автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии литья жаропрочных никелевых сплавов

А На правах рукописи

о- ^ Л,

КУЛАКОВ Андрей Борисович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 - "Литейное производство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1997

Диссертационная работа выполнена на кафедре общей химик Челябинского государственного технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

ЗЛ.Иткис.

Научный консультант

кандидат технических наук, доцент В.А.Смолко. доктор технических наук, профессор

Р.К.Мысик

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доиент Л.С. Волковичер,

Ведущее предприятие — АО " Челябинский тракторный завод ". Защита состоится " /<2 " марта {997 г в

часов, на

заседании диссертационного совета К.053.13.06 при Челябинском государственном техническом университете.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направить по адресу: 454080, Челябинск, пр.им.В.ИЛенина, 76, ЧГТУ, ученому секретарю совета университета, тел.39-91-23 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГТУ.

Автореферат разослан " ^ " февраля 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К.053Л 3.06 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных условий научно-технического ¡азвития машиностроения является создание и быстрое освоение новых техно-гогических процессов литья. К ни и относится литье по выплавляемый годелям, которое широко используется в производстве сложных тонкостенных оливок из жаропрочных никелевых сплавов (ЖС) для газотурбинных двигате-гей (ГТД) и установок (1 ТУ). Данные отливки все в большем количестве юлучают методой направленной кристаллизации (НК), что значительно по-!ышает их эксплуатационные характеристики.

Однако получение высококачественных отливок осложняется из-за высо-сих температур прогрева литейных форм, стержней и их длительного контакта : залитым металлом, приводящих к интенсивному взаимодействию в системе аеталл- форма- газовая фаза даже в условиях вакуумных плавильно- заливоч-шх установок (ПЗУ). Это влечет за собой образование на поверхности отливок различных дефектов и видоизмененного слоя, обедненного легирующими элементами, что приводит к уменьшению выхода годных отливок и к снижению их служебных свойств.

Основные работы в данной области главным образом были направленны на повышение прочности и термостойкости литейных форм. Исследования по изучению устойчивости различных материалов форм, стержней, плавильных тиглей в вакууме к взаимодействию с химически активными компонентами сплава, а также самих компонентов с атмосферой ПЗУ, начали проводиться недавно и касались в большей мере литья титана и радиоактивных металлов. Поэтому возникает необходимость дальнейшего совершенствования технологии литья жаропрочных никелевых сплавов, обеспечивающей повышение качества литых изделий для соврененних конструкций и механизмов.

Основные разделы работы выполнены в соответствии с грантами 199496гг. координационного плана НИР РАН по решению актуальных задач в области процессов литья.

Цель работы. Изучить процессы физико-химического взаимодействия, протекающие в системе металл-форма-атмосфера печи, и с учетом установленных закономерностей разработать комплекс технологических мероприятий, направленных на повышение качества литых изделий.

Поставленная цепь реализовывалась путем проведения комплексных и< следований по ряду направлений, в хода которых необходим о было решит следующие задачи:

- изучить кинетику процессов испарения огнеупорных и примесных окся дов керамических тиглей, стержней и форм, а также компонентов сплава : условиях вакуумных плавильно- заливочных установок;

- исследовать процессы физик о- химического взаимодействия в система: металл- форма, металл- стержень, метали- атмосфера печи, подобрать соста] защитной атмосферы, повышающей химическую стойкость форм и стержней;

- создать методику прогнозирования служебных свойств керамически? стержней, разработать и освоить в производстве технологию их изготовления < возможностью удаления из отливок со сложными внутренними полостями;

- разработать процесс внугриформенного рафинирования жаропрочных сплавов, создать и применить в производстве технологию изготовления пеноке-рамических фильтров для повышения качества отливок из ЖС.

Научная новизна. Изучен вопрос кинетики испарения различных оксидов формы, тигля, а также компонентов сплавов в условиях динамического вакуума, показано влияние этих процессов на образование поверхностных дефектов на отливках, насыщение их поверхности кремнием из газовой фазы. Установление положительное влияние защитной атмосферы из инертных газов в плавильно-заливочных установках на снижение активности физико-химического взаимодействия в системе металл-форма-газовая фаза. Получены данные по структурный превращениям и результаты дилатометрических исследований керамических кварце-корундовых стержней в процессе твердофазного спекания, показано отсутствие насыщения со стороны таких стержней внутренней поверхности отливок кремнием. Проведены расчеты геометрических параметров пенокерамических фильтров и режимов внутриформенной фильтрации при заливки жаропрочных сплавов. Исследованы рентгенофазовым и дериватогра-фическим методами процессы спекания фильтров.

