СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ ПОЛЫХ ЛОПАТОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ЛИТЬЕМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
MIXTURE FOR MANUFACTURE OF FOUNDRY CERAMIC RODS OF HOLLOW SHOVELS FROM HEAT-RESISTANT ALLOYS BY MOLDING ON FLOATING MODELS

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении керамических стержней, применяемых при производстве полых отливок из жаропрочных сплавов, преимущественно лопаток для газотурбинных двигателей.
2
Традиционным материалом для изготовления стержней для литья лопаток ГТД из жаропрочных сплавов является керамика на основе плавленого SiO (I.C. Huseby, M.P. Borom and C.D. Gresjkovid, High temperature characterization of silica-based core for superalloys, Am. Ceram. Soc. Bull., 58, 448-52, 1979).
4
2
2
3
2
2
2
Керамика может содержать также до 40 мас.% спекающей добавки из ряда более тугоплавких оксидов: ZrSiO, ZrO, AlO. Стержни из плавленого SiO устойчивы к воздействию металлических расплавов, имеют низкий коэффициент температурного линейного расширения и относительно легко удаляются из изделия при помощи водных растворов щелочей. Недостатки данной керамики связаны с низкой прочностью (предел прочности при изгибе обычно составляет 10,0÷12,0 МПа), не устойчивы к воздействию металлических расплавов из жаропрочных сплавов и фазовой нестабильностью основного компонента. При спекании плавленый аморфный SiO частично расстекловывается с образованием кристобалита. На стадии охлаждения данная кристаллическая модификация SiO подвержена деструктивному полиморфному превращению с изменением удельного объема. Это проводит к образованию макротрещин, резкому снижению прочности и потере требуемой геометрической конфигурации (коробление) стержня. Максимальное содержание кристаллической фазы, при котором керамические стержни способны сохранять приемлемые прочностные свойства, не превышает 15-30 об.% (Специальные способы литья: Справочник / под. общ. ред. В.А. Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. - С. 140-148. 2. Специальные способы литья: Справочник (под общ. ред. Я.И. Шкленника). - М.: Машиностроение, 1984. -С. 239-244).
Известна смесь для изготовления керамических стержней, состоящая из полиамоорганосилоксанового связующего, наполнителя - смеси электрокорунда и карбида кремния, пластификатора - смеси парафина и полиэтилена, трансформаторного масла. Однако стержни, изготовленные из этого состава, после обжига имеют отклонения в размерах до 0,3 мм. Поэтому эти стержни применяются для лопаток с точностью размеров по толщине стенок, не превышающей ±0,3 мм.
Вместе с тем корундовые керамические стержни выгодно отличают высокая прочность, геометрическая точность, термохимическая устойчивость при высокотемпературной заливке в вакууме отливок из жаропрочных сплавов, в том числе турбинных лопаток.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является смесь (Григорьева Н.А. и др. Отливка цельнолитых сопловых аппаратов с пустотелыми лопатками. - Авиационная промышленность, 1961, №4, с. 90, прототип) для изготовления литейных керамических стержней, включающая следующие компоненты, мас.%:
электрокорунд (ЭБ-99) зерно №180
80
электрокорунд (ЭБ-99) зерно №8
10
пылевидный кварц
10
пластификатор ПП 10 или ПП 15 сверх 100%
15-18
Прототип имеет следующие недостатки:
недостаточная прочность стержней как на этапе их обжига, так и в период заливки форм металлом вследствие сетки микротрещин, появляющейся из-за того, что даже прокаленный при 1300-1350°С пылевидный кварц содержит не менее 50% структурной составляющей - β-кварц, который при нагреве претерпевает ряд полиморфных превращений;
-7
изг
пылевидный кварц как естественный материал содержит до 2% примесей, имеет высокий коэффициент термического расширения (порядка 140-160⋅10 1/град) что способствует малой прочности при спекании стержня σ=5,0-8,0 МПа, большой усадке до 1,5-2%, что, следовательно, приводит к значительному искажению геометрии стержня;
повышенный брак отливок из-за частичной или полной поломки стержней вследствие их недостаточной прочности и неоптимального фракционного состава стержневой смеси;
высокая трудоемкость и энергоемкость подготовки пылевидного кварца, заключающаяся в предварительном прокаливании его до 1300-1350°С в течение 16-24 ч.
В основу изобретения положена задача создать такую смесь для изготовления литейных керамических стержней, которая обеспечивала бы улучшение качества отливок из жаропрочных сплавов за счет повышения прочности, термостойкости, геометрической точности и устойчивости к воздействию металлических расплавов жаропрочных сплавов, а также снижение трудоемкости и энергоемкости подготовки исходных материалов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка смеси для изготовления керамических стержней, обладающих высокими прочностными характеристиками, низкой линейной усадкой в процессе обжига, малой глубиной взаимодействия с жаропрочными сплавами при высокой технологичности процесса изготовления стержней.
