×
18.05.2019
219.017.540e

Результат интеллектуальной деятельности: СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении изделий из жаропрочных сплавов, преимущественно лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). Смесь в качестве основного компонента содержит порошок твердого раствора на основе плавленого SiO, содержащего от 5 до 30 мас.% CrО и/или AlO, и спекающую добавку. Компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: компонент на основе SiO 75,0-99,5, спекающая добавка 0,5-25,0. Спекающая добавка содержит, по крайней мере, порошок одного из соединений из ряда сиалон, LaО, LaB. В качестве сиалона она содержит, по крайней мере, одно соединение из ряда твердых растворов, образующихся в системе Si-Al-O-N. Преимущественно используют системы на основе оксинитрида кремния с элементной формулой SiAlON, где х=0-0,2, на основе нитрида кремния с элементной формулой SiAlON, где z=0-4,2, на основе политипоидов нитрида алюминия с элементной формулой AlSiON, где m=4, 5, 6, 8. Применение смеси позволяет повысить предел прочности стержней при изгибе σ до 14,0-26,0 МПа, снизить линейную усадку до ≤0,1-0,8%, глубину взаимодействия со сплавом ЖС6У до 0,03-0,05 мм. Технологический процесс изготовления стержней соответствует экологическим и медицинским требованиям. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к составам смесей для изготовления керамических стержней, формирующих внутренние полости (каналы охлаждения) в изделиях из жаропрочных сплавов, преимущественно в лопатках газотурбинных двигателей (ГТД).

Традиционным материалом для изготовления стержней для литья лопаток ГТД из жаропрочных сплавов является керамика на основе плавленого SiO2 (I.C.Huseby, M.P.Borom and C.D.Gresjkovid, High temperature characterization of silica-based core for superalloys, Am. Ceram. Soc. Bull., 58, 448-52, 1979).

Керамика может содержать также до 40 мас.% спекающей добавки из ряда более тугоплавких оксидов: ZrSiO4, ZrO2, Al2О3. Стержни из плавленого SiO2 устойчивы к воздействию металлических расплавов, имеют низкий коэффициент температурного линейного расширения и относительно легко удаляются из изделия при помощи водных растворов щелочей. Недостатки данной керамики связаны с низкой прочностью (предел прочности при изгибе обычно составляет 10,0÷12,0 МПа) и фазовой нестабильностью основного компонента. При спекании плавленый аморфный SiO2 частично расстекловывается с образованием кристобалита. На стадии охлаждения данная кристаллическая модификация SiO2 подвержена деструктивному полиморфному превращению с изменением удельного объема. Это проводит к образованию макротрещин, резкому снижению прочности и потере требуемой геометрической конфигурации (коробление) стержня. Максимальное содержание кристаллической фазы, при котором керамические стержни способны сохранять приемлемые прочностные свойства, не превышает 15-30 об.%.

Спекание керамических стержней в условиях минимального или полного отсутствия расстекловывания аморфного SiO2, т.е. при температуре ниже 1100°С, требует усложнения технологической схемы их получения: из-за недостаточной интенсивности спекания для упрочнения полученного материала необходима его пропитка коллоидными растворами оксидов и проведение повторного обжига (N.Lequeux, H.Larose, and P.Boch, Low Shrinkage Refractories by an Infiltration Technique, J. Eur. Ceram. Soc., 14 [1], 23-27, 1994; US 5697418, 16.12.1997; C.H.Chao and H.Y.Lu, Optimal Composition of Zircon-Fused Silica Cores For Casting Superalloys, J. Am. Ceram. Soc., 85 [4], 773-79, 2002).

Степень расстекловывания плавленого аморфного SiO2 при обжиге керамических стержней зависит и от качества исходного порошка плавленого SiO2. Для получения стержневой керамики используют плавленый SiO2 с содержанием основного вещества не менее 99,95 мас.%. Примеси, особенно щелочные или щелочноземельные элементы, активируют процесс расстекловывания аморфного SiO2 (US 4093017, 06.06.1978). Однако указанные примеси оказывают негативное влияние на прочностные свойства при высоких температурах.