Практическая значимость работы и реализация ее в промышленности. В процессе исследований были разработаны технологии изготовления керамических стержней, удаляемых из отливок ответственного назначения в водных растворах щелочей, а также пенокераиических фильтров для внугриформенного рафинирования, что позволило улучшить качество и повысить выход годных отливок. Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания

на Казанском моторостроительном производственном объединение (КМПО) и Челябинском агрегатном заводе (ЧАЗ).

Основные положения, предста вляемые к защите:

- Кинетические закономерности испарения оксидов и компонентов сплава в условиях вакуумных плавильно-заливочных установок;

- данные анализа физико-химического взаимодействия в системе металл-форма-газовая фаза и еаго влияние на качество отливок;

- состав н технология изготовления методой твердофазного спекания керамических кварце-корундовых стержней, удаляемых из отливок в горячих водных растворах щелочей;

- данные по структурным превращениям и дилатометрическим параметрам керамических стержней в области высоких температур, их физико-механическим и служебным свойствам;

- результаты расчетов геометрических параметров пенокерамических фильтров и режимов фильтрации при внутрнформенном рафинировании жаропрочных сплавов в процессе заливки;

- состав, технология и оборудование дня изготовления пенокерамических фильтров, их физико- механические свойства;

Апробация работы. Результаты работы экспонировались в 1994 г. на республиканской выставке в Госкомвузе РФ, г.Москва; в 1994-1995г. на региональной выставке, г.Екатеринбург; в 1995 г. на международной Лейпциг-ской ярмарке, ФРГ; в 1996г. на II Международной специализированной выставке "Металлургия-96", г.Чеяябинск.

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на региональной

НТК "Оптимизация технологических процессов и управление качеством при • *

производстве фасонных отливок", г.Рыбинск, 1993; на межвузовской НТК "Фундаментальные проблемы металлургии", г.Екатеринбург, 1995; на международной конференции "Металлургия-96", г.Челябинск, 1996; на конференции литейщиков Уральского региона, г.Екатеринбург, 1996.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ и получено 2 решения о выдаче патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы из 136 наименований, приложений; содержит 111 страниц машинописного текста, 26 таблиц, 53 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Наличие активного физико-химического взаимодействия материала литейных форм, тиглей и газовой фазы с расплавом в условиях вакуумных ПЗУ негативно сказывается на качестве литых изделий из ЖС. Улучшить их качество можно за счет использования огнеупорных материалов с оптимальными свойствами, повышения термохимической стойкости иегалл-форма(тигепь)-газовая фаза путем создания в ПЗУ защитных атмосфер, а также применения керамических стержней, способных удаляться из отливок в растворах щелочей, и внутриформенного рафинирования заливаемого металла с помощью пеноке-рамичесхих фильтров. ,

Оценка поведения огнеупорных материалов и сплавов при высоких температурах в условиях вакуума

Качество отливок зависит ках от правильного применения материалов для изготовления полей, форм и стержней, так и от температурного режима системы металл-форма и создаваемого остаточного давления в ПЗУ, которое колеблется в пределах 1...2 Па. Основной причиной выделения газообразных продуктов, влияющих на качество отливок, является испарение и термическая диссоциация огнеупорных и примесных оксидов плавильного тигля и керамической формы. С целью количественной оценки инкокгруэнткого испарения в вакууме различных оксидов была использована методика Герца-Лэнгиюра, которая с учетом уравнения Ваит-Гоффа для реакций диссоциации была преобразована в выражение, удобное для определения скоростей испарения оксидов в зависимости огг парциального давления кислорода:

Л^ШмЛ1,1)-ИвМм«оехр-АсляЧ>«г^. (I)

Здесь Х- скорость испарения оксида; Ы-универсальная газовая постоянная; Т-темперагура; Мм, - молярная масса металла в оксиде; Ммео-молярная масса оксида; п-отношенне количества целей оксида к количеству молей образующегося металла; АС— изменение энергии Гиббса реакции; а и ь -сгехиомстрические коэффициенты в реакции диссоциации оксида соответственно перед металлом и кислородом; Рог - парциальное давление кислорода.

