СМЕСЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ

Название	СМЕСЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
Разработчик (Авторы)	Кулаков Б.А., Знаменский Л.Г., Дубровин В.К., Кулаков А.Б., Кочетова Г.Х.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2098220
Дата регистрации	10.12.1997
Правообладатель	Челябинский государственный технический университет
Область применения (класс МПК)	B22C 9/10 (1995.01) B22C 1/06 (1995.01) B22C 1/00 (1995.01) B22C 3/00 (1995.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении керамических стержней, применяемых при производстве полых отливок из жаропрочных сплавов, в том числе и методом направленной кристаллизации, преимущественно лопаток для газотурбинных двигателей.

При изготовлении отливок методом направленной кристаллизации керамические стержни, оформляющие внутренние полости отливок, подвергаются сильному нагреву, так как находятся в контакте с расплавом жаропрочного сплава при 1400 1550oC от 0,3 до 6 ч. Это обусловливает высокие требования, предъявляемые к термомеханическим свойствам стержней.

В настоящее время керамические стержни для лопаток со сложной конструкцией внутренней полости (штырьковые, петлевые, циклонно-вихревые и т.п.), имеющие толщину 0,8 5,0 мм, изготавливаются способом твердофазного спекания из электрокорундовых составов [1, 2]
Корундовые керамические стержни выгодно отличают высокая прочность, герметическая точность, термохимическая устойчивость при высокотемпературной заливке в вакууме отливок из жаропрочных сплавов, в том числе турбинных лопаток.

Существеннными недостатками таких стержней является повышенная трудоемкость и вредные условия труда при удалении их из полостей отливок механическим способом или в агрессивных средах: плавиковой кислоте, расплаве бифторида калия.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту являются смесь и способ изготовления литейных керамических стержней, включающие твердофазное спекание сформованных с легкоплавким пластификатором на основе парафина порошков пылевидного кварца, электрокорунда и в качестве спекающей добавки карбоната кальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Электрокорунд зернистостью 50 200 мкм 10 -35
Карбонат кальция 0,1 0,2
Пластификатор на основе парафина с 10 мас. полиэтилена 19.22;
Пылевидный кварц Остальное [3]
Известное техническое решение обеспечивает удаление керамических кварцево-корундовых стержней методом выщелачивания, являющимся менее трудоемким и экологически более безопасным, чем растворение корундовых стержней в бифториде калия или других агрессивных средах, а также их механическое удаление.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
термическая диссоциация в условиях вакуума образующегося после их прокалки оксида кальция, взаимодействие продуктов диссоциации с жаропрочными сплавами, насыщение продуктами этого взаимодействия поверхностных слоев отливок, изготавливаемых методом направленной кристаллизации, снижение их служебных свойств (низкая термохимическая устойчивость стержней и жаропрочным сплавам в условиях их заливки в вакууме);
недостаточный уровень прочности и герметической точности стержней; из-за образования кальциевых силикатов с низкой температурой плавления (менее 1300oC) такие стержни нельзя использовать для получения лопаток с направленной сттруктурой в плавильно-заливочных установках ПМП-2 и УВНК-8П;
повышенный брак отливок из жаропрочных сплавов, в том числе лопаток для газотурбинных двигателей, по глубине видоизмененного слоя, разностенности и засорам.

В основу изобретения положена задача создать такие смесь и способ изготовления литейных керамических стержней, которые обеспечивали бы улучшение качества отливок из жаропрочных сплавов, получаемых методом направленной кристаллизации, за счет повышения термохимической выщелачиваемости керамических стержней.

Указанная задача решается тем, что смесь для изготовления литейных керамических стержней преимущественно для лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, получаемых методом направленной кристаллизации, включающая электрокорунд, пылевидный кварц, пластификатор на основе парафина, спекающую добавку, дополнительно содержит в качестве спекающих добавок пылевидный возгон шамотного производства, алюминиевый порошок АСД-4, а также олеиновую кислоту при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Электрокорунд заренистостью 40 120 мкм 17 -40
Пылевидный возгон шамотного производства 0,4 -1,6
Алюминиевый порошок АСД-4 0,5 1,5
Пластификатор на основе парафина 13 17
Олеиновая кислота 0,4 1,5
Пылевидный кварц Остальное
Введение в смесь для изготовления керамических стержней на основе SiO2 в качестве спекающей добавки пылевидного возгона шамотного производства, обладающего высокими значениями дисперсности и удельной поверхности, обеспечивает стабильность процесса спекания и требуемый уровень прочности. Причем происходит реакционное спекание, связанное с муллитизацией указанной добавки, химический состав которой приведен в табл. 1.

