Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве отливок турбинных лопаток с равноосной регламентированной макроструктурой из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Известна суспензия для изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям, которая имеет следующий состав, мас. %: гидролизованный этилсиликат в качестве связующего 20-40; модификатор на основе кобальтсодержащего вещества (алюминат кобальта) 5-12; огнеупорный наполнитель на основе оксида алюминия 48-71 (преимущественно электрокорунд) (Патент RU № 2151017, МПК В22С 1/00, публ. 20.06.2000).

Известная суспензия используется для изготовления керамических форм при производстве отливок из жаропрочных сплавов, например, турбинных лопаток газотурбинных двигателей и позволяет измельчать и регламентировать макроструктуру металла отливок в пределах 1-3 мм по диаметру зёрен, что обеспечивает повышение предела выносливости жаропрочных литейных сплавов и повышать их качество, в частности, предел усталости при 20⁰С на базе 2×10⁷ циклов составляет 22-24 кг/мм².

Указанный состав суспензии обладает рядом недостатков. Во-первых, ограниченным временем живучести керамической суспензии, что повышает себестоимость изготовления керамических форм за счёт значительных безвозвратных потерь материалов; во-вторых, возникают технологические трудности при использовании такой суспензии в автоматизированном процессе изготовления форм; в-третьих, процесс приготовления, использования и хранения суспензии характеризуется экологической вредностью и пожарной опасностью из-за использования легкоиспаряющихся органических жидкостей и аммиака.

Известна суспензия для изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям, которая имеет следующий состав, мас. %: гидролизованный этилсиликат в качестве связующего 20-40; в качестве наполнителя используется литой оксидный материал, полученный в режиме горения состава Al₂O₃-Cr₂О₃ при содержании в нём Cr₂О₃ в количестве 6-50 мас. %. Может быть использована смесь указанного оксидного материала, по крайней мере, с одним из соединений из ряда: электрокорунд, диоксид циркония, оксид иттрия в количестве не менее 1,0 мас. % (Патент RU № 2245212, МПК В22С 1/00, 27.01.2005).

Указанная суспензия используется для всех слоёв покрытия при изготовлении керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям и предназначенных для производства отливок из титановых и жаропрочных сплавов, преимущественно турбинных лопаток газотурбинных двигателей. Использование заявленной совокупности признаков позволяет повысить качество литейных форм, а именно: керамические формы практически не взаимодействуют с расплавами жаропрочных сплавов на никелевой основе (S=0,01-0,05 мм), имеют высокие значения механической прочности, в частности прочность форм на изгиб составляет 110-170 кг/мм², чистота поверхности форм соответствует 6-7 классу, коэффициент теплопроводности доведён до 30-55 Вт/мК, при этом, размер зерна в отливках составляет 0,1-0,5 мм.

Недостатками указанного технического решения являются: во-первых, высокая себестоимость изготовления форм из-за ограниченного срока живучести этилсиликатной керамической суспензии и значительных безвозвратных потерь материалов, во-вторых, процесс характеризуется экологической вредностью и пожарной опасностью из-за использования легкоиспаряющихся органических жидкостей и аммиака, в-третьих, отсутствие информации о практическом применении указанного решения в промышленности, в-четвёртых, возникают технологические трудности при использовании этилсиликатной суспензии в автоматизированном процессе изготовления форм.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям (Патент RU № 2697678, МПК В22С 1/00, публ. 16.08.2019), который принят за наиболее близкий аналог (прототип). Способ включает изготовление выплавляемого модельного блока, содержащего, как минимум, одну восковую модель, нанесение окунанием на модельный блок огнеупорного покрытия в виде лицевого и последующих слоев огнеупорных суспензий для формирования керамической формы, при этом огнеупорная суспензия лицевого слоя содержит поверхностный модификатор, далее проводят обсыпку в пескосыпе каждого слоя зернистым электрокорундом, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой модели из керамической формы, прокалку керамической формы.