2
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что смесь для изготовления литейных керамических стержней, преимущественно используемых при литье лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов, включающая электрокорунд, плавленую двуокись кремния, пластификатор на основе парафина с полиэтиленом, анатазную модификацию диоксида титана (TiO), карбид кремния (SiC) при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
электрокорунд - 81-89,7
плавленая двуокись кремния - 9,0-14
анатазная модификация диоксида титана - 0,3-2,0
карбид кремния - 1-3
легкоплавкий пластификатор на основе парафина с полиэтиленом сверх 100% - 10-16.
Кроме того, в отличие от прототипа оптимальный фракционный состав стержневой смеси состоит, мас.%:
100-120 мкм - 45-48
30-40 мкм - 47-49
3-10 мкм - 4,3-9.
Кроме того, в отличие от прототипа ингредиенты по фракционному составу состоят, мас.%:
электрокорунд
100-120 мкм - 36-38
30-40 мкм - 47-49
плавленая двуокись кремния
100-120 мкм - 9-10
3-10 мкм - 3-4
анатазная модификация диоксида титана
3-10 мкм - 0,3-2
карбид кремния
3-10 мкм - 1-3.
Электрокорунд и кварц в кристаллической или аморфной модификации входят в состав практически всех используемых в настоящее время керамических стержней для оформления внутренних полостей лопаток ГТД. Электрокорунд является химически инертным по отношению к жаропрочным сплавам и высокоогнеупорным материалом, выпускается промышленностью в виде порошков различного фракционного состава. Достоинства плавленого кварца заключаются в его очень низком коэффициенте термического расширения (КТР), возможности уменьшения температуры спекания при сохранении прочностных характеристик и облегчения удаления стержня из отливки.
2
3
2
Известно, что спекание стержней из материалов, относящихся к системе АlO -SiO, показанной на фигуре с. 63 (Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск 1. Двойные системы. / Н.А. Торопов [и др.] - Л.: Наука, 1969. - 822 с), является преимущественно твердофазным. При этом температура спекания зависит от дисперсности и активности, химической чистоты исходных порошков, условий спекания, вида и количества добавок. Дисперсность порошков корунда оказывает решающее влияние не только на температуру спекания, но и вообще на возможность спекания корунда.
2
Обожженный стержневой материал обычно состоит из двух фаз: кристаллической и аморфной (стекловидной). Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения, твердые растворы, фазы внедрения. Аморфная фаза практически всегда присутствует во всех традиционных стержнях, поскольку в состав данных материалов входит стеклообразующий SiO.
2
В стержневых смесях наличие стеклофазы должно быть строго ограничено (не более 15-20 мас.%), чтобы избежать деградации прочностных характеристик. В заявке содержание SiO ограничено 9-14%, меньшее содержание затрудняет выщелачивание стержня.
При изготовлении стержней необходимо стремиться получить мелкокристаллическую волокнистую (игольчатую) структуру, обеспечивающую эффект армирования стержня и повышения его термостойкости.
2
2
2
2
3
Улучшения структуры и снижения температуры спекания алюмосиликатных стержней неэвтектического состава можно достигнуть добавкой диоксида титана. В данном случае, целесообразно использовать более реакционно-активную анатазную (по сравнению с рутилом) модификацию TiO. Диоксид титана является фазой с большой концентрацией вакансий (до 15% в объеме при стехиометрическом составе), что является фактором интенсификации диффузионных процессов в стержне при обжиге. Добавка ТiO снижает температуру спекания корунда, при этом образуется твердый раствор ТiO в АlО, что вызывает искажение кристаллической решетки электрокорунда и, как следствие, более активное спекание и рекристаллизацию материала стержня.
2
Ввод до 0,3-2% TiO в состав алюмосиликатных стержневых составов также благоприятно сказывается на форме кристаллов. В то же время эта величина максимально допустима, т.к. более высокое ее содержание заметно увеличивает содержание стекловидной фазы.
2
2
Для повышения температуры начала деформации и ускорения процесса спекания стержня необходимо ввести в систему AlO3-SiO - карбид кремния, что связано с высокой активностью оксида кремния в момент его образования при температурах выше 1000°С по реакции:
2
2
2
SiC+2O=SiO+СO
2
3
2
2
3
В этом случае, согласно диаграмме состояния AlO-SiO, показанной на фигуре с. 63 (Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск 1. Двойные системы. / Н.А. Торопов [и др.] - Л.: Наука, 1969. - 822 с), на границах зерен синтезируется муллитовая связка, которая обеспечивает прочное срастание границ зерен основной кристаллической фазы - АlO. Однако содержание SiO должно быть также ограничено не более 1-3, т.к. избыточное количество вводимого SiO в случае неполного его окисления при обжиге может стать причиной газовой пористости в отливках.