Расчетные скорости испарения оксидов при Р= 1,33 Па (Рог =0,28 Па) представлены на рис.1 В труппу с наибольшей скоростью испарения входят ох-

сиды РеО, СоО, ЫагО, самыми устойчивыми к возгонке являются АЬгСЬ и 2Юг, а МеО, 8«Ог, СаО и ТЮг занимают промежуточное положение. Для оценки расчетных данных были проведены экспериментальные работы на высокотемпературной вакуумной установке. Исследуемые материалы в дисперсном виде подвигали изотермической выдержке в вакууме 1,3—1,5 Па при 1873+12 К в течение 3 часов. Скорость испарения оценивали по убыли массы образцов и она составила: для 8Юг-5,1*10-*, М^-7,2.105, СаО- 8.6.10-7 и ТЮг-4,3.10-7кг/цгс, у алюмосиликатов (цулшгт, дисгеп-силгашаиит, шанот) она была в пределах (0,4...2,9) .10-6 кг/мгс. Полученные данные подтверждают активное инконгруэнтное испарение оксидов, способных за счет выделяемого кислорода н элементов окислять компоненты сплава и насыщать его. Термодинамическими расчетами с учетом активных концентраций А1 и установлена возможность насыщения сплава ЖСб-К в вакууме кремнием из газовой фазы по реакции 35]'Ог + 2[А1ж] -»АЬОэт+ ЗР'ж]. Равновесная концентрация кремния в сплаве по данной реакции в интервале 1700...2000 К находится в пределах 28,8...5,7%. Такие же закономерности характерны и для других сплавов ЖС6У-ВИ, ЖСЗО-ВИ Насыщение сплавов кремнием на глубину до 600 мкм в 5...10 раз превышающее допустимую концентрацию (0,6%) подтверждается иихро-рентгеноспектральньш анализом отливок, получаемых в ПМП-2. При сканировании поверхности отливок наблюдалось также локальное насыщение сплава Ре и Са. Повышение в сплаве концентраций 31, Ре и Са приводит к снижению его служебных свойств, в частности, жаропрочности н предела выносливости.

При плавке и заливке металла в вакууме на ряду с испарением оксидов наблюдается и высокая летучесть компонентов сплавов. Например, уже при 1600 К давление паров А1, Со над сплавом ЖС6-К с учетом их молярных концентраций превышают 1,33 Па, а при 1800 К этого предела достигает я нетление пара хрома. Расчетные скорости испарения компонентов сплава ЖС6-К приведены на рис.2. Наиболее высокие скорости характерны для Со, А/, № я Сг. Сравнение коэффициентов диффузии элементов в сплаве и констант их испарения позволили сделать вывод, что испарение А1 и Сг при 1700...1900 К протекает в диффузионной области, а Т| - в переходной. Летучесть компонентов сплава в вакууме подтверждается и опытным путем. Химический состав сплава до и после выдержки в вакууме 1,33 Па при 1843+10 К в течении 2 часов определяли на спектральном анализаторе ДФС-52. За это время содержание в

Рис.1 Скорости испарения оксидов: 1- СоО; 2- РеО; 3- На^О; 4- ЗЛ02; 5- МдО; 6- СаО; 7- А12Оэ; 8- ТЮ2

и , ■ 1. т

"5 3,5 -К

.г 3 -«-9

2 • 1,5 1 ■• 0,5-0 ■• -0,5---1 ■■ -1,5--

-г-

-2,5 -3 1500

1700

1800 1900 Т,К 2000

Рис.2 Скорости испарения компонентов сплава ЖС6-К: 1- 31; 2- А1; 3- ТА; 4- Нх; 5- Сг; б- Со; 7- Ре

сплаве легирующих компонентов Сг, Со, А1, Т) снизилось соответственно на 0,28, 0,21, 0,08 и 0,02% мае. Наряду с возгоном компонентов происходит и их окисление кислородом атмосферы ПЗУ, а тзюке кислородом-продуктом испарения оксидов. Об этом свидетельствует образование на стенках корундового тигля, а также на поверхности корундовой формы в ПМП-2 хромистого корунда, что подтверждается рентгенофазовым и рентгеноспектральныы анализами.

