Высокоогнеупорная керамика стержней и форм для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурами

Транскрипт

1 ВИАМ/ Высокоогнеупорная керамика стержней и форм для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурами Ю.И. Фоломейкин Е.Н. Каблов доктор технических наук И.М. Демонис Сентябрь 1999

2 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ) крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.

3 Статья подготовлена для опубликования в журнале «Авиационная промышленность», 2, 2000 г. Электронная версия доступна по адресу:

4 Высокоогнеупорная керамика стержней и форм для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурами Ю.И. Фоломейкин, Е.Н. Каблов, И.М. Демонис Всероссийский институт авиационных материалов Разработка новых технологических процессов литья лопаток с направленной и монокристаллической структурами, усложнение конструкций систем охлаждения лопаток, совершенствование жаропрочных сплавов потребовали создания высокоогнеупорных материалов для изготовления керамических стержней и форм. На основании температурно-временных условий процессов получения лопаток методом направленной кристаллизации (НК) и монокристальным литьем (МЛ), анализа свойств керамики для равноосного литья сформулированы основные требования к керамическим материалам стержней и форм, которые приведены в табл. 1. При этом исходили из того, что прочность стержней и форм должна быть в 1,5 2 раза выше, чем керамики, применяемой при равноосном литье, а огнеупорность керамики на 200 С выше, чем в равноосной технологии. В статье приведены результаты исследования материалов стержней и форм, используемых при литье лопаток методом НК в печах УВНК-8П *. При исследованиях фазовый анализ керамических материалов проводили на рентгеновском дифрактометре, микроструктуру изучали на сканирующем микроскопе. Термическое расширение сжатие измеряли на дилатометре в воздушной среде. Термомеханические свойства определяли при трехточечном изгибе: при комнатной температуре на воздухе, при высокой температуре в вакууме, при температуре начала деформации (ТНД) в аргоне. Основные свойства * Висик Е.М., Каблов Е.Н., Герасимов В.В. Регламентированная тонкостолбчатая структура неиспользованный резерв высокоскоростной направленной кристаллизации // Литейное производство С. 7 8.

5 керамических материалов определяли с использованием метода гидростатического взвешивания. Таблица 1. Свойство Материал стержней форм Огнеупорность, С Выше 1600 Стойкость к воздействию жаропрочных Химическая инертность сплавов Усадка при обжиге, % Менее 1 Открытая пористость, % Предел прочности при изгибе, кпа: при 20 С при 1500 С Температура начала деформации (нагрузка 200 кпа), С Коэффициент термического расширения 7 9 (при С), α 10-6, 1/ С Коэффициент теплопроводности при С, Вт (м К) Чистота поверхности Rz 2,0 2,5 мк Rz 2,5 мкм Точность геометрических размеров, мм ±0,1... ±0,15 Удаляемость из отливок Легкая в растворах щелочей и расплавах солей Установление теплопроводности основано на принципе стационарного теплового потока. Степень взаимодействия керамики и металла определяли на полированных шлифах с помощью металлографического микроскопа. В результате проведенных исследований определены основные свойства материалов, обожженных до и после термической обработки (ТО) в печи по режимам НК, которые приведены в табл. 2. Из нее видно: пористость материалов стержней и форм находится в пределах 27 38% и практически не меняется после термообработки, что существенно для обеспечения заданной геометрической точности отливок. Высокотемпературная прочность материала форм в 1,5 2 раза выше, чем стержней, что необходимо для предупреждения разрушения форм при заливке металла и проведении НК.