2
2
2
3
Исходя из результатов проведенного теоретического анализа и экспериментальных данных предложен новый стержневой состав: SiO=9-14%; TiO=0,3-2%, SiO=1-3%, остальное АlO и легкоплавкий пластификатор на основе парафина с полиэтиленом 10-16% сверх 100%.
Наряду с химическим составом физико-химические свойства стержня существенным образом зависят и от фракционного состава стержневой смеси. Несмотря на значительный прогресс в технологии и средствах производства литых лопаток ГТД, брак в литейных цехах все еще значителен. При литье охлаждаемых рабочих лопаток турбины он достигает 30-50%. Брак проявляется по причине коробления стержня, смещения и полома в процессе прокаливания формы и заливки ее сплавом.
Одной из причин коробления стержня является неоптимальное соотношение фракционного состава стержневой смеси, распределение тонкой и грубой фракций в полости пресс-формы после запрессовки, что, в свою очередь, также приводит к повышенной пористости и низким механическим свойствам.
Отличительной особенностью формирования фракционного состава стержней является наличие каркасообразующих фракций. Кроме того, при формировании фракционного состава стержней, не стоит задача обеспечения максимальной плотности, а необходимо обеспечить геометрическую размерную точность и стабильность, минимальную усадку и устойчивость к короблению.
Каркасообразующими фракциями в стержне являются порошки F 120 (120 мкм) и F 100 (100 мкм). Они формируют конструкцию стержня, непосредственно соприкасаясь друг с другом в геометрически правильном порядке, причем деформация частиц порошков не происходит. От этих фракций зависит размерная стабильность, склонность к усадке и короблению стержня, максимально возможная объемная доля дисперсной фазы. Вторая группа фракций заполняет образовавшиеся поры, сформированные порошками 120 мкм и 100 мкм, и придает устойчивость этой конструкции. Для повышения устойчивости этой конструкции необходимо заполнить эти поры не вообще мелкими фракциями, а фракциями определенных размеров. Назначение третьей группы мелкой фракции, состоит в том, чтобы заполнить мелкие поры, образованные второй группой фракции и обеспечить необходимую шероховатость поверхности.
Из сказанного следует важность рассмотрения геометрической размерной последовательности формирования фракционного состава порошков для стержневой смеси.
В таблице 1 приведены расчетные параметры пор, образованные порошками фракцией опытного стержневого состава.
Примечание: знак "+" обозначает, что порошки данного размера могут заполнять поры, образованные фракционным составом стержня; знак "-" обозначает, что порошки данного размера не могут поместиться в поры, образованные фракционным составом стержневой смеси.
Сравнение размеров порошков и пор в таблице 1 позволяет определить размерный гранулометрический состав стержневой смеси.
При формировании стержневой смеси каркасообразующими фракциями 120 мкм и 100 мкм, образуются поры с максимальным размером 49,7 мкм и 41,5 мкм соответственно. Следовательно, порошки с размерами 75, 63 и 50 мкм (см. табл. 1) не поместятся в эти поры и они не будут заполнены. Использование этих фракций будет способствовать формированию неоднородной каркасной гранулометрической структуры стержня и неравномерной ее усадке, что приведет к короблению стержня. Поэтому эти фракции исключены из опытной стержневой смеси.
Оптимизация гранулометрического состава с выбранными фракциями проводилось с использованием программы Excel, результаты представлены в таблице 2.
В оптимизированном гранулометрическом составе содержание каркасообразующих фракций соответственно составляет 46.3%. Вторая группа фракций, которая заполняет поры, сформированные порошками 120 мкм и 100 мкм, и придает устойчивость конструкции стержня (порошки 30-40 мкм) - 48%. Третья группа фракций, которая должна заполнить мелкие поры, образованные второй группой фракций, и обеспечить необходимую шероховатость поверхности стержня (порошки 3-10 мкм) - 5,7%. За счет оптимизации фракционного состава повышается плотность структуры и геометрическая стабильность стержня.
Для определения оптимального химического состава стержневой смеси были проведены исследования физико-механических свойств различных составов. Показателями для сравнения служили: прочность образцов при изгибе, усадке размеров образцов от номинальных, характеризующие геометрическую точность стержней, коэффициент термического расширения и глубина взаимодействия с жаропрочным сплавом ЖС6У.