Для формирования первого или двух первых слоёв керамической оболочки используют огнеупорную суспензию, при следующем соотношении компонентов, мас. %: электрокорунд фракции F1200 - 17,0, электрокорунд фракции F320 - 28,0, электрокорунд фракции F240 - 25,0, модификатор – алюминат кобальта 10,0, кремнезольное водное связующее «Keycote» 20,0, а для формирования последующих слоёв оболочки используют суспензию, при следующем соотношении компонентов, мас. %: электрокорунд фракции F1200 - 9,0, электрокорунд фракции F320 - 15,0, электрокорунд фракции F240 - 13,0, кварц пылевидный 25,0, кварц плавленый 3,0, кремнезольное водное связующее «Matrixsol 30» - 35,0. Покрытие наносят окунанием модельного блока в суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. Обсыпку выполняют в следующей последовательности: для первого слоя - электрокорунд фракции F80, для второго слоя - электрокорунд фракции F40, для третьего и последующих слоёв - электрокорунд фракции F30. Обсыпку проводят в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Время сушки модельного блока после нанесения 1-го слоя составляет 4÷6 ч, время сушки модельного блока после нанесения 2-го слоя составляет 5÷6 ч. Время сушки наружных слоев керамического покрытия составляет 4-8 часов. После окончательного формирования литейной керамической формы на модельном блоке проводят удаление модельной массы в бойлерклаве при вертикальном расположении литейных керамических форм чашей вниз. Прокаливание литейных керамических форм проводят в камерной электрической печи при температуре 1000°С.

К недостаткам данного способа формирования литейной формы относятся: во-первых, использование дорогих импортных водно-коллоидных связующих растворов, обладающих, кроме того, ограниченным сроком живучести; во-вторых, использование традиционной тройной смеси порошков электрокорунда, которые на порядок дороже порошков КДСП; в-третьих, использование сложной комбинации наполнителя суспензии для последующих слоёв, что объясняется её предназначением, а именно повышение податливости формы.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является ограниченный срок живучести импортных связующих «Keycote» и «Matrixsol 30», использование сложной комбинации наполнителя суспензии для последующих слоёв, рост расходов на производство за счёт использования дорогих материалов.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение срока живучести огнеупорной суспензии, использование меньшего количества компонентов в комбинации наполнителя суспензии для последующих слоёв, повышение экологической и пожарной безопасности при работе с суспензиями, адаптация к автоматизированному процессу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям, снижение расходов на производство, за счёт использования недорогих материалов, и далее повышение качества отливок из жаропрочных сплавов с равноосной регламентированной макроструктурой.

Техническая проблема решается тем, что в способе изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям, включающем изготовление выплавляемого модельного блока, содержащего, как минимум, одну восковую модель, нанесение окунанием на модельный блок огнеупорного покрытия в виде лицевого и последующих слоев огнеупорных суспензий для формирования керамической формы, при этом огнеупорная суспензия лицевого слоя содержит поверхностный модификатор, далее проводят обсыпку в пескосыпе каждого слоя зернистым электрокорундом, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой модели, прокалку керамической формы, согласно изобретению, на модельный блок наносят, по меньшей мере, один лицевой слой огнеупорной суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %:

при этом, последующие слои формируют с использованием огнеупорной суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %:

при этом, сушку, по меньшей мере, одного лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 50-55%, температуре 20-22⁰С и скорости воздушных потоков 0,5-1,0 м/с в течение 2-3 часов, сушку всех последующих слоёв производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 30-32%, температуре 20-22⁰С и скорости воздушных потоков 4,0-5,0 м/с в течение 3-4 часов, окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита:

Кроме того, согласно изобретению, применяют кислое водно-коллоидное связующее (pH 3,5…4,5), содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO₂ с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м²/г.

Кроме того, согласно изобретению, применяют высоко-щелочное водно-коллоидное связующее (pH 9,5…10,5), содержащее 25,0-31,0% мицелл SiO₂ с размером 8-10 нм и удельной поверхностью 272-340 м²/г.

Кроме того, согласно изобретению, применяют алюминат кобальта с удельной поверхностью зёрен на уровне 7000 – 10000 см²/г.

