СПОСОБ УДАЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ОТЛИВОК ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в литейном производстве для удаления керамического материала, преимущественно на основе оксидов редкоземельных металлов, из отливок деталей, в том числе, из отливок лопаток газотурбинных двигателей и установок со сложной внутренней полостью.

Известны способы удаления керамического материала из отливок деталей путем воздействия на него раствором щелочи. В частности, известен способ удаления керамических стержней из отливок, включающий воздействие на керамический стержень прерывающейся струей горячего раствора щелочи высокого давления, что приводит к растворению материала стержня и позволяет растворенному материалу, а также раствору щелочи вытечь из отливки (патент США №6,241,000, опубл. 05.06.2001).

Известны способы удаления керамического материала из отливок в автоклаве в присутствии нагретого выщелачивающего материала с периодическим изменением давления внутри автоклава (патент США №6,739,380, опубл. 25.05.2004), а также путем заливки автоклава с находящимися в нем отливками насыщенным раствором гидроксида натрия (патент РФ №2276629, опубл. 20.05.2006).

Известен способ удаления высокопрочных керамических стержней из отливок лопаток, включающий выдержку отливок в водном растворе нитрита натрия, выдержку их на воздухе, прокалку отливок в печи и удаление продуктов разложения керамических стержней направленной струей воды под давлением (патент РФ №1690419, опубл. 27.04.2005).

Все вышеперечисленные способы выщелачивания не могут быть использованы для удаления керамического материала на основе оксидов редкоземельных металлов из отливок деталей, так как такие оксиды практически не растворяются в щелочных растворах даже при высоких температурах и давлениях. Материал отливки на основе тугоплавких металлов, например сплав на основе системы Nb-Si, в этих условиях заметно растворяется, что приводит к неконтролируемому нарушению геометрических размеров изделий.

Известен способ гидрокавитационной очистки глухих полостей изделий, включающий воздействие кавитирующими струями жидкости, сформированными в затопленной полости, на очищаемую поверхность с периодическим и последовательным изменением противодавления в затопленной полости в течение заданного диапазона времени (патент РФ №2418641, опубл. 20.05.2011). Недостатком данного способа является то, что он не пригоден для удаления керамического материала из отливок деталей, так как эффективность эрозионного воздействия кавитирующей струи незначительна, кроме этого требуется длительный инкубационный период, более 20 мин, для начала процесса эрозионного разрушения.

Известен способ очистки внутренних полостей сложных изделий (нагретых), преимущественно от литейных керамических стержней, струей аэрированной рабочей жидкости с эффектом кавитации, перегретой выше температуры кипения на 60-100°C под давлением 1000-1400 атм с одновременной подачей во внутреннюю полость изделия водяного пара (патент РФ №1254634, опубл. 20.01.2006). Данный способ не обеспечивает полного удаления литейных керамических стержней из отливок деталей, является энергозатратным и экономически нецелесообразным, кроме этого требуется длительный инкубационный период, более 20 мин, для начала процесса эрозионного разрушения.

Техническим решением, принятым за прототип, является способ удаления стержней из отливки из сплава на основе ниобия, включающий обработку отливки со стержнем композицией, включающей, по крайней мере одну кислоту из группы, состоящей из соляной кислоты, азотной кислоты, фосфорной кислоты, азотной/фосфорной кислот, серной кислоты и уксусной кислоты, нагрев композиции до температуры растворения керамического стержня, агитацию поверхности раздела между стержнем и кислотой (патент ЕР 1818121, опубл. 07.01.2009). Недостатком способа, известного из прототипа, является необходимость длительной обработки изделий в концентрированных растворах кислот, что неизбежно приводит к повреждению поверхности отливки, выражающемуся в очаговом растраве металлической матрицы композитного сплава на основе ниобия, особенно в зонах литейной усадочной пористости. Глубина рельефа, образующегося при травлении матрицы, в состав которой наряду с ниобием входят химически активные элементы, такие как хром, алюминий, титан и др., составляет более 60 мкм. Такая величина является недопустимой, так как уже при глубине рельефа более 50 мкм не обеспечивается качество поверхности отливок деталей, необходимое для использования их в газотурбинных двигателях и установках.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения более качественных отливок деталей. Техническим результатом изобретения является сокращение времени обработки отливок деталей сильнодействующими химическими веществами (кислотами) при повышенных температурах раствора в процессе удаления из них керамического материала и снижение тем самым глубины рельефа поверхности отливок (не более 50 мкм).