Образцы для исследований были изготовлены из трех химических составов стержневой массы (таблица 3, составы 1, 2 и 3), содержащих в основе электрокорунд различных фракций (ГОСТ 3647-80), плавленый кварц (ТУ 4191-001-91973903-12), а также, карбид кремния марки 64С (ГОСТ Р 52381-2005) и диоксид титана анатазной модификации (ГОСТ 9808), оптимизированные по фракционному составу (таблица 2).
В качестве пластификатора применяли состав на основе парафина в смеси с полиэтиленом, который вводили в стержневую массу в количестве 10-16% по массе (сверх 100%).
Образцы изготавливали шликерным литьем стержневой смеси с использованием соответствующего прессового оборудования и технологической оснастки.
Стержневая смесь готовилась в обогреваемом конверторе в который загружалась подготовленная ранее шихта с мелющими телами (спеченные шары из окиси алюминия) в соотношении 1:1. После этого включался обогрев конвертора и зернистый материал перемешивался всухую при температуре 100-120°С в течении 1 ч.
Заготовки образцов получали запрессовкой стержневой массы в пресс-форму на пресс-автомате марки CLEVELAND СТМ-25 при следующих параметрах:
давление запрессовки - 8МПа;
температура массы - 85-90°С;
время выдержки сырца в пресс-форме - 25с.
Заготовки образцов всех составов были подвергнуты обжигу при температуре 1350-1370°С в проходной газовой печи ПГ-30.
Обжиг образцов в газовой печи производился по следующему режиму:
- нагрев до 600°С со скоростью 50°С/мин;
- дальнейший нагрев до 1350-1370°С со скоростью 100°С/мин;
- выдержка при температуре 1350-1370°С в течение 8-10 ч;
- выключение печи и охлаждение коробов вместе с печью до 300°С;
- охлаждение коробов на воздухе до комнатной температуры.
и
Предел прочности (σ) и стрелу прогиба (ƒ) образцов из стержневых материалов определяли испытанием образцов-пластин размерами 70×20×4 мм при 3х-точечном статическом изгибе согласно ГОСТ Р 50523-93.
После выдержки в заданных условиях в течение 30 мин, с целью выравнивания температуры по сечению образца, производили нагружение образца со скоростью 5Н/с.
Деформацию образца при изгибе определяли индикатором, изменение показаний которого контролировали путем видеосъемки. Этот прием позволяет с большей точностью зафиксировать момент слома образца.
Размеры образцов, используемые при расчетах, измеряли с помощью микрометра, с погрешностью, не превышающей 0,01 мм.
Значения предела прочности являются среднеарифметическим результатом испытания 5-6 образцов. Разброс данных отдельных испытаний не превышал 5…10% от среднего. Для проверки результатов расчета на оптимальность фракционного состава были проведены дополнительно 2 эксперимента с различными фракционными составами 4 и 5 при выбранном оптимальном химическом составе. Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Оптимальное соотношение фракционного и химического составов стержневой смеси положительно повлияло на структуру, повышение физико-механических свойств, снизило усадку и коробление стержней и повысило стабильность их размеров. Наибольшая прочность стержней наблюдается в серии с оптимизированным химическим и гранулометрическим составом смеси №3.
Из сравнения результатов эксперимента (см. табл. 3) следует, что на физико-химические свойства стержней влияет не только химический состав стержневой смеси, но и его фракционный состав.
Сравнительные свойства заявляемой стержневой смеси и прототипа приведены в таблице 4.
Заявленная стержневая смесь в сравнении с прототипом обеспечивает улучшение качества отливок из жаропрочных сплавов, за счет повышения прочности, термостойкости, геометрической точности и устойчивости к воздействию металлических расплавов, а также снижение трудоемкости и энергоемкости подготовки исходных материалов.
Заявленная стержневая смесь опробована в заводских условиях для производства лопаток. Исследованием на образцах физико-механических свойств, показано, что заявленный стержневой состав имеет более высокие физико-механические свойства, меньшую склонность к короблению, усадке и низкий коэффициент термического расширения по сравнению с прототипом (см. табл. 4).
изг
Из опытной стержневой смеси были изготовлены стержни для полых лопаток, которые дали положительные результаты. Брак по короблению, слому стержня снижен более чем в 2 раза. Применение смеси позволяет повысить предел прочности стержней при изгибе до σ=24-26 МПа. Снизить линейную усадку до 0,1-0,2% и глубину взаимодействия со сплавом ЖС6У до 0,04-0,06 мм. Заявленный стержневой состав с оптимизированным химическим и фракционным составом прошел производственную апробацию и рекомендован в серийное производство.