Протекающие окислительные процессы компонентов сплава и наличие в типте, форме примесных оксидов Ре, Ыа, Са и др. способствует образованию плен из тройных и двойных легкоплавких эвтектик БЮг-АЬОз-СаО с Тпл=1438К, БЮг-КагО-АЬОз с Тпл=1373 К, РеО-йОг-МпО с Тпл=1446 К, КагО-БЮг с Тпл=12б2 К, РеО-БЮг с Тпл=1413 К, которые поражают поверхность и тело отливки. Для подавления процессов испарения оксидов составляющих сплава и снижения в цепом химической активности системы металл-форма -газовая фаза предлагается использование в ПЗУ защитной атмосферы с повышенным давлением из инертного газа или смеси таких газов. Расчеты показывают, что применение чистого аргона марки А при давлении 133 Па позволяет более чем на один-два порядка снизить соответственно в ПЗУ парциальные давления N2 и Ог по сравнению с вакуумом 1,33 Па. При таком давлении практически полностью подавляется инконгруэнтное испарение оксидов, а также компонентов сплава, предотвращается их окисление, что препятствует образованию плен, насыщению металла различными элементами, повышает температуру начала взаимодействия в системе оксид-углерод в ПМП-2. Это подтверждается экспериментальными данными.

Технология изготовления керамических стержней для производства лопаток газотурбинных двигателей

По результатам анализа действующих технологических процессов изготовления керамических стержней усгановленно, что наиболее приемлемым способом получения легкоудаляемых керамических стержней методой твердофазного спекания, применяемых в производстве лопаток, является • использование керамических кварце-корундовых смесей. Установлено, что спеченная при температурах 1400...1500°С керамическая смесь белого электрокорунда (ЭБ) с 45...50% пылевидного кварца может быть удалена из отливки в кипящих растворах щелочей. Для улучшения процесса твердофазного

спехания стержневых снесен предложено вводить в них алюминиевый порошок марки АСД 4 и возгон шамотного производства (ШВ), который имеет большую удельную поверхность 10500... ПОООсмУг и на 95...9б% состоит из АЬОз, БЮг, включает 2,3...2,б% ТЮг, 1,3.-1,5% РегСЬ, остальное-КагО и МгО. Проведенный реглтенофазовой анализ исходного и прокаленного при 950...Ю00°С ШВ показал отсутствие кристаллических фаз, что говорит об аморфности материала в обоих случаях. С повышением температуры прокалки выше 1200°С начинается образование муллита, а ори Т=1400°С наблюдается полная мулли-тизация шамотного возгона, что и обеспечивает прочностные свойства стержня. Дифференциально-термическими исследованиями ШВ установлена потеря его массы при 120°С и 560°С. В первом случая происходит удаление адсорбированной влаги, а во втором • оксидов щеточных металлов. Дифференциально-термический анализ порошка АСД-4 показал, что его окисление происходит поэтапно и полностью заканчивается при 1400°С с образованием а~ МОз, который способствует формированию необходимой прочности стержня. На основе этих данных разработан оптимальный состав керамической смеси для изготовления отожнопрофильных тонкостенных стержней используемых при литье лопаток ГТД, в тон числе и методом направленной кристаллизации, позволяющий удалять стержень из полости отливки в растворах щелочей. Смесь включает, % мае.: 45...50-ПК; 50...55-ЭБ(М40-50); 0.5...1-АСД4-; 2...3-ШВ; 17.,.19-пластификатора ПП-5; 0,8...1,2-одеиновой кислоты. Дериватотрафиче-езеий анализ (рис.3) данной смеси показал в интервалах температур 840,..1050°С и 1380...1450°С увеличение массы и скорости ее приращения при наличии экзотермического эффекта. Причиной этого является окисление алюминиевого порошка и частичное восстановление алюминием кремния из БЮг при Т>1380°С. В спеченной при 1400°С стержневой смеси по данным рентгенофэзо-вого анализа (ркс.4) присутствуют а-хорунд, муллит и а-крнсгобаллнт. С повышение» температуры спекания до 1600°С в стержне формируется в основном муллит, образовавшийся га основных наполнителей смеси- ПК и корунда, который препятствует выщелачиванию стержня из отливки. Дилатометрические исследования показали, что ТКЛР полученных стержней составил 7.10-6 1/°С и по своим значениям близок к ТКЛР корукдо-силлиманитовой формы 8,3.10 6 Это способствует снижению термических напряжений в форме. Прочность стержня во многом определяется его температурой отекания. При 1350...1380°С

Рис.4 Дифракгограмиы прокаленной керамической смеси:

а — 1400°С, б —1600°С, А - корунд; М - муллит; К - кремнезем (а - крнстобаллит)