6 Изделие Метод литья Линейная усадка до, % Открытая пористость, % до после Кажущаяся плотность, г/см 3 до Стержень НК 0,3 0, ,3 2,35 МЛ 0,3 0, ,35 2,4 Форма НК <0, ,7 2,75 МЛ <0, ,7 2,75 после 2,32 2,36 2,34 2,42 2,72 2,76 2,72 2,76 Предел прочности при изгибе, кпа при 20 С до после при 1500 С до Таблица 2. ТНД, С, при σ сж =200 кпа >1650 Огнеупорность керамики форм, определяемая температурой начала размягчения под нагрузкой сжатия 200 кпа, несколько выше, чем керамики стержней за счет особенностей структуры материала. Линейная усадка керамики после обжига составляет 0,3 0,6%. Дилатометрические исследования показывают, что в керамике стержней происходит незначительная усадка при температурах выше 1500 С. Дополнительная усадка керамики не превышает 0,2%. Качественный фазовый анализ образцов в исходном состоянии и после дилатометрических испытаний показал, что преобладающей фазой во всех образцах керамики является корунд. В материале стержней и форм присутствует муллит, кварц и кристобаллит. Микроструктура керамики показана на рис. 1, 2 и 3. Рисунок 1. Микроструктура керамики формы: а 10; б 100; в 2000; 1 Al 2 O 3 (корунд); 2 Аl 2 О 3 (связующее)

7 Рисунок 2. Микроструктура керамики стержня: а 500, НК; б 500, МЛ; в 2000, НК и МЛ; 1 α-al 2 O 3 (корунд); 2 Al 2 О 3 Si 2 (связующее) Рисунок 3. Микроструктура керамики после ТО по режимам НК: а 250; б 2500; в 10000; 1 α-al 2 O 3 (корунд); 2 Al 2 O 3 SiO 2 (связующее); 3 α-аl 2 О 3 (связующее) Керамика форм имеет слоистую структуру, сформированную послойным нанесением суспензии с последующей обсыпкой. Структура стержневого материала определяется гранулометрическим составом порошка Al 2 O 3 (основная фаза) и связующей фазой, в качестве которой выступает муллит, муллито-корунд или корунд. Параметры процесса НК в печах УВНК-8П с жидкометаллическим холодильником определяются также теплофизическими свойствами материалов керамических форм. Зависимость теплопроводности материалов форм от температуры показана на рис. 4. Как видно, теплопроводность материала форм при 1200 С составляет 2,9 3,1 Вт/(м К), что значительно выше теплопроводности разовых корундовых огнеупоров одинаковой пористости,

8 составляющей 1,89 Вт/(м К) *. Повышение теплопроводности, возможно, происходит за счет более совершенных контактов между зернами Al 2 O 3. Рисунок 4. Теплопроводность материалов керамических форм Были исследованы направленно-закристаллизованные отливки из жаропрочного никелевого сплава после выщелачивания стержня в солевом расплаве. Металлографический анализ шлифов не показал взаимодействия между металлом и керамическими стержнем и формой. На основании проведенных исследований разработаны и внедрены в производство технологические процессы изготовления керамических стержней и форм для литья охлаждаемых лопаток с направленной и монокристаллической структурами для энергетических и газоперекачивающих установок (рис. 5). Рисунок 5. Керамические стержни и формы * Литовский Е.М., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. Справочник. М.: Металлургия, С

9 Таким образом, можно сделать следующие выводы. Корунд является преобладающей фазой во всех видах керамики. Стержневая керамика имеет пористую структуру (34 38%), зерна корунда (α-al 2 O 3 ) в ней связаны в большей или меньшей степени алюмосиликатной связкой (НК, МЛ). В керамике форм для НК и МЛ связующее муллит, α-al 2 O 3. В керамике форм и стержней в процессе нагрева до высоких температур при литье методами НК, МЛ не происходит фазовых превращений, сопровождаемых объемными изменениями, а наблюдается незначительная усадка при температурах выше 1500 С. Достаточно высокие термомеханические свойства разработанной керамики для стержней и форм наряду с химической инертностью к суперсплавам обеспечивают получение отливок лопаток высокого качества. Отсутствие существенных изменений в структуре и фазовом составе стержней после высокотемпературной обработки в условиях литья позволяет довольно легко удалить их из отливок.