Для достижения технического результата предложен способ удаления из отливок керамического стержня, включающий обработку керамического стержня в отливках по меньшей мере одним нагретым раствором по меньшей мере одной кислоты, в котором перед обработкой нагретым раствором кислоты керамический стержень в отливках обрабатывают по меньшей мере одним раствором по меньшей мере одного поверхностно-активного вещества (ПАВ) с концентрацией не менее 0,01%, а затем по крайней мере одной струей жидкости высокого давления с эффектом кавитации, при этом в упомянутой струе создают пульсацию давления жидкости при давлении упомянутой струи не менее 10 МПа и время обработки керамического стержня упомянутой струей составляет не менее 2 мин.

В способе величина перепада давления в струе жидкости может составлять не менее 1 МПа, а частота пульсации - не менее 0,5 Гц. В способе может быть использована кислота, выбранная из группы, которая включает соляную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту, серную кислоту, уксусную кислоту, а также их смеси. В способе, кроме того, может быть использовано водорастворимое поверхностно-активное вещество с показателем активности водородных ионов (pH) от 4,5 до 12,5. Также в способе отливка представляет собой турбинную лопатку.

Предварительная обработка отливок деталей с керамическим материалом раствором ПАВ приводит к насыщению материала данными веществами и позволяет ускорить его разрушение при обработке струей жидкости высокого давления с эффектом кавитации за счет расклинивающего действия ПАВ в межзеренном пространстве пористого керамического материала. Предварительная обработка отливок деталей с керамическим материалом раствором ПАВ, наряду с эффектом ускорения разрушения керамического материала, также позволяет снизить воздействие струи жидкости высокого давления, содержащей включения фрагментов разрушаемого керамического материала, на внутреннюю поверхность отливки за счет образования на ее поверхности пленки из адсорбирующих молекул ПАВ. При отсутствии такой пленки на внутренней поверхности отливки детали возможно образование зон с остаточными напряжениями, приводящее к поверхностной рекристаллизации в процессе последующей термической обработки. Экспериментально установлено, что концентрация ПАВ в растворе менее 0,01% и время обработки керамического материала в отливке струей жидкости менее 2 мин недостаточны для обеспечения заявленного технического результата, так как при использовании таких параметров не удается сократить время обработки отливок в растворах кислот. Применение водорастворимых ПАВ с показателем активности водородных ионов (pH) менее 4,5 или более 12,5 может приводить к коррозии внутренней поверхности детали в случае длительного нахождения остатков пористого керамического материала, насыщенного раствором ПАВ, во внутренней полости детали. Использование струи жидкости высокого давления, не менее 10 МПа, способствует возникновению эффекта кавитации, характеризующегося зарождением мельчайших парогазовых пузырьков, которые при схлопывании создают ударные волны, приводящие к ускорению разрушения керамического материала. Сочетание в струе жидкости динамического воздействия и эффекта кавитации создает условия для эффективного удаления пористого керамического материала из отливки с минимальным инкубационным периодом, не превышающим 1 мин до начала процесса эрозионного разрушения керамического материала. Использование величины перепада давления не менее 1 МПа и частоты пульсации не менее 0,5 Гц, в совокупности с давлением струи жидкости не менее 10 МПа, позволяет получить наиболее выраженный эффект кавитации, характеризующийся нарушением сплошного течения жидкости с образованием паровых и газовых пузырей (каверн).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет сократить время обработки отливок деталей в растворах кислот при повышенной температуре раствора в процессе удаления из них керамического материала и снизить тем самым степень повреждения поверхности отливок.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Отливку лопатки ГТД из сплава на основе системы Nb-Si, типа сплава марки MASC, с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из Y₂O₃ погрузили в контейнер, который заполнили 0,01% водным раствором ПАВ марки «Литопласт И» (ТУ 5743-049-58042865-2010) с показателем активности водородных ионов pH=4,5 и провели обработку пористого керамического материала в отливке в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 4 мин. Затем керамический материал в отливке лопатки обработали струей воды высокого давления (10 МПа) с эффектом кавитации, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 0,9 МПа и частотой пульсации 0,4 Гц. Время обработки керамического материала составило 2 мин, что позволило предварительно удалить около 30% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в концентрированном растворе азотной кислоты (60%), нагретом до 115°C за 4,5 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие незначительных очаговых повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы сплава на основе системы Nb-Si, типа сплава марки MASC, составила 45 мкм.