Способ изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям включает изготовление выплавляемого модельного блока, содержащего, как минимум, одну восковую модель, нанесение окунанием на модельный блок огнеупорного покрытия в виде лицевого и последующих слоёв огнеупорных суспензий для формирования керамической формы, при этом огнеупорная суспензия лицевого слоя содержит поверхностный модификатор, далее проводят обсыпку в пескосыпе каждого слоя зернистым электрокорундом, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой модели из керамической формы, прокалку керамической формы.

В отличие от прототипа, на модельный блок наносится, по меньшей мере, один лицевой слой огнеупорной суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %:

при этом, последующие слои формируют с использованием огнеупорной суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %:

Сушка, по меньшей мере, одного лицевого слоя производится на конвейере при влажности воздуха 50-55%, температуре 20-22⁰С и скорости воздушных потоков 0,5-1,0 м/с в течение 2-3 часов, что обеспечивает «мягкое», не создающее внутренних напряжений, удаление воды из лицевого слоя.

Сушка всех последующих слоёв, производится на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 30-32%, температуре 20-22⁰С и скорости воздушных потоков 4,0-5,0 м/с в течение 3-4 часов, что обеспечивает интенсивное удаление воды из слоёв.

Окончательная сушка производится в климатической камере не менее 12 часов, что обеспечивает окончательное формирование прочности, необходимой для удаления воска в бойлерклаве.

Прокалка вытопленных форм проводится по режиму, исключающему образование α-кристобалита, в камерных электрических печах с подачей цехового воздуха по режиму: загрузка керамической формы в холодную печь;

Кроме того, применяют кислое водно-коллоидное связующее (pH 3,5…4,5), содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO₂ с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м²/г, что обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность и автоматизацию процесса изготовления огнеупорных керамических форм.

Кроме того, применяют высоко-щелочное водно-коллоидное связующее (pH 9,5…10,5), содержащее 25,0-31,0% мицелл SiO₂ с размером 8-10 нм и удельной поверхностью 272-340 м²/г, что обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность и автоматизацию процесса изготовления огнеупорных керамических форм.

Кроме того, применяют поверхностный модификатор - алюминат кобальта с удельной поверхностью зёрен на уровне 7000 – 10000 см²/г, что обеспечивает создание в расплаве дополнительных центров кристаллизации. Применение КДСП обеспечивает экономичность процесса изготовления огнеупорных керамических форм.

Заявляемый способ обеспечивает повышение срока живучести огнеупорной суспензии, использование меньшего количества компонентов в комбинации наполнителя суспензии для последующих слоёв, адаптацию к автоматизированному процессу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям, повышение экологической и пожарной безопасности при работе с суспензиями, снижение расходов на производство.

Способ реализуется на роботизированном комплексе следующим образом. Способ включает изготовление выплавляемого модельного блока, нанесение на модельный блок, например, от 9 слоев до 12 слоёв огнеупорного покрытия. В способе изготовления керамических форм для получения отливок турбинных лопаток с равноосной регламентированной макроструктурой из жаропрочных сплавов на никелевой основе осуществляют обсыпку каждого слоя в пескосыпе дождевального типа зернистым электрокорундом, заключающейся в постепенном увеличении зернистости обсыпки от фракции F100 к фракции F54 и далее к фракции F30, что обеспечивает хорошую адгезию между слоями в сочетании с получением плотной упаковки зёрен в слоях керамической формы. По применяемой промышленной технологии обсыпка каждого слоя керамической формы зернистым электрокорундом возможна в пескосыпе, присутствующем в составе роботизированного комплекса, путём окунания в кипящий слой (псевдокипящий слой) или орошением сверху (дождевальный тип).

Удаление восковой модели из формы производится в бойлерклаве по штатному режиму, прописанному в технологическом процессе.