их прочность составила 7,8...9,6 МПа при 145О...1490°С была 14,6...18,2 МПа и при 1590...1о40°С достигла 55,0...60,0 Мпа. Наиболее оптимальной температурой спекания стержней следует считать 1450...1480°С, когда достигается оптимальная прочность и предотвращается их полная нугашткзация. Для повышения термостойкости и химической инертности стержней металла определены оптимальные параметры нанесения на их поверхность защитного покрытая га стабилизированного 2г0г или АЬОз методом плазменного напыления. Расчеты равновесного содержания кремния в сплаве ЖСЗОУ-ВИ показали, что при Т=1600...2100К насыщение отливки кремнием со стороны стержня маловероятно, тле. равновесные концентрации кремния в сплаве при данных условиях не превышают 10-®%. Для оценки работоспособности керамических стержней разработан расчетный метод и на его основе программа для определения на ЭВМ вероятных значений соответствующего коэффициента. По исходным физико-механическим свойствам стержней, их геометрическим размерам и температурным режимам оценивалась реальная возможность применения данного стержня для получения качественной отливки.

Фильтрационное рафинирование расплавов

В процессе анализа действующего технологического процесса литья лопаток с равноосной структурой были выявлены основные причины брака отливок по засорам. Из них главными являются включения, образующиеся при плавке и заливке в виде оксидных плен А1,14, Ст, частиц плавильного тигля и сора из используемого в шихте литейного возврата. Наиболее эффективно уменьшить данный вид брака можно за счет внутрифорненного фильтрационного рафинирования заливаемого расплава через пенокерамические фильтры. В качестве моделей для изготовления фильтров был применен открытопористый пенополиуретан мархн ППУ-Э0-100 ТУ 6-05-5127-82, имеющий плотность (0>04...0,05>10}кг/м*н размеры пор (0,5...5>1(Н м. По данным дифференциально термического анализа пенополиуретан при Т>280°С начинает плавиться, подвергается тернодеструкцни и возгонке, которые полностью заканчиваются при Т=580...600°С. Разработаны оптимальный состав керамической суспензии на этилсиликатиом связующем с корундовым наполнителей и технология изготовления из нее фильтров. Для улучшения твердофазного спекания, повышения прочности фильтров в суспензию вводятся дисперсные порошки Т1О2 и АСД-4

соответственно в количестве 1...3У» и 2...8% от наполнителя. Оптимальное количество наносимых на модель слоев суспезии-2. Избыток суспензии первого слоя удаляется за счет обжатия модели, а второго продувкой сжатым воздухом. Рентгенофазовый анализ прокаленных при 1350...1370°С фильтров показал, что их основными составляющими являются корунд о-МО»," муллит ЗАЬОз'ЗЗЮг и рутил ТЮг. Это обеспечивает достаточную прочность фильтров порядка 3,5 МПа.на сжатие и 2,4 МПа яа изгиб. С повышением температуры прокалки до 1550,..1600°С фазовый состав фильтра практически не меняется, а его прочность возрастает в 1,6...2,1 раза. Полученные фильтры имеют пористость 60..75%, кажущуюся плотность (0,85...0,9) .10' кг/м3, размер пор (0,3...4) •103 м, выдерживают 5 циклов нагрева до !000°С с последующим охлаждением в воде. Одним из достоинств разработанной технологии является использование доступных материалов, широко применяемых при изготовлении керамических форм и стержней.

С целью определения оптимальных параметров процесса фильтрации проведены соответствующие расчеты. Для пенокерамнческих фильтров скорости фильтрации расплава при его движении сверху вша на основании закона Дарси можно представить в виде уравнений

Ул = ПсУ 8(Нм,+Нс)/ 4 АУ Не , (2)

Уг= V ПЧ^(Нм.+НФ)/ 2ВН* , (3)

где Ул и Ут -скорости фильтрации при ламинарном и турбулентном режимах; П -пористость; ускорение свободного падения; 4,-средний диаметр пор; V- кинематическая вязкость расплава; А и В— коэффициенты, учитывающие извилистость и конфигурацию пор; Нф-толщина фильтра; Ни.-высота расплава над фильтром.

Установлено, что при П= 0,7 и 1560°С ламинарный режим фильтрации ЖС в порах (Яе= 10) диаметром 4мм ограничен скоростью 2-Ю 3 м/с, а при диаметре 0,5мм соответственно 16Л0-3 м/с. Скорость фильтрации существенно влияет на смыв расплавом частиц с поверхности фильтра. Например, частицы размером 100 мкн смываются при Ул& 3,0 м/с. В целом пористость и диаметр пор фильтра, гидравлический уклон должны обеспечивать фильтрование расплава с максимальной скоростью при соблюдении ламинарного режима фильтрации, а площадь фильтра должна гарантировать заполнение формы не-

таллом за требуемое время. При среднем диаметре пор 2»10-3 и, скорости заливки 1 кг/с оптимальная высота фильтра- НО-2 м, а его диаметр- 5.10-2 м. К достоинствам таких фильтров следует отнести большую площадь контакта расплава с его поверхностью, совокупность пор различных размеров, их высокую извилистость, что способствует эффективной очистке заливаемого металла. Такие фильтры мо1уг успешно применяться при литье чугунов, сталей, алюминиевых и магниевых сплавов.