Одним из способов снижения дефектности керамических стержней при высокотемпературном обжиге (Т=1150÷1370°С) является использование смеси для изготовления литейных керамических стержней, которая содержит основной компонент на основе плавленого диоксида кремния (SiO2), до 35 мас.% спекающей добавки ZrSiO4, до 5 мас.% ультрадисперсного порошка SiO2 и от 1,5 до 6,5 мас.% термически стабильных керамических волокон (US 4989664, 05.02.1991). Ультрадисперсный порошок SiO2 со средним размером частиц 0,007÷0,014 мкм активирует спекание, а термически стабильные керамические волокна подавляют усадку и образование макротрещин при обжиге. Недостатком известного изобретения, выбранного в качестве наиболее близкого аналога, является применение высокотоксичных веществ. Ультрадисперсные порошки и керамические волокна вызывают профессиональные, в том числе онкологические, заболевания органов дыхания.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка смеси для изготовления керамических стержней, обладающих высокими прочностными характеристиками, низкой линейной усадкой в процессе обжига, малой глубиной взаимодействия с жаропрочными сплавами, хорошей растворимостью в водных растворах щелочей, при высокой технологичности процесса изготовления стержней, соответствующего экологическим и медицинским требованиям.

Технический результат достигается тем, что смесь в качестве основного компонента содержит порошок твердого раствора на основе плавленого SiO2, содержащего от 5 до 30 мас.% Cr2О3 и/или Al2О3, спекающую добавку, в качестве которой содержит по крайней мере порошок одного из соединений из ряда сиалон, La2O3, LaB6, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Основной компонент на основе SiO275,0÷99,5
Спекающая добавка0,5÷25,0

при этом в качестве сиалона она содержит по крайней мере одно соединение из ряда твердых растворов, образующихся в системе Si-Al-O-N, преимущественно на основе оксинитрида кремния с элементной формулой Si2-xAlxO1+xN2-x, где х=0÷0,2, на основе нитрида кремния с элементной формулой Si6-zAlzOzN8-z, где z=0÷4,2, на основе политипоидов нитрида алюминия с элементной формулой AlmSiO2Nm, где m=4, 5, 6, 8.

Порошок твердого раствора на основе плавленого SiO2, содержащего от 5 до 30 мас.% Cr2О3 и/или Al2О3, а также спекающие добавки из ряда сиалонов могут быть получены любыми известными методами, в том числе и в режиме горения.

Содержание в твердом растворе от 5 до 30 мас.% Cr2О3 и/или Al2О3 за счет замещения четырехвалентного кремния трехвалентными элементами увеличивают кинетическую стабильность аморфного SiO2 по отношению к фазоразделению и расстекловыванию, повышают его огнеупорность и сопротивление ползучести.

Указанные порошки сиалонов при обжиге на воздухе в зависимости от соотношения Si и Al в исходном соединении окисляются с образованием кристобалита, муллита и α-Al2О3. Образуемые оксидные фазы связывают частицы твердого раствора на основе плавленого SiO2, способствуют получению стержней точной формы из заявляемой смеси и с высоким выходом.

Предлагаемое изобретение было отработано в условиях литейного производства ФГУП ММПП "САЛЮТ". Керамические стержни изготавливали по стандартной схеме, включающей приготовление термопластичного шликера с использованием органического парафино-полиэтиленового пластификатора в количестве 10-15% сверх 100% от массы заявляемой смеси, формование исходных заготовок методом литья под давлением и последующий обжиг на воздухе в туннельной газовой печи при 1350±20°С в течение 7-10 часов в засыпке из глинозема.

Составы исходных смесей представлены таблице 1. Свойства керамических стержней, изготовленных из заявленной смеси (величина линейной усадки образца при обжиге и прочность при изгибе в холодном состоянии после спекания) по примерам, представлены в таблице 2.

Как видно из представленных данных, использование заявленной смеси позволяет получать керамические стержни с минимальными отклонениями от заданных размеров (менее 1%) и высокой прочностью при изгибе (14,0÷26,0 МПа), глубиной взаимодействия со сплавом ЖС6У до 0,03÷0,05 мм, при высокой технологичности процесса изготовления стержней, соответствующего экологическим и медицинским требованиям.

Кроме того, смеси полностью удалялись из формы при растворении в 30%-ном водном растворе КОН при 100÷110°С в течение 1÷2 час.