Пример 2

Отливку лопатки из сплава на основе системы Nb-Si-Cr-Hf с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из Y₂O₃ с добавкой Gd₂O₃ погрузили в контейнер, который заполнили 0,1% водным раствором ПАВ марки «Литопласт АИ» (ТУ 5743-0615804286-2011) с показателем активности водородных ионов pH=7,8 и провели обработку пористого керамического материала в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 6 мин. Затем керамический материал в отливке лопатки обработали двумя струями воды высокого давления (25 МПа) с эффектом кавитации, при этом в обеих струях создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 3,0 МПа и частотой пульсации 2,5 Гц. Время обработки керамического материала составило 2 мин, что позволило предварительно удалить около 55% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в растворе соляной кислоты (36%), нагретом до температуры 75°C за 1,5 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие единичных повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы сплава на основе системы Nb-Si-Cr-Hf, не превышала 30 мкм.

Пример 3

Отливку полой детали из сплава на основе системы Nb-Si-Hf-Al с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из Y₂O₃ с добавкой HfO₂ пропитали 0,15% раствором ПАВ марки «Литопласт АИ» (ТУ 5743-0615804286-2011) с показателем активности водородных ионов pH=12,4 и провели пропитку пористого керамического материала в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 5 мин. Затем керамический материал в отливке обработали струей воды высокого давления (40 МПа) с эффектом кавитации, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 5,0 МПа и частотой пульсации 4,5 Гц. Время обработки керамического материала струей составило 3 мин, что позволило предварительно удалить около 40% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в растворе фосфорной кислоты (70%), нагретом до температуры 45°C за 0,5 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал отсутствие очаговых повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы сплава на основе системы Nb-Si-Hf-Al, не превышала 30 мкм.

Пример 4

Отливку лопатки ГТД из сплава на основе системы Nb-Si, типа сплава марки MASC, с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из Y₂O₃ погрузили в контейнер, который заполнили 0,005% водным раствором ПАВ марки «Литопласт И» (ТУ 5743-049-58042865-2010) с показателем активности водородных ионов pH=4,2 и провели пропитку пористого керамического материала в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 4 мин. Затем керамический материал в отливке лопатки обработали струей воды с давлением 9 МПа, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 1,5 МПа и частотой пульсации 0,5 Гц. Время обработки керамического материала составило 10 мин, что позволило предварительно удалить около 20% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в концентрированном растворе азотной кислоты (60%), нагретом до 115°C за 8 часов. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие значительных очаговых повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы сплава на основе системы Nb-Si, типа сплава марки MASC, превышала 60 мкм.

Пример 5 (по прототипу)

При удалении керамического материала из отливки в соответствии с технологией, известной из прототипа, с использованием концентрированного раствора азотной кислоты (60%), время полного удаления составило 10 часов. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие значительных очаговых повреждений поверхности, особенно в зонах литейной усадочной пористости, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы Nb-Si композита, превышала 60 мкм.