Результаты опытно-промышленных испытаний разработанных технологий

Производство опытных керамических кварце-корундовых стержней для литья лопаток из сплава ЖСЗО-ВИ со сложными тонкими 0,8...5,Омм профилями охлаждаемых полостей (петлевые, циклонно-вихревые и др.) методом гвердофазного спекания осуществляли на КМПО по разработанной технологии на цеховом оборудовании. Плазменное покрытие стержней стабилизированным 2Юг производили на плазмотроне ИПУ-ЗД. Полученные стержни использовали лла производства лопаток в печах направленной кристаллизации ПМП-2. Полное удаление стержней из отливок в кипящем 30% водном растворе ЫаОН (КОН) достигалась за 9...10 ч. Микрорентгеноспектральный анализ металла, контактирующего со стержнем, показал отсутствие насыщения его кремнием. Результаты испытаний подтверждали возможность успешного использования разработанной технологии изготовления стержней для получения лопаток методом направленной кристаллизации.

Испытание технологии изготовления пенокерамичесзсих фильтров и процесса виугриформенного фильтрационного рафинирования заливаемого металла производили на КМПО и ЧАЗ. Сравнительный анализ дефектности опытных и серийных отливок показал улучшение качества литых турбинных и направляющих лопаток из сплава ЖСбУ-ВИ, залитых в печах УППФ-3 через пенокерамические фильтры. Наблюдалось снижение общего брака по сору, рентген- и люмконтролю, что позволило увеличить выход годных отбивок в среднем на 8... 15%. Микроструктура отливок плотная, средиезернистая, без литейных дефектов, механические свойства и жаропрочность полностью соответствуют ТУ. На ЧАЗе пенокерамические фильтры использовали при заливке отливки "Рабочее колесо" из сплава ВЖЛ12У-ВИ. Выход годных отливок увеличился на 5... 12% от залитого, наличие неспаев и недоливов не отмечалось.

На базе лабораторных образцов спроектировано промышленное оборудование для изготовления пенокеранических фильтров в производственных условиях. При получении отливки "Рабочее колесо" в печи УППФ-3 была создана защитная атмосфера за счет подачи в нее аргона марки А с объемным расходом б...8 л/а Анализ опытных отливок показал снижение на 12...14% количества поверхностных дефектов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. При литье жаропрочных никелевых сплавов в вакууме 0,13...1,ЗЗПа создаются благоприятные условия для физико-химического взаимодействия в системе металл-форма за счет высокотемпературного прогрева керамических форм и стержней, а также длительного нахождения в них металла при Т>ТС.

Выявлено, что в плавюгьно-заливочных установках протекают процессы интенсивного инконгруентного испарения огнеупорных и примесных оксидов формы и тигля. Расчетным методом установлено, что наименее устойчивыми являются оксиды марганца, железа, натрия и кремния. Давление их паров при температуре выше 1750°С превышают 0,133Па. Убыль массы оксидов наблюдается как на экспериментальной высокотемпературной вакуумной установке, так и непосредственно в печи П?ЛП-2.

2. Исследованиями процесса испарения компонентов из расплава ЖС6-К установлено, что давление таких компонентов как А1, Со, № и Сг превышает 1,ЗЗПа, что обеспечивает их высокую скорость испарения.

Показано, что процессы испарения А1 и Сг протекают в кинетической области, а титана - в переходной, когда скорость процесса лимитируется как его диффузией в сплаве, так и самим актом испарения. Экспериментально подтверждено, что наибольшая убыль характерна для А1, Со и Сг из расплава в вакууме при 1843К и составляет 0,08...0,28%.