Дополнительно для иллюстрации изобретения было проведено сравнительное испытание керамических стержней, изготовленных из заявляемой смеси на основе плавленого твердого раствора SiO2 и сиалона с элементной формулой Si5Al1O1N7 и из смеси на основе электрокорунда, используемой в настоящее время при серийном производстве лопаток ГТД (Специальные способы литья: Справочник. Под ред. В.А.Ефимова, М.: Машиностроение, 1991, с.140-148),

Использовалось следующее соотношение ингредиентов в исходной смеси (мас.%):

Заявляемая смесь на основе плавленого
твердого раствора SiO2SiO2-Cr2O3(15,0)-Al2O3(5,0) - 92,0
Спекающая добавка - сиалонSi5Al1O1N7 - 8,0
Известная смесь на основе электрокорундаAl2O3 (электрокорунд) - 98,5
Спекающая добавкаSiC - 1,5

Показателями качества стержней служили: прочность при изгибе в холодном состоянии после спекания, коэффициент термического расширения, интенсивность взаимодействия с никелевым сплавом ЖС6У, величина линейной усадки образца при обжиге, чистота поверхности стержней, время и условия полного удаления стержня из отливки. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Заявленная смесь была опробована для наработки опытных партий керамических стержней различной конфигурации и показала свою пригодность для производства лопаток ГТД. Применение заявленной смеси позволило облегчить условия удаления стержней из отливки и на 10% повысить выход готовых изделий за счет уменьшения числа дефектов в отливках, связанных с качеством стержней.

Таблица 1
Состав исходной смеси, мас.%
№ примераТвердый раствор на основе плавленого SiO2 (содержание Cr2О3 и/или Al2О3 в твердом растворе, мас.%)Спекающая добавка мас.%
1SiO2-Cr2O3(5,0) - 99,5LaB6 - 0,5
2SiO2-Cr2O3(25,0)-Al2O3(5,0) - 97,0La2O3 - 3,0
3SiO2-Cr2O3(10,0)-Al2O3(5,0) - 91,0Si1,8Al0,2О1,2N1,8 -7,5; La2O3 - 1,5
4SiO2-Cr2O3(15,0) - 84,0Si3Al3О3N5 - 15,0; LaB6 - 1,0
5SiO2-Al2O3(10,0) - 75,0SiAl4O2N4 - 25,0
Таблица 2
№ примераСвойства литейных керамических стержней, изготовленных из заявляемой смеси по примерам
Предел прочности при изгибе σизг, МПаЛинейная усадка, %
118,0÷21,00,4÷0,6
221,0÷26,00,6÷0,8
319,0÷24,00,2÷0,5
418,0÷22,0≤0,2
514,0÷18,0≤0,1

Таблица 3
ПоказателиСвойства литейных керамических стержней, изготовленных
из смеси на основе электрокорунда*из заявленной смеси
Предел прочности при изгибе σизг, МПа14,0÷18,015,0÷19,0
Класс чистоты поверхности стержней4÷55÷6
КТР, °С-18,0·10-60,2÷0,5·10-6
Линейная усадка, %0,2÷0,50,2÷0,5
Глубина взаимодействия со сплавом ЖС6У, мм0,1÷0,20,03÷0,05
Условия удаления стержня из тела лопаткиРасплав бифторида калия (KHF2) Т=250÷310°С, t ˜ 6÷70 час30%-ный водный раствор КОН Т=100÷110°С, t ˜ 1÷5 час
* Специальные способы литья: Справочник. Под ред. В.А.Ефимова, М.: Машиностроение, 1991, С.140-148

ОсновнойкомпонентнаосновеSiO75,0-99,5Спекающаядобавка0,5-25,0c0c1211none9311.Смесьдляизготовлениялитейныхкерамическихстержней,преимущественнодляотливокизжаропрочныхсплавов,включающаяосновнойкомпонентнаосновеSiOиспекающуюдобавку,отличающаясятем,чтоонавкачествеосновногокомпонентасодержитпорошоктвердогорастворанаосновеплавленогоSiO,содержащегоот5до30мас.%CrОи/илиAlО,авкачествеспекающейдобавки,покрайнеймере,порошокодногоизсоединенийизрядасиалон,LaО,LaB,приследующемсоотношениикомпонентов,мас.%:12.Смесьпоп.1,отличающаясятем,чтовкачествесиалонаонасодержит,покрайнеймере,односоединениеизрядатвердыхрастворов,образующихсявсистемеSi-Al-O-N,преимущественно,наосновеоксинитридакремниясэлементнойформулойSiAlON,гдех=0-0,2,наосновенитридакремниясэлементнойформулойSiAlON,гдеz=0-4,2,наосновеполитипоидовнитридаалюминиясэлементнойформулойAlSiON,гдеm=4,5,6,8.2
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 41-50 из 80.
27.04.2019
№219.017.3dfc