Пылевидный возгон шамотного производства собирается на электрофильтрах и циклонах в системе обжиговых печей по изготовлению шамотных изделий, является отходом шамотного производства, недефицитен, имеется в достаточно большом количестве.

По данным рентгенофазного анализа (ДРОН-2) реакция муллитизации спекающей добавки пылевидного возгона шамотного производства начинается при температуре обжига смеси 1200 1250oC. При этом огнеупорный наполнитель стержней практически не муллитизируется вплоть до температуры заливки отливок из жаропрочных сплавов. Таким образом, использование пылевидного возгона шамотного производства создает условия для формирования после обжига структуры керамики, включающей муллитизированный каркас и кварцевую основу стержня, способную растворяться в водных растворах щелочи. В результате достигается наряду с высокими прочностными свойствами выщелачивание керамических стержней.

Введение в смесь алюминиевого порошка АСД-4 обеспечивает требуемое спекание электрокорунда, являющегося крупнозернистой составляющей, релаксирующей возникающие при обжиге смеси напряжения и исключающей трещинообразование при твердофазном спекании, формируя при этом требуемую пористость керамических стержней.

Олеиновая кислота в составе смеси создает условия для снижения количества пластификатора, при котором смесь обладает необходимой текучестью на стадии ее горячего прессования в стержневые ящики. В результате после обжига смеси достигаются повышенные значения прочности керамических стержней.

Указанная задача решается также тем, что в способе изготовления литейных керамических стержней, преимущественно для получения лопаток из жаропрочных сплавов методом направленной кристаллизации, включающем твердофазное спекание сформованных с пластификатором пылевидного кварца и электрокорунда, согласно изобретению после спекания на стержень осуществляют плазменное напыление защитного покрытия, термохимически устойчивого к жаропрочным сплавам в условиях их высокотемпературной заливки в вакууме, при этом отношение толщины покрытия к преобладающей толщине стенки отливки составляет 0,025 0,10.

В предлагаемом способе на стержень наносят плазменное покрытие из стабилизированного диоксида циркония.

В качестве наносимого плазменного покрытия в способе можно использовать также оксид алюминия.

Нанесение после спекания смеси защитного плазменного покрытия, термохимически устойчивого и жаропрочным сплавом в условиях их высокотемпературной заливки в вакууме, сводит к минимуму физико-химическое взаимодействие указанных расплавов с кварцевой основой стержней, практически исключает образование видоизмененного слоя отливок, повышая их служебные свойства.

Принимая во внимание данные по термодинамике и кинетике термической диссоциации оксидов в вакууме при температурах заливки жаропрочных сплавов, наиболее рациональным является нанесение на стержни защитных плазменных покрытий из стабилизированного диоксида циркония или оксида алюминия.

Учитывая, что с повышением толщины стенки отливки увеличиваются продолжительность процесса взаимодействия, тепловое и механическое воздействие заливаемого жаропрочного расплава на керамический стержень, в качестве параметра, характеризующего защитное действие покрытия, принимают отношение его толщины к преобладающей толщине стенки отливки. Значение этого параметра в пределах 0,025 0,10 обеспечивает требуемые термохимическую устойчивость, прочность сцепления покрытия с основой, геометрическую точность и упрочнение керамических стержней на основе SiO2.

Термохимическая устойчивость к жаропрочным сплавам в условиях их заливки в вакууме, повышение прочности, геометрической точности и выщелачиваемость керамических стержней улучшают качество и условия труда, снижают трудоемкость изготовления полых отливок из жаропрочных сплавов, получаемых методом направленной кристаллизации, в том числе и лопаток для газотурбинных двигателей.

Подготовку смеси для изготовления литейных керамических стержней осуществляют следующим образом. Пылевидный кварц (ГОСТ 9077-82) перед использованием прокаливают при 1300.1350oC в течение 16 24 ч для перевода β -кварца в a -кристобалит, что значительно уменьшает объемные изменения кристаллической решетки кварца при последующем твердофазном спекании смеси, обеспечивая стержням необходимую геометрическую точность.