Пример 6

Отливку лопатки ГТД из сплава на основе системы Nb-Si, типа сплава марки MASC, с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из Y₂O₃ погрузили в контейнер, который заполнили 0,02% водным раствором смеси двух ПАВ (1:1 по массе) триэтаноламина (ТУ 2423-168-002203335-2007) и сульфит-спиртовой барды (ТУ 13-02-81036-029-94) с показателем активности водородных ионов pH=8,1 и провели обработку пористого керамического материала в отливке в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 5 мин. Затем керамический материал в отливке лопатки обработали струей воды высокого давления (28 МПа) с эффектом кавитации, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 2 МПа и частотой пульсации 0,5 Гц. Время обработки керамического материала составило 2 мин, что позволило предварительно удалить около 40% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в концентрированном растворе азотной кислоты (60%), нагретом до 115°C за 4,0 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие очаговых единичных повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы композитного сплава на основе ниобия, составила 40 мкм, что является допустимым.

Пример 7

Отливку полой детали из сплава на основе системы Nb-Si-Hf-Al с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из Y₂O₃ пропитали 0,10% раствором ПАВ марки «Литопласт АН» (ТУ 57430615804286-2011) с показателем активности водородных ионов pH=12,4 и провели пропитку пористого керамического материала в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 4 мин. Затем керамический материал в отливке обработали струей воды высокого давления (30 МПа) с эффектом кавитации, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 3,5 МПа и частотой пульсации 5,0 Гц. Время обработки керамического материала струей составило 7 мин, что позволило предварительно удалить около 50% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в смеси кислот (1:1 по массе) - фосфорной кислоты (65%) и азотной кислоты (60%), нагретой до температуры 95°C за 3,5 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие незначительных очаговых повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы Nb-Si композита, не превышала 40 мкм, что является допустимым.

Пример 8

Отливку полой детали из сплава на основе системы Nb-Si-Cr-Hf с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из оксида алюминия с защитным покрытием из оксида иттрия пропитали 0,10% раствором ПАВ марки «Литопласт АИ» (ТУ 57430615804286-2011) с показателем активности водородных ионов pH=12,4 и провели пропитку пористого керамического материала в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 4 мин. Затем керамический материал в отливке обработали струей воды высокого давления (50 МПа) с эффектом кавитации, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 3,5 МПа и частотой пульсации 5,0 Гц. Время обработки керамического материала струей составило 10 мин, что позволило предварительно удалить около 80% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в соляной кислоте (60%), нагретой до температуры 95°C за 3,5 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие незначительных очаговых повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы Nb-Si композита, не превышала 40 мкм, что является допустимым.

Пример 9

Отливку полой детали из сплава на основе системы Nb-Si-Cr-Hf с керамическим материалом, имеющим форму стержня, из оксида гафния пропитали 0,15% раствором ПАВ марки «Литопласт АИ» (ТУ 57430615804286-2011) с показателем активности водородных ионов pH=12,4 и провели пропитку пористого керамического материала в вакуумном шкафу при разряжении 10^-1 атм в течение 4 мин. Затем керамический материал в отливке обработали струей воды высокого давления (55 МПа) с эффектом кавитации, при этом в струе создали пульсацию давления воды с величиной перепада давления 2,5 МПа и частотой пульсации 1,0 Гц. Время обработки керамического материала струей составило 15 мин, что позволило предварительно удалить около 85% керамического материала. Остатки керамического материала удалили полностью в серной кислоте (94%), нагретой до температуры 200°C за 2,5 часа. Оценку полноты удаления керамического материала из отливки проводили методом просвечивания на рентгеновском аппарате Re320/14. На поперечных шлифах отливки при помощи сканирующей микроскопии на приборе JSM-840 исследовали степень повреждения ее поверхности. Анализ шлифов, изготовленных из отливок, показал наличие незначительных очаговых повреждений поверхности, при этом глубина рельефа, образующегося при травлении металлической матрицы Nb-Si композита, не превышала 45 мкм, что является допустимым.

Как видно из вышеприведенных примеров, применение предлагаемого способа удаления керамического материала из отливок деталей позволяет сократить время обработки отливок деталей в растворах кислот при повышенной температуре раствора и тем самым снизить, а в некоторых случаях исключить, повреждение поверхности отливок.