3. Возгонка компонентов из сплава и окисление их газообразными оксидами кремния и углерода, образующимися в результате испарения и восстановительных реакций, приводит к образованию в плавильном тигле и в форме оксидных плен, которые провоцируют на отливках поверхностные дефекты, поражающие тело отливок включениями, что в большинстве случаев приводит к браку отливок. Кроме того, часп. продуктов реакции испарения оксидов формы вызывает насыщение поверхностного слоя отливок различным»

элементами. Микрорентгеноспезлральиыи анализом установлено, что поверхностные Дкфекта включают кремний, железо, титан, а в ряде случаев и кальций.

4. Для подавления процессов испарения компонентов сплава, а также оксидов из формы и тигля предложено использование в плавильно-заливочных установках защитной инертной атмосферы с давлением в 133Па. Рассчитаны физические параметры аргона, гелия и их смеси при различных температурах и давлениях. Установление, что при указанном давлении практически на два порядка снижается скорость испарения составляющих формы и тигля. Определением кислородных потенциалов оксидов А1, Сг и "Л произведена оценка их устойчивости при разных парциальных давлениях кислорода, которая подтвердила снижение вероятности окисления компонентов сплава при использовании защитной атмосферы.

5. Анализ действующего технологического процесса изготовления керамических стержней показал, что основным принципом получения легкоудаляемых керамических стержней методом твердофазного спекания, применяемых в производстве лопаток, является использование керамических кварце-корувдовых смесей.

Исследованы свойства различных керамических масс для изготовления стержней. Установлено, что спеченная.при температурах |450...!500°С керамическая смесь корунда с 45...50% кварца может быть удалена из отливки в кипящих растворах щелочей.

6. Для твердофазного спекания стержневых смесей предложено вводить в них алюминиевый порошок марки АСД-4 и возгон шамотного производства.

Рентгенофазовыи анализом исходного и прокаленного при 950...1000°С шамотного возгона (ШВ) показано, что оба материала являются аморфными. С повышением температуры прокалки выше 1200°С начинается образование муллита, а при Т=1400°С наблюдается полная муллитизация шамотного возгона, что и обеспечивает прочностные свойства стержня.

Дифферент!ально-терыичеааши исследованиями ШВ определили потери массы при 120°С и 560°С. В первом случае происходит удаление адсорбированной влаги, а во втором - оксидов щелочных металлов.

7. Дифференциально-термический анализ АСД-4 показал, что окисление порошка происходит поэтапно. Наибольшая скорость окисления наблюдается при 550...650°С в результате перехода аморфной модификации АЮз защитной

пленки в у-иодификацию, при 6б0...670°С, когда происходит расплавление алюминия, и при Ю00...1200°С в результате разрыва защитной пленки из-за высокого давления паров металла. При !400°С заканчивается полное окисление порошка с образованием а-фазы и формирование прочностных свойств стержня.

8. Разработан оптимальный состав керамической смеси для изготовления сложнопрофильных тонкостенных стержней питых лопаток ГТД, в той числе получаемых в печах направленной кристаллизации ПМП-2, позволяющий удалить стержень из полости отливки в растворах щелочей.

Для улучшения технологичности производства стержневой смеси произведена оптимизация способа ввода пластификатора в стержневую смесь с большой удельной поверхностью. С цепью повышения прочности, термической стойкости стержней заливки определены оптимальные параметры нанесения на их поверхность защитного покрытия из 7Юг, МО» методой плазменного напыления.

9. Термодинамические расчеты равновесного содержания кремния в сплавах ЖСЗОУ-ВИ показали, что при Т=1600...2100К насыщение сплава кремнием со стороны стержня за счет взаимодействия кремнезема с алюминием сплава маловероятно, т.к. равновесные концентрации кремния при данных условиях не превышают 10-8%.

Микрорентгеноспектральный анализ подтвердил отсутствие насыщения стенки отливки кремнием со стороны стержня.

10.Анализ действующего технологического процесса литья лопаток позволил установить основные причины брака отливок по засораы. Одной из главных причин является сор из плавильного тигля в виде оксидных плен алюминия, титана, хрома, частиц самого тигля и включений из используемого возврата.

Для рафинирования расплава в процессе заливки предложено использование пенокералических фильтров, отличающихся высокой извилистостью пор и большой площадью контакта с жидки и металлом.

В качестве моделей для изготовления фильтров был применен открыто-пористый пенополиуретан марки ППУ-ЭО-100 ТУ6-05-5127-82. Дифференциальный термический анализ пенополиуретана показал, что при Т>280°С начинается его плавление, тер м одеструкция и возгонка, которые полностью заканчиваются при Т=580...600°С.

