КЕРАМИЧЕСКАЯ ФОРМА

Полезная модель относится к литейному производству и может быть использовано для литья преимущественно крупногабаритных деталей из жаропрочных сплавов с направленной, монокристаллической и равноосной структурой, например лопаток ГТД и ГТУ.
Известно, что для сохранения целостности керамической формы в процессе литья по выплавляемым моделям крупногабаритных деталей при температурах выше 1500°С возникает необходимость в увеличении толщины стенок керамической формы, что повышает ее конструкционную прочность. Однако увеличение толщины стенок керамической формы приводит к возрастанию трудоемкости ее изготовления, увеличенному расходу материалов и часто не достигается положительного эффекта, исключающего образование трещин и деформацию керамической формы. Наряду с этим, снижается эффективность теплопередачи через стенку керамической формы.
Известна литейная керамической форма, обладающая пониженной деформацией в процессе литья деталей, состоящая из внутреннего, наружного и промежуточного упрочняющего слоев, причем промежуточный упрочняющий слой содержит непрерывное углеродное волокно с высокой прочностью при растяжении и пониженным, по отношению к основному материалу формы, коэффициентом термического расширения (патент США №6364000).
Недостатком этой керамической формы является отсутствие плотного прилегания углеродного волокна к стенкам формы со стороны ее вогнутой части, которое практически невозможно обеспечить при ее обертывании углеродным волокном с натяжением, что снижает эффект упрочнения этой части формы. Кроме этого, в процессе нагрева такой керамической формы возможно частичное выгорание углеродного волокна, что приведет к ослаблению его натяжения и уменьшению армирующего действия углеродного волокна.
Известна высокопрочная керамическая форма, включающая, по крайней мере, два примыкающих упрочняющих керамических слоя, содержащих керамические усы, угол продольной ориентация которых в предыдущем и последующем слоях составляет 60-90° (патент США №6352101).
Использование дорогостоящих керамических усов в количестве до 35 об.%, особенно в случае изготовления крупногабаритной керамической формы, приводит к резкому увеличению ее стоимости. Наряду с этим, введение керамических усов в керамическую суспензию приводит к возрастанию ее вязкости, что затрудняет обеспечение заданной ориентации продольных осей усов в различных упрочняющих слоях стенки формы и снижает эффект упрочнения.
Известна керамическая форма для литья крупногабаритных деталей, упрочненная гибкими армирующими листами на основе керамического материала. Упрочняющие листы размещаются в промежуточных слоях керамической формы. Упрочняющие листы имеют отверстия для надежного соединения промежуточных слоев. Количество упрочняющих слоев составляет от 2 до 6, в зависимости от требуемой толщины стенок формы (патент США №6467534).
Основной недостаток предлагаемой керамической формы заключается в невозможности качественного упрочнения боковых участков керамической формы (зоны входной и выходной кромок лопаток) армирующим листом, в которых, как правило, возникают трещины в процессе литья. Это связано с усадкой керамического материала при обжиге до плотности близкой к теоретической плотности, которая неизбежно приводит к растрескиванию армирующей пластины, расположенной на профилированной высокоогнеупорной керамической подставке, повторяющей обводы поверхности частично сформированного керамического покрытия. Вместе с тем, существенно усложняется процесс изготовления крупногабаритных керамических форм за счет дополнительного изготовления гибких армирующих пластин, профилированных керамических подставок разных типоразмеров под каждый упрочняемый слой и дополнительного высокотемпературного обжига.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является конструкция литейной керамической формы по выплавляемым моделям для получения сверхскоростной направленной кристаллизацией лопаток из жаропрочных суперсплавов, содержащая внутренний облицовочный и наружный упрочняющий керамические слои, причем упрочняющий слой выполнен в поперечных и продольных сечениях разнотолщинным с конструктивными элементами в виде ребер, и/или выпуклых локальных участков поверхности, и/или щелевых канавок, размеры, пространственное расположение и количество которых на единице поверхности определено условием сохранения целостности формы при минимально допустимой толщине стенки. Ребра, щелевые канавки локальные выпуклые участки поверхности соединены между собой в систему. Упрочняющий слой и конструктивные элементы выполнены из керамического материала (патент РФ№2192937).
Известная конструкция литейной формы имеет следующие существенные недостатки:
- не обеспечивает высокой деформационной устойчивости при кристаллизации крупногабаритных отливок при температурах более 1500°С из-за наличия в упрочняющем слое воздушных раковин, образующихся при выжимании наносимой на облицовочный слой керамической массы под воздействием сближающихся матриц и пониженной адгезии;
- упрочняющий слой, формируемый из керамического материала в поперечных и продольных сечениях, создает дополнительные теплоизолирующие зоны на поверхности керамической формы, что приводит к нарушению оптимального теплового режима кристаллизации отливок как в осевом, так и радиальном направлениях. Возможности регулирования теплопроводности керамического упрочняющего слоя за счет изменения пористости ограничены;
- реализация получения литейной керамической формы усложняется необходимостью изготовления большого количества матриц разного типоразмера для различных литейных керамических форм, а также дополнительного изготовления вспомогательных элементов с приспособлениями для фиксации в упрочняющем слое;
- конструкция литейной керамической формы не предусматривает возможность отливки двух и более деталей при компактном их расположении, что снижает производительность литейных установок и увеличивает стоимость отливаемых крупногабаритных деталей.