Расчетные количества прокаленного пылевидного кварца, электрокорунда (ГОСТ 3647-80), алюминиевого порошка марки АСД-4 (ТУ 48-5-226-82), пылевидного возгона шамотного производства загружают в конвертор с мелющими шарами и перемешивают в течение 1,0 1,5 ч.

После этого осуществляют плакирование сухих составляющих смеси олеиновой кислотой (ГОСТ 10475-63), которую вливают тонкой струей в конвертор с указанными материалами и перемешивают в течение 0,5 1,0 ч.

Затем, нагревая конвертор до 80 90oC, вводят парафин (ГОСТ 13577-71), перемешивают составляющие 0,5 1,0 ч и вливают предварительно расплавленный при 130 140oC пластификатор ПП-10 на основе парафина с полиэтиленом (ГОСТ 16337-77) с последующим перемешиванием при 100 110oC в течение 0,5 1,0 ч.

Указанный ступенчатый ввод в плакированную олеиновой кислотой смесь сухих составляющих парафина и предварительно расплавленного пластификатора ПП-10 значительно уменьшает испаряемость олеиновой кислоты и пластификатора при 130 140oC, обеспечивая стабильность состава смеси и достижение высокой текучести смеси при уменьшенном количестве пластификатора. Вследствие этого создаются условия для повышения прочности керамической смеси после ее обжига.

В случае использования пластификатора ПП-10 количество предварительно вводимого парафина дается из расчета получения в керамической смеси пластификатора на основе парафина с 5% полиэтилена (ПП-5).

На заключительной стадии подготовки смеси осуществляют подъем температуры конвертора до 130 140oC и перемешивание всех составляющих в течение 0,5 1,0 ч до однородной массы, которую затем разливают в противни и используют для изготовления стержней.

Содержание в предлагаемой смеси пылевидного возгона намотного производства меньше, чем 0,4 мас. не обеспечивает требуемые термомеханические свойства керамических стержней. Количество указанной спекающей добавки больше, чем 1,6 мас. вызывает ухудшение выщелачиваемости стержней из-за увеличения в стержне количества муллита.

Алюминиевый порошок АСД-4 упрочняет смесь после прокалки при условии совместного использования с пылевидным возгоном шамотного производства, так как окисление АСД-4 при обжиге смеси создает избыток в спекающих добавках высокодисперсного Al2O3, активизируя процесс муллитизации пылевидного возгона шамотного производства, вызывающий реакционное спекание керамических стержней.

Применение в качестве спекающей добавки только алюминиевого порошка АСД-4 для предлагаемой смеси на основе SiO2 не обеспечивает требуемые прочностные свойства стержней, а при содержании АСД-4 больше, чем 1,5 мас. наблюдаются нежелательные процессы восстановления алюминием из SiO2 кремния, насыщение им поверхностных слоев отливок из жаропрочных сплавов, снижение их служебных свойств, нарушение геометрической точности и выщелачиваемости керамических стержней.

Содержание в керамической смеси в качестве спекающей добавки совместно с пылевидным возгоном шамотного производства алюминиевого порошка АСД-4 меньше, чем 0,5 мас. не дает стержням заметного упрочняющего эффекта.

Введение в смесь олеиновой кислоты меньше, чем 0,4 мас. оказывается неэффективным с позиций уменьшения количества пластификатора, требуемого для обладания смесью необходимой текучести в горячем состоянии.

Содержание в смеси олеиновой кислоты больше, чем 1,5 мас. увеличивает потерю массы смеси после прокалки, значительно снижает геометрическую точность и прочность стержней.

Способ осуществляют следующим образом. Керамическую смесь запрессовывают при 70 100oC в пресс-формы (стержневые ящики). Стержни получают методом твердофазного спекания в газовых печах при 1450 1500oC в течение 10 12 ч в засыпке из глинозема марок Г0, Г00, (ГОСТ 6912-87).

После спекания на стержни наносят защитное плазменное покрытие, термохимически устойчивое к жаропрочным сплавам в условиях их высокотемпературной заливки в вакууме. Причем соблюдают отношение толщины этого покрытия к преобладающей толщине стенки отливки в пределах 0,025 0,10, что блокирует физико-химическое взаимодействие расплавов жаропрочных сплавов с кварцевой основой стержней, практически исключает образование видоизмененного слоя отливок, повышая их служебные свойства.

При этом нанесение на стержни защитного покрытия, отношение толщины которого к преобладающей толщине стенки отливки меньше, чем 0,025, оказывается малоэффективным для обеспечения термохимической устойчивости и упрочнения стержней за счет формирования их оболочковой структуры.