11. Проведен теоретический анализ процесса рафинирования металлических расплавов через пенокерамические фильтры. Рассчитаны скорости ламинарной и турбулентной фильтрации в порах различного размера, получены значения допустимой скорости ламинарной и турбулентной фильтрации в порах различного размера с учетом предотвращения смывания включений с поверхности фильтра. Показано, что при фильтрации металла следует обеспечивать максимальную скорость фильтрования, соблюдая ламинарный режим. Это условие является определяющим при расчете оптимального размера фильтра.

12. Разработан оптимальный состав керамической суспензии на эгмясиликатном связующем и технология изготовления из нее пенокерамических фильтров. Для обеспечения твердофазного спекания в суспензию вводятся порошки TiOz и АСД-4 соответственно в количестве 1—3% и 2...8% от массы электрокорундового наполнителя. Решгенофазовый анализ прокаленных при 1550...1600°С фильтров показал, что их основными составляющими являются корунд, муллит и рутил. Это обеспечивает высокую прочность ^фильтров до 3,5 МПа на сжатие и 2,4 МПа на изгиб.

13 Проведено промышленное опробование и внедрение разработанных технологий изготовления легко удаляемых в растворах щелочей керамических стержней, а также пенокерамических фильтров. В печах ПМП-2 получены годные лопатки с опытными стержнями. Заливка лопаток в УППФ-3 из сплавов ЖС6-К, ЖС6У-ВИ позволяет снизить их брак по засорам на 8...15%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кулаков Б.А., Александров В.М., Дубровин В.К., Кулаков А.Б., Кочегова Г.Х... Внутриформенное фильтрационное рафинирование жаропрочных никелевых сплавов// Вопросы теории и технологии литейных процессов: Сб.научн.тр.- Челябинск: ЧГТУ, 1993.- С.54-58.

2. Кулаков Б.А., Александров В.М., Дубровин В.К., Кулаков A.B.. Снижение дефектности отливок по неметаллическим включениям// Цветная металлургия,- Лад-4,- 1993.- С.49-55.

3. Дубровин В.К., Александров В.М., Кулаков А.Б. Опыт применения пенокерамических фильтров при литье жаропрочных сплавов// Оптимизация

технологических процессов и управление качеством при производстве фасонных отливок: Тез. докл.-Ярославль: РАТИ, 1993.-C.Ö4-65.

4. Кулаков Б.А., Дубровин В.К., Кулаков А.Б., Знаменский Л.Г.. Пути снижения дефектности отливок из никелевых сплавов при литье по выплавляемым моделям// Литейное производство,- 1995.- №10. - С.24-25.

5. Кулаков Б.А., Дубровин В.К., Кулаков А.Б.. Формирование термохимически устойчивых систем при литье титановых и жаропрочных никелевых сплавов// Фундаментальные проблемы металлургии: Межвуз. на>ч.-техн. конфер. Тез. докл.- Екатеринбург, 1995,- С.61-62.

6. Кулаков Б.А., Дубровин В.К., Знаменский Л.Г., Кулаков А.Б.. Технология изготовления отливок из жаропрочных никелевых сплавов// II Международная специализированная выставка "Мегаллургия-96". Тез. докл.-Челябинск, 1996,- С.39.

7. Дубровин В.К., Гойхенберг Ю.Н., Иткис З.Я., Кулаков А.Б.. Трещинообразование на литых турбоколесах из никелевых сплавов// Повышение качества отливок: Тез. конфер. литейщиков "Уральского региона.-Екатеринбург, 1996,- С.72.

8. Дубровин В.К., Кулаков А.Б., Знаменский Л.Г. Перспективы развития прогрессивных технологий литья лопаток газотурбинных двигателей// Вопросы теории и технологии литейных процессов: Сборник научных трудов.-Челябинск: ЧГТУ, 1996 - С. 14-20.

9. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №95121955/02. Способ приготовления эти лсиликатн ого связующего/ Л.Г.Знаменский, Б.А.Кулаков, В.К.Дубровин. А.Б.Кулаков- 1996.

10. Решение о выдаче пате?гга на изобретение по заявке № 96109811/02 (015860). Смесь и способ изготовления литейных керамических стержней/

ЛР У: 020364 от 20.01.92. Подписано в печать 24.01.97.- Формат • 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд. л.0,99. Тираж 100 экз. Заказ 9/27.

п /

Б.А.Кулаков, Л.Г.Знаменский, В.К.Дубровин, А.Б.Кулаков - 1996

У0П издательства. 454080, г.Челябинск, пр. им.В.И.Ленина, 76.