком диске фиксируются основные параметры процесса: мощность нагревателей, вакуум в плавильно-кристаллизационной камере, температура расплава в тигле, изменения температуры в зонах печи, температура в ванне с расплавом охладителя, скорость перемещения блока форм при их кристаллизации [20–22]. Плавильно-заливочные установки УВНК-9А (рис. 9) используются как в России (АО «КМПО», ПАО «ОДК-Сатурн», ПАО «ОДК-УМПО», ПАО «Кузнецов»), так и за рубежом – АО «Мотор Сич» (Украина), HAL (Индия).

Заключения

В 2019 г. в соответствии с техническим заданием ПАО «ОДК-Сатурн» изготовлены и поставлены пять установок УВНК-11 (рис. 10), которые имеют следующие отличительные особенности по отношению к установке УВНК-9А.

1. Печь подогрева форм (ППФ) имеет длину на 300 мм больше, что увеличивает количество заливаемых отливок за плавку и тем самым повышает производительность установки на 30%. Размеры внутреннего пространства ППФ позволяют одновременно заливать до трех форм.

2. Электропитание и управление верхних нагревателей ППФ разделены. Каждый нагреватель имеет свои трансформатор и систему регулирования нагревом, что повышает точность поддержания температуры в ППФ независимо от изменения электрических характеристик композитных нагревателей в процессе работы.

3. Кристаллизатор установлен на тележке, под которой находится охлаждаемый медный подъемный стол, поднимающийся до контакта с кристаллизатором в нужный момент времени для отвода тепла от него. Подъем осуществляется автоматически по показаниям термопар жидкометаллического кристаллизатора при достижении критической температуры алюминия (критическая температура задается в системе управления). Это позволяет уменьшить время расплавления алюминия при первой плавке с холодной ППФ и обеспечить поддержание заданной температуры кристаллизатора – тем самым косвенно управлять величиной температурного градиента.

4. Увеличенная мощность тиристорного преобразователя частоты до 250 кВт и конструкция установки дают возможность в перспективе использовать тигель большей емкости (до 25 кг).

	Технические характеристики установки УВНК-11:
	Максимальная потребляемая мощность, кВт	430
	Рабочая среда при плавке: вакуум, Па (мм рт. ст.) (не более)	0,65 (5·10-3)
	Масса металла в тигле, кг (не более)	15
	Максимальная температура металла в тигле, °С	1750
	Максимальная температура в печи подогрева форм, °С	1750
	Размер рабочего пространства печи подогрева форм, мм	788×180×480
	Скорость вертикального перемещения форм:
	– рабочий ход, мм/мин	От 0,45 до 170
	– маршевая, мм/мин (не более)	250
	Температура кристаллизатора, °С	От 690 до 750
	Масса алюминия в кристаллизаторе, кг	200+5
	Производительность печи, шт. плавок/сут	До 4
	Количество охлаждающей воды, м3/ч	От 12 до 18
	Занимаемая площадь, м2 (не более)	42
	Масса печи общая, кг (не более)	15000

Рис. 10. Установка УВНК-11

На установках УВНК-11 отливают лопатки как с монокристаллической структурой (рис. 3, г) с использованием монокристаллических затравок [001] цилиндрической формы из сплава системы Ni–W размером ø8×5 мм, так и с направленной тонкостолбчатой структурой (рис. 3, б),формируемой от затравок прямоугольной формы из сплава системы Ni–W размером 30×15×4 мм (неориентированная КГО – не менее 5 зерен с
разориентацией не более 13 градусов).

В настоящее время на таких установках отливают: рабочие лопатки двигателя НК-32 серии Е из сплава ЖС6Ф-ВИ; рабочие лопатки двигателя Д18 из сплава ЖС26-ВИ; опытные партии рабочих лопаток двигателей SAM и Leap.