НОВОЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛОПАТОК ТУРБИН

ФГУП "ММПП "Салют": Юрий Сергеевич Елисеев, генеральный директор, д.т.н.
Ольга Геннадиевна Оспенникова, главный металлург, к.т.н.

Литье по выплавляемым моделям на сегодняшний день является основным и наиболее точным методом получения отливок деталей ГТД.
Технология литья по выплавляемым моделям, включающая в себя и технологию изготовления керамических форм, представляет собой сложный и продолжительный по времени технологический процесс. В частности, производятся: приготовление связующего, которым является гидролизованный раствор этилсиликата-40, приготовление огнеупорной суспензии, подготовка обсыпочного материала, послойное нанесение керамического покрытия с сушкой каждого слоя и последующей прокалкой керамических форм. В настоящее время для изготовления отливок ответственного назначения в качестве обсыпочного материала и наполнителя огнеупорной суспензии используется в основном электрокорунд.

Качество литейной формы в значительной мере определяет качество и точность отливок. При разработке материалов для изготовления форм необходимо учитывать специфику литья жаропрочных сплавов, а именно: высокую химическую активность легирующих элементов, входящих в состав этих сплавов (Al, Cr и др.), наличие в сплаве углерода, являющегося активным восстановителем металлов из окислов керамики, высокую температуру плавления сплавов, длительный контакт жидкого сплава с литейной керамикой, низкое остаточное давление воздуха при плавке сплава и формировании отливки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что материал формы должен обладать особенными свойствами.

Перечислим основные свойства, которыми должна обладать керамическая форма: прочность на изгиб при высоких температурах (одно из важнейших). При затвердевании оболочка должна быть податливой, чтобы не мешать усадочным процессам; термическая стойкость - способность формы противостоять температурным перепадам. В процессе изготовления керамическая форма проходит многократную сушку, претерпевает термический удар при удалении модельной композиции, проходит предварительную прокалку при температуре 950…1000 °С. Все эти операции, в случае несоблюдения технологических режимов, могут привести к образованию микротрещин в керамической оболочке. Поэтому необходимо проводить исследования, направленные на повышение термостойкости керамических оболочковых форм; стабильность геометрии - способность формы не изменять своих размеров при силовых и температурных воздействиях; химическая стойкость - отсутствие взаимодействия облицовочного слоя формы с расплавленным металлом. Это одна из важнейших характеристик керамической формы, так как результатом взаимодействия формы с металлом является наличие на изделии так называемого измененного слоя; способность оболочки легко отделяться от поверхности отливки.

Одной из важных проблем современного литейного производства является наличие на поверхности отливок из жаропрочных никелевых сплавов пригара, следствием которого является измененный поверхностный слой металла.

В лаборатории ФГУП ММПП "Салют" были проведены работы по изысканию способа изготовления керамической формы, содержащей внутри слоев плотный стекловидный слой эмали, создающий газонепроницаемый барьер для предотвращения прохождения реакции взаимодействия расплавленного металла и керамической формы.

Чтобы создать такой слой необходимо при изготовлении керамических форм нанести между четвертым и шестым слоем керамических форм слой эмалевой суспензии. При последующей прокалке керамических форм этот эмалевый слой расплавляется, огнеупорный наполнитель растворяется в жидкой эмали и затвердевает между слоями керамических форм. При этом образуется плотный газонепроницаемый слой, обеспечивающий отсутствие взаимодействия жидкого металла с керамической формой. Для образования такого слоя следовало разработать эмалевую суспензию.

Характеристики, которыми должна обладать эмалевая форма: эмалевая фритта должна иметь температуру плавления не ниже 1200 °С; после прокалки эмалевый слой должен иметь температуру плавления не ниже 1500 °С; эмаль должна образовывать устойчивые суспензии на основе гидролизованных растворов этилсиликатов.

Для этой цели была выбрана эмалевая фритта марки ЭВТ-24 с температурой плавления порядка 1200 °С.

В качестве связующего для фритты эмали ЭВТ-24 использовали гидролизованный раствор ЭТС-40. Применение гидролизованного раствора ЭТС-40 позволяет упростить технологию нанесения промежуточного эмалевого слоя, поскольку она полностью совпадают с серийной технологией, принятой на производстве.

После прокалки внутри керамической формы образуется достаточно прочный стекловидный оплавленный слой.

Таким образом, использование в качестве наполнителя керамической суспензии эмали ЭВТ-24 и в качестве связующего - гидролизованного раствора ЭТС-40 позволяет получить в керамической форме промежуточный стекловидный слой. Использование вместо ЭВТ-24 эмали марки ЭВТ-100 обеспечило получение аналогичных результатов.

С целью повышения температуры плавления эмалевой керамики было проведено исследование влияния вида и количества наполнителя эмалевой суспензии на температуру плавления эмалевого слоя. Для этого в керамическую суспензию вместе с эмалью ЭВТ-24 вводили наполнитель Al2O3 и Cr2O3 в количестве от 20 до 80 % от массы твердой фазы.

Для суспензии, состоящей из наполнителя Cr2O3 и эмали ЭВТ-24, температура плавления была определена экспериментально и рассчитана по указанной методике. Разница между расчетной и экспериментальной температурой плавления состава не превысила ±4 %, что показывает хорошую сходимость расчетной и экспериментально определяемой температурой плавления.

Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что введение огнеупорного наполнителя с более высокой температурой плавления обеспечивает существенное повышение температуры плавления окисно-эмалевого слоя после прокалки керамических форм. Введение огнеупорного наполнителя в количестве 50…60 % позволяет повысить температуру плавления эмалевого слоя до 1500…1600 °С.

Для определения оптимальных параметров эмалевой суспензии исследовалось влияние вязкости суспензии на прочность керамической оболочки с эмалевым слоем. Исследования показали, что при вязкости эмалевой суспензии более 40 с прочность керамических форм начинает уменьшаться. Это связано с тем, что слой становится очень толстым, плохо просыхает, и при прокалке начинается пропитка эмалью предыдущего и последующего слоев. При нанесении покрытия на керамической форме возникают наплывы, что влечет за собой неравномерность покрытия по толщине слоя. При вязкости свыше 45 с практически невозможно получить качественное покрытие эмалевого слоя.

При вязкости менее 30 с слой керамической суспензии получается очень тонким, быстро высыхает, и обсыпочный материал практически не прилипает к поверхности эмалевого слоя. При вязкости, равной 25 с, практически весь слой эмалевой суспензии стекает с поверхности керамической формы.

Таким образом, наиболее оптимальным диапазоном значений вязкости эмалевой суспензии является диапазон от 35 до 45 с. Такие значения вязкости достигаются при соотношении твердой и жидкой фаз, равном 3:1.

На основании проведенных исследований в лаборатории нашего предприятия разработана технология получения беспригарной керамической формы с промежуточным эмалевым слоем.

В настоящее время специалисты ФГУП "ММПП "Салют" организуют внедрение новейших материалов и технологий для изготовления керамических форм и стержней.