Соблюдение значений указанного параметра больше, чем 0,10, приводит к снижению геометрической точности и прочности сцепления покрытия (оболочки) с основой стержней из-за повышения склонности к трещинообразованию покрытий с увеличением их толщины.

В качестве материала плазменных покрытий могут быть использованы стабилизированный диоксид циркония или оксид алюминия, имеющие минимальную скорость термической диссоциации при температурах прогрева стержней расплавом жаропрочных сплавов в условиях вакуума.

Предлагаемые смесь и способ изготовления литейных керамических стержней иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1. В табл.2 приведены составы смесей для изготовления литейных керамических стержней, включающие пылевидный кварц, электрокорунд, пластификатор на основе парафина с отливающимся друг от друга содержанием пылевидного возгона шамотного производства, алюминиевого порошка АСД-4 и олеиновой кислоты.

Перед использованием пылевидный кварц (ГОСТ 9077-82) прокаливали в камерной электрической печи при 1300oC в течение 16 ч, электрокорунд сушили при 250 300oC в течение 4 ч с последующим просевом исходных материалов через сетку N 0,6 1,0.

Применяли микропорошок электрокорунда марки М50 и шлифпорошок электрокорунда N 10 (ГОСТ 3647-80), взятых в соотношение 2:1 по массе.

Подготовку смесей осуществляли в конверторе по следующему режиму:
перемешивание сухих составляющих 0,5 ч;
плакирование их олеиновой кислотой 0,5 ч;
введение парафина при 90oC и перемешивание 0,5 ч;
заливка расплавленного при 140o пластификатора ПП-10 и перемешивание 0,5 ч;
окончательное перемешивание при 140oC ингредиентов смеси и разлив в противни 1,0 ч.

Стержни из подготовленных смесей изготавливали способом горячего прессования при 90±10oC с последующим их обжигом (1470±20oC, 12 ч) в засыпке из глинозема.

Для получения количественных сравнительных данных параллельно изготавливали стержни согласно прототипу.

Показателями для сравнения служили убыль массы смеси в условиях плавильно-заливочной установки ПМП-2 (остаточное давление 1,33 Па, выдержка при 1500 1550oC в течение 3 ч); толщина видоизмененного слоя отливок из жаропрочных сплавов (насыщение кремнием, кальцием, плены, неметаллические включения); отклонение размеров образцов от номинальных, характеризующее геометрическую точность стержней; прочность образцов при изгибе в холодном состоянии после спекания смеси и продолжительность их полного разрушения в кипящем 40% -ном водном растворе щелочи (КОН).

При оценке геометрической точности, прочности и выщелачиваемости использовали образцы размером 70х15х5 мм.

Уменьшение массы смеси в ПМП-2 фиксировали с использованием весов марки ВЛА-200г-М с точностью до 5•10-4г и выражали в процентах к исходной массе навесок.

Толщину видоизмененного слоя отливок определяли методом сканирования на рентгеноспектральном микроанализаторе РЭМ-100У образцов, вырезанных из турбинных лопаток, полученных в плавильно-заливочных установках УППФ-3 (равноосная кристаллизация) и ПМП-2 (направленная кристаллизация) из жаропрочных никелевых сплавов соответственно ЖС6УВИ и ЖС30-ВИ.

Результаты испытаний смесей приведены в табл. 3.

Пример 2. Аналогично примеру 1 готовили смесь для изготовления литейных керамических стержней из состава 4 (см. табл. 2), показавшего оптимальные технологические свойства.

После твердофазного спекания наносили защитное плазменное покрытие из стабилизированного диоксида циркония, варьируя отношение толщины покрытия к преобладающей толщине стенки отливки (δп/δотл), в пределах 0,025 0,10. Использовали плазмотрон УПУ-ЭД с соблюдением режима напыления: сила тока 430 А; напряжение 70 В; мощность 25 кВт; плазмообразующий газ аргон (ГОСТ 10157-79), его расход 55 л/мин.

Результаты испытаний стержней с плазменным покрытием из стабилизированного ZrO2 в зависимости от (δп/δотл) представлены в табл.4.