Технической задачей данной полезной модели является получение литейной керамической формы для экономичного литья крупногабаритных деталей из жаропрочных сплавов с заданной структурой и высоким выходом годного.
Для решения поставленной задачи предложена литейная керамическая форма для получении крупногабаритных литых изделий из жаропрочных сплавов, содержащая внутренний облицовочный и наружный керамические слои, отличающаяся тем, что на внутреннем облицовочном слое дополнительно установлены удаляемые элементы, формирующие полость и соосно им в наружном керамическом слое выполнены отверстия для заполнения этой полости металлокерамической суспензией и образования промежуточного упрочняющего слоя.
Металлокерамическая суспензия надежно удерживается на облицовочном слое за счет формирования полости между внутренним облицовочным и наружным керамическим слоем, образуемой дополнительно установленными удаляемыми элементами на внутреннем облицовочном слое. Отверстия в наружном слое обеспечивают заполнение полости без образования воздушных раковин в упрочняющем слое. Реализация предлагаемой конструкции литейной керамической формы не требует использования специально изготовленных матриц разного типоразмера для различных керамических форм.
При увеличении необходимой, по прочностным соображениям, толщины продольных и поперечных сечений формы за счет упрочняющего слоя, требуемая теплопроводность формы в местах расположения промежуточных упрочняющих слоев достигается повышением содержания порошка металла или металлического волокна в металлокерамической суспензии. Частичное окисление металлического порошка или волокон при обжиге керамической формы способствует образованию прочных контактов металл-керамика, при этом сохраняется высокотеплопроводный объемный каркас из связанных металлических частиц в керамической матрице.
Предлагаемая конструкция литейной формы может быть легко реализована при изготовлении керамических форм для отливки двух и более деталей за одну плавку.
На рис.1 представлена конструкция литейной формы:
1a - керамическая форма с внутренним облицовочным слоем и удаляемыми элементами;
1б - керамическая форма с полостью, расположенной между внутренним облицовочным и наружным слоями;
1в - керамическая форма с промежуточным упрочняющим слоем, где
1 - внутренний облицовочный слой;
2 - удаляемые элементы;
3 - наружный слой;
4 - отверстия в наружном слое для заполнения металлокерамической суспензии;
5 - полость между внутренним облицовочным и наружным слоем;
6 - промежуточный упрочняющий слой;
7 - центральная полость, формирующая изделие.
В предлагаемой литейной керамической форме по выплавляемым моделям для получения крупногабаритного литого изделия формирование внутреннего облицовочного слоя (1), состоящего из нескольких слоев керамики, осуществляли общепринятым методом послойного нанесения керамической суспензии на восковую модель с последующей обсыпкой крупнозернистым керамическим порошком и сушкой. На сформированном внутреннем облицовочном слое устанавливали удаляемые элементы (2). Производили формирование наружного слоя (3), состоящего из нескольких слоев керамики, методом послойного нанесения суспензии на восковую модель с последующей обсыпкой крупнозернистым керамическим порошком и сушкой. После формирования наружного слоя (3) проводили расчистку отдельных его участков, где делали отверстия (4).. Затем элементы (2) удаляли одновременно с удалением моделей из центральной полости литейной формы, формирующей изделие (7) общепринятыми методами с использованием промышленных установок, таких как открытая ванна с расплавом модельной массы или кипящей водой, пароавтоклав, электрическая печь, СВЧ-печь и др. Образованную полость между внутренним и наружным слоем (5) заполняли металлокерамической суспензией через отверстия (4) в наружном слое (3) с образованием промежуточного упрочняющего слоя (6). Спекание промежуточного упрочняющего слоя проводили в процессе нагрева литейной керамической формы в литейной установке.
С использованием предлагаемой литейной керамической формы были получены крупногабаритные лопатки из жаропрочного никелевого сплава ЖС-26 со столбчатой структурой, из жаропрочного никелевого сплава ЖС-36 с монокристаллической структурой и из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6У с равноосной структурой.
При получении лопаток из жаропрочного никелевого сплава ЖС-26 со столбчатой структурой литейная керамическая форма не деформировалась. Макроструктура отливки характеризовалась как однородная столбчатая с отсутствием паразитных зерен.
При получении лопаток из жаропрочного никелевого сплава ЖС-36 с монокристаллической структурой литейная керамическая форма не деформировалась. Структура отливки характеризовалась как монокристальная с кристаллографической ориентацией [001]. Паразитные зерна отсутствовали.
При получении лопаток из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6У с равноосной структурой литейная керамическая форма не деформировалась. Макроструктура отливки характеризовалась как однородная, регламентированная по всей поверхности профильной части отливки.
При получении крупногабаритной монокристаллической лопатки из жаропрочного никелевого сплава ЖС-36 по прототипу керамическая форма деформировалась, что привело к увеличению толщины отливки. После кислотного травления отливки для оценки ее макроструктуры установлено наличие паразитных зерен, зарождающихся в зонах расположения упрочняющего слоя, что является браковочным признаком. Зарождение паразитных зерен связано с изменением тепловых условий при кристаллизации отливки.
Таким образом, применение предлагаемой литейной керамической формы, обеспечивает экономичное литье крупногабаритных деталей из жаропрочных сплавов с заданной структурой с высоким выходом годного.