Заявляемый способ изготовления керамической формы по выплавляемым моделям внедрён на роботизированном комплексе литейного производства АО «ОДК-Авиадвигатель» и успешно применяется при изготовлении турбинных лопаток с равноосной регламентированной макроструктурой из жаропрочных сплавов на никелевой основе, не имеет ограничений по срокам живучести суспензий (при условии постоянного расхода) и полностью адаптирован к автоматизированному процессу изготовления керамических форм, является экономичным (за счёт снижение расходов на производство и использования недорогих материалов), безотходным и экологически безопасным за счёт использования водно-коллоидных связующих.

Заявляемый способ, основанный на использовании недорогого КДСП и недорогих отечественных водно-коллоидных связующих «Армосил», выпускаемых по ТУ20.13.62-014-61801487-2017, позволяет измельчать и регламентировать макроструктуру лопаток в пределах от 0,5 мм до 3,0 мм по диаметру зёрен, что обеспечивает повышение предела выносливости жаропрочных литейных сплавов.

Приведены примеры осуществления способа изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям.

Пример 1. На модельный блок наносится один лицевой слой суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее 43,0, поверхностный модификатор – алюминат кобальта 12,0, КДСП 45,0, последующие слои со 2 по 9 формируются с использованием суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %: высоко-щелочное водно-коллоидное связующее 51,0, КДСП 49,0. Сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 50%, температуре 21⁰С и скорости воздушных потоков 1,0 м/с в течение 2 часов, сушку последующих слоёв производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 30%, температуре 22⁰С и скорости воздушных потоков 4,5 м/с в течение 3,5 часов. Окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита: загрузка керамической формы в холодную печь; нагрев до 750⁰С, со скоростью ≤ 200⁰С/ч; выдержка при температуре 750⁰С в течение 3 часов; охлаждение с печью до температуры 80⁰С.

Пример 2. На модельный блок наносится один лицевой слой суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее 45,0, поверхностный модификатор – алюминат кобальта 8,0, концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (КДСП) 47,0, последующие слои со 2 по 9 формируются с использованием суспензии на основе КДСП следующего состава, мас. %: высоко-щелочное водно-коллоидное связующее 53,0, КДСП 47,0. Сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 52%, температуре 22⁰С и скорости воздушных потоков 0,9 м/с в течение 2 часов, сушку последующих слоёв производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 32%, температуре 21⁰С и скорости воздушных потоков 5,0 м/с в течение 3 часов. Окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита: загрузка керамической формы в холодную печь; нагрев до 745⁰С, со скоростью ≤ 200⁰С/ч; выдержка при температуре 745⁰С, в течение 3 часов; охлаждение с печью до температуры 50⁰С.

Пример 3. На модельный блок наносится один лицевой слой суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее 47,0, поверхностный модификатор-алюминат кобальта 4,0, КДСП 49,0, последующие слои со 2 по 9 формируются с использованием суспензии на основе КДСП следующего состава, мас. %: высоко-щелочное водно-коллоидное связующее 55,0, КДСП 45,0. Сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 54%, температуре 22⁰С и скорости воздушных потоков 1,0 м/с в течение 2 часов, сушку последующих слоёв производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 32%, температуре 21⁰С и скорости воздушных потоков 5,0 м/с в течение 4 часов, окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита: загрузка керамической формы в холодную печь; нагрев до 740⁰С, со скоростью ≤ 200⁰С/ч; выдержка при температуре 740⁰С, в течение 3 часов; охлаждение с печью до температуры 100⁰С.

Положительный технический результат получен во всех приведённых примерах осуществления.

По заявляемому способу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям успешно проведены экспериментальные работы, разработаны технологические режимы и содержание составляющих компонентов вещества, техническое решение внедрено на роботизированном комплексе для изготовления керамических форм в литейном производстве АО «ОДК-Авиадвигатель».

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает повышение срока живучести суспензии за счёт применения новых компонентов наполнителя суспензий, использование меньшего количества компонентов наполнителя суспензий, как для лицевого слоя, так и для последующих слоёв, возможность адаптировать производство керамических форм к автоматизированному процессу изготовления их для использования в литье по выплавляемым моделям отливок из жаропрочных сплавов с равноосной регламентированной макроструктурой, повышение экологической безопасности при работе с суспензиями, снижение расходов на производство.