Способ ремонта лопаток турбинных машин

Изобретение относится к ремонтному производству и может быть использовано для восстановления лопаток турбинных машин. Определяют линию ремонтного сечения лопатки, по которой удаляют дефектную часть. Пристыковывают платики к боковым сторонам лопатки. Причем одну из сторон каждого платика...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002316418
Дата охранного документа: 10.02.2008
27.04.2019
№219.017.3dfd

Способ обработки деталей

Изобретение относится к машиностроению, в частности к бесконтактной магнитоимпульсной обработке деталей газотурбинных двигателей, работающих в агрессивных высокотемпературных средах в условиях знакопеременных нагрузок. Для повышения технологичности обработки за счет возможности формирования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002316602
Дата охранного документа: 10.02.2008
27.04.2019
№219.017.3dfe

Способ производства заготовок из порошковых сплавов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству заготовок из порошковых жаропрочных никелевых сплавов. Может использоваться для изготовления деталей, стойких к окислению при повышенных температурах и работающих в условиях тяжелого нагружения. Порошковый материал...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002316413
Дата охранного документа: 10.02.2008
27.04.2019
№219.017.3dff

Способ восстановления гребешков лабиринтных уплотнений лопаток турбомашин

Изобретение относится к наплавке гребешков лабиринтных уплотнений лопаток турбомашин и может быть использовано в авиационной промышленности и энергомашиностроении. Устанавливают лопатки турбомашин в положение, обеспечивающее подвод к ним сварочной головки. Между гребешками лабиринтных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002317182
Дата охранного документа: 20.02.2008
27.04.2019
№219.017.3e00

Способ определения дефектов в изделии методом теплового неразрушающего контроля

Изобретение относится к контрольно-диагностическим технологиям. Способ включает нагрев изделия, его последующее охлаждение, измерение температуры изделия и определение темпа охлаждения для каждой элементарной площадки поверхности изделия. Охлаждение осуществляют рабочей средой, в качестве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002315983
Дата охранного документа: 27.01.2008
29.04.2019
№219.017.40cf

Способ наведения луча электронно-лучевой пушки на состыкованные поверхности свариваемых заготовок

Изобретение относится к способу наведения луча электронно-лучевой пушки на состыкованные поверхности свариваемых заготовок и может быть использовано при изготовлении любых ответственных деталей газотурбинных двигателей, где необходимо точное выдерживание геометрических размеров деталей после...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002393069
Дата охранного документа: 27.06.2010
29.04.2019
№219.017.40f9

Способ изготовления блинга газотурбинного двигателя электронно-лучевой сваркой

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки, в частности к способу изготовления блинга газотурбинного двигателя электронно-лучевой сваркой. Способ изготовления блинга газотурбинного двигателя электронно-лучевой сваркой из заготовок в виде лопаток с хвостовиками и с элементами...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002395376
Дата охранного документа: 27.07.2010
09.05.2019
№219.017.4c03

Состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии. Состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: хром - 3,0-7,0, кобальт - 4,0-8,5, углерод - 0,1-0,2, вольфрам - 11,5-15,0, алюминий - 4,8-5,8, ниобий - 0,4-1,0, титан - 2,0-3,0, молибден -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002344190
Дата охранного документа: 20.01.2009
18.05.2019
№219.017.53e9

Способ получения литого сплава в режиме горения

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литых сплавов на основе кобальта, которые могут быть использованы в авиационной промышленности для конструктивного упрочнения бандажных полок в лопатках газотурбинных двигателей. Предложен способ литого сплава в режиме горения....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002270877
Дата охранного документа: 27.02.2006
18.05.2019
№219.017.53f1

Способ получения литого оксидного материала и материал, полученный этим способом

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения литых оксидных материалов на основе оксида кремния, которые могут быть использованы для получения керамических стержней сложной конфигурации для литья лопаток газотурбинных двигателей. Предложен способ получения литого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002270878
Дата охранного документа: 27.02.2006
+ добавить свой РИД