Пример 3. После спекания смеси состава 4 (см. табл. 2) наносили на стержни защитное плазменное покрытие из оксида алюминия. Отношение толщины покрытия к преобладающей толщине стенки отливки (δп/δотл) составляло 0,025; 0,063; 0,10. Соблюдали следующий режим напыления на плазмотроне УПУ-ЭД: сила тока 400 А; напряжение 50 В; мощность 25 кВт; расход аргона 50 л/мин.

Стержни использовали для изготовления турбинных лопаток, получаемых направленной (ПМП-2) и равноосной (УППФ-3) кристаллизацией из жаропрочных никелевых сплавов соответственно ЖС30-ВИ и ЖС6УВИ.

Результаты испытаний стержней с плазменным покрытием из Al2O3 в зависимости от (δп/δотл) приведены в табл. 5.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемые смеси и способ изготовления литейных керамических стержней позволяют при сохранении выщелачиваемости стержней на основе SiO2 добиться повышения их прочности, геометрической точности, термической устойчивости к жаропрочным сплавам в условиях их высокотемпературной заливки в вакууме, практически исключить образование на турбинных лопатках поверхностного слоя с видоизмененной структурой. В результате улучшаются служебные свойства (жаропрочность, трещиноустойчивость при высоких температурах и т.д.) и снижается трудоемкость изготовления отливок из жаропрочных сплавов, в том числе получаемых и методом направленной кристаллизации.

Повышение стабильности свойств стержней достигается соблюдением оптимального диапазона значений отношения толщины защитного плазменного покрытия из термохимически устойчивого в вакууме химического соединения к преобладающей толщине стенки отливки (δп/δотл 0,025 0,10), обеспечивающего возможность управления процессами физико-химического взаимодействия отливки и стержня в условиях высокотемпературной заливки расплавов жаропрочных сплавов в вакууме.

Предлагаемые смесь и способ изготовления литейных керамических стержней опробованы на Казанском моторостроительном производственном объединении (КМПО) при производстве из жаропрочных никелевых сплавов методом направленной кристаллизации турбинных лопаток. Результат -высокое качество и улучшение удаляемости стержней за счет их выщелачивания.

Предлагаемые смесь и способ изготовления литейных керамических стержней, учитывая их повышенные технологические возможности, могут быть с успехом применены для получения полых, сложнопрофильных отливок ответственного назначения из жаропрочных сплавов, эксплуатирующихся в самолетостроении, ракетостроении, судостроении, химической промышленности, металлургии и машиностроении.

Список литературы
1. Литье по выплавляемым моделям /Под общ. ред. Я.И. Шкленника, М. Машиностроение, 1984, с. 239-244.

2. Специальные способы литья: Справочник /Под общ. ред. В.А. Ефимова. - М. Машиностроение, 1991, с. 140-148.

3. Авт.св. N 1468639 (СССР). Смесь для изготовления литейных керамических стержней /Козлов Г.Я. Алешкович С.Е. Демонис И.М. Кл. B 22 C 1/22, 9/04, бюл. N 12, 1989 (прототип).

Формула изобретения

1. Смесь для изготовления литейных керамических стержней, преимущественно для лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, получаемых методом направленной кристаллизации, включающая электрокорунд, пластификатор на основе парафина, предварительно прокаленный при 1300 1350oC в течение 16 24 ч пылевидный кварц и спекающую добавку, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит олеиновую кислоту, а в качестве спекающей добавки
пылевидный возгон шамотного производства и алюминиевый порошок АСД-4 при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Электрокорунд зернистостью 40 120 мкм 17 40
Пылевидный возгон шамотного производства 0,4 1,6
Алюминиевый порошок АСД-4 0,5 1,5
Пластификатор на основе парафина 13 17
Олеиновая кислота 0,4 1,5
Пылевидный кварц Остальное
2. Способ изготовления литейных керамических стержней преимущественно для получения лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей методом направленной кристаллизации, включающий твердофазное спекание сформованных с пластификатором пылевидного кварца и электрокорунда, отличающийся тем, что после спекания на стержень осуществляют плазменное напыление защитного покрытия, термохимически устойчивого к жарапрочным сплавам в условиях их высокотемпературной заливки в вакууме, при этом отношение толщины покрытия стенки отливки составляет 0,025 0,10.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что покрытие напыляют из стабилизированного диоксида циркония.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что покрытие напыляют из оксида алюминия.

Изобретение "СМЕСЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ" (Кулаков Б.А., Знаменский Л.Г., Дубровин В.К., Кулаков А.Б., Кочетова Г.Х.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога