Введение

Широкую номенклатуру деталей различного назначения изготавливают как в России, так и за рубежом, чаще всего методом точного литья по выплавляемым моделям. Этот метод позволяет получать требуемую отливку любой, в том числе сложной, конфигурации с высокой точностью размеров. Поскольку дополнительная обработка полученной отливки практически не требуется, то трудоемкость и себестоимость литейного производства оказывается значительно ниже, чем при изготовлении аналогичных деталей другими способами. Так, литьем по выплавляемым моделям получают различные детали авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок. Важнейшее значение среди таких деталей имеют лопатки из никелевых жаропрочных сплавов [1–4]. Они подвергаются действию целого комплекса термических и механических нагрузок, поэтому надежность лопаток определяет максимальную продолжительность эксплуатации двигателя [5]. Работоспособность рабочих и сопловых лопаток обеспечивается системой их охлаждения, так как температура газа на входе в турбину намного выше температуры плавления жаропрочных сплавов [6].

Изготовление образцов и деталей методом литья по выплавляемым моделям состоит из следующих стадий: изготовление модели детали и литниково-питающей системы в пресс-формах; отделка моделей; соединение моделей в блоки; послойное нанесение огнеупорной керамической суспензии, состоящей из связующего и наполнителя, с обсыпкой каждого слоя шлифпорошком и просушкой, т. е. получение оболочковой формы; удаление модели из формы; прокалка оболочковой формы; заливка оболочки жаропрочным сплавом.

Физико-химические свойства и качество модельных композиций оказывают решающее влияние на геометрическую точность и класс чистоты поверхности отливки, получаемой точным литьем [7]. Отсюда главное требование к модельным композициям – обязательное обеспечение высокого качества литых деталей при одновременном удобстве применения (технологичности). Оптимальный состав модельной композиции должен основываться на принципе использования недефицитных материалов и минимизации числа компонентов. Модельная композиция должна также иметь хорошую текучесть в пастообразном состоянии, невысокую и стабильную усадку; обладать прочностью и твердостью для недопущения деформации и повреждения моделей; не взаимодействовать химически с материалом пресс-формы и со связующим; обладать хорошей смачиваемостью, минимальной зольностью для большей полноты выгорания при прокалке форм и недопустимости образования поверхностных дефектов на отливке; иметь невысокую температуру плавления для обеспечения хорошей заполняемости пресс-формы в процессе изготовления моделей и простоты их удаления из оболочковой формы. При выборе модельной композиции дополнительно учитывают такие параметры, как легкость припаивания, возможность регенерации и отсутствие вредных компонентов [2, 3, 8].

В СССР в промышленных масштабах при литье по выплавляемым моделям использовали воскообразные выплавляемые парафино-стеариновые модельные составы, такие как ПС 50-50 и ПС 70-30, а также состав с добавлением этилцеллюлозы ПСЭ 70-25-5 [2]. Модели на основе природных сырьевых материалов (минеральных восков, нефти, торфа, каменного угля) несколько десятилетий являлись основными в отечественной авиационной промышленности, где практически все пресс-формы были рассчитаны на использование этих композиций.

Но несмотря на хорошие реологические свойства в пастообразном состоянии, составы отличались малой теплостойкостью ~35 °С. Более того, стеарин мог вступать в реакцию с растворителями этилсиликатного связующего, входящего в состав керамической суспензии.

Получение более точных моделей, не взаимодействующих с компонентами суспензии и водой при их удалении из оболочковой формы, было обеспечено новыми составами, в основу которых входили синтетические полимеры, полиэтиленовые воски ‒ например, состав ПВ-200. Они оказывали положительное влияние на прочность и термоустойчивость моделей. Самый известный состав марки ВИАМ-102 (парафин, буроугольный воск, торфяной воск, триэтаноламин) впоследствии был снят с производства из-за дефицита торфяного воска. Опыт применения подобных модельных масс в промышленности показал ряд их недостатков, таких как низкая смачиваемость суспензией, высокие коэффициент термического расширения и зольность, склонность к трещинообразованию.

Постоянно возрастающие требования к качеству поверхности литых деталей и размерной точности приводили, в свою очередь, к непрерывному повышению требований к качеству применяемых модельных композиций и совершенствованию технологических процессов их изготовления и нанесения керамического покрытия на модельные блоки. Но отечественные научно-исследовательские работы в области разработки новых модельных композиций в конце 1980-х гг. были прекращены, большинство двигателестроительных заводов оказались вынуждены работать с импортными модельными составами. Чаще всего для изготовления рабочих и сопловых лопаток, деталей соплового аппарата, камеры сгорания газотурбинного двигателя применяли модельные композиции производства США и Великобритании [8]. Они представляли собой твердые растворы олигомеров в предельных углеводородах разной степени насыщения ‒ например, парафин и церезин с пластификатором сэвиленом (сополимер этилена с винилацетатом) и упрочняющими добавками – полимерными смолами.

Материалы и методы

Возобновление исследований и создание модельных композиций нового поколения на основе синтетических смол и восков низкой зольности относится к началу 2000-х гг. Всесторонние исследования, проведенные специалистами ФГУП «ВИАМ» (в настоящее время – НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ) и ФГУП «ММПП «Салют» (в настоящее время – производственный комплекс «Салют» АО «ОДК»), позволили разработать модельные композиции с улучшенными технологическими характеристиками на основе отечественных синтетических материалов, таких как нефте- и термополимерные смолы и их сополимеры [1, 3, 4, 7–13]: сначала – типа Салют, а затем – типа ВИАМ. На рис. 1 представлены образцы нескольких марок модельных композиций типа ВИАМ.

В современный типовой модельный состав нового поколения входят около десяти различных компонентов: парафин, воск, смолы; пластификаторы, повышающие трещиностойкость; присадки, красители; наполнители, увеличивающие прочность и стабильность готовых моделей (например, терефталевая кислота).

Разработка современных отечественных модельных композиций нацелена на устранение необходимости приобретения иностранной продукции российскими авиа- и двигателестроительными предприятиями.

В таблице представлены основные физико-механические характеристики модельных композиций типа ВИАМ: предел прочности при статическом изгибе, линейная усадка, теплоустойчивость, температура каплепадения, зольность. Они обладают также хорошей текучестью, инертностью к материалам керамической формы, устойчивостью к трещинам, нетоксичностью и технологической безопасностью [14].

Физико-механические свойства модельных композиций типа ВИАМ

Рис. 1. Образцы отдельных модельных композиций типа ВИАМ

Модельные композиции изготавливают из отечественных синтетических материалов высокого качества, что гарантирует стабильность и высокий уровень физико-механических и технологических свойств готовой продукции, а также низкую стоимость (по сравнению с зарубежными аналогами). Таким образом, проблема импортозамещения в технологии производства современных модельных композиций была решена.

Увеличение или уменьшение температуры, давления и скорости запрессовки модельных композиций типа ВИАМ не приводит к изменению технологических свойств. Комплекс выполненных исследований позволил разработать нормативную документацию: Технические условия 1-595-1-1545‒2015 (с изменением № 1) на модельные композиции и Технологическую инструкцию 1-595-1-838‒2023 на изготовление модельных композиций. В 2016 г. коллектив авторов во главе с академиком РАН Е.Н. Кабловым получил патент РФ 2600468 «Композиция для изготовления выплавляемых моделей» [15].

Высокий спрос, возникший со стороны промышленных предприятий, привел к созданию в НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ в середине 2010-х гг. специального производственного участка по изготовлению модельных композиций нового поколения. Выпускается следующая продукция – модельные композиции марок Салют-1, Салют-2, Салют-3, Салют-4, ВИАМ МК-1, ВИАМ МК-2, ВИАМ МК-4, а также производится марка ВИАМ МК-Л, применяемая для литниково-питающих систем. Производственная мощность участка составляет 60 т в год [14]. На производственном участке для изготовления модельных композиций используют специальную установку, состоящую из пяти смесителей и роликового конвейера (рольганга), которая в течение рабочего дня позволяет изготавливать до 250 кг различных композиций. Проверку качества готовой продукции осуществляют в специальном помещении, оснащенном необходимым испытательным оборудованием и средствами измерения: автоматическим аппаратом для определения температуры каплепадения упрочняющих компонентов; аппаратом для определения пенетрации; автоматическим прибором для определения температуры размягчения полимеров; аналитическими весами, используемыми для определения зольности; универсальной испытательной машиной для определения предела прочности при статическом изгибе; электропечью и термостатом.

Модельные композиции производятся как для внутреннего использования в цехах НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ при изготовлении образцов и деталей газотурбинных двигателей, так и для поставки на следующие предприятия: ПАО «ОДК-УМПО» (Уфа), ООО «Башполимерхим» (Уфа), АО «КМПО» (Казань), АО «МПО «Металлист» (Москва), ООО «Виола Кемикал» (Москва), ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова (Москва), ООО «ПТК «Электросталь» (Москва), Иркутский авиационный завод – филиал ПАО «Яковлев» (Иркутск), Филиал ПАО «ОДК-Сатурн – ОМКБ» (Омск) и другие.

Сотрудниками лаборатории «Технологии литейных процессов жаропрочных сплавов и сталей» проведена исследовательская работа по изучению влияния процесса гранулирования на технологичность получения готовых модельных композиций типа ВИАМ. Для этого в НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ приобретена и введена в эксплуатацию специальная линия грануляции, производительность которой составляет от 60 до 100 кг в смену (рис. 2).

Рис. 2. Линия грануляции модельных композиций: 1 – ленточный гранулятор; 2 – бак нагрева; 3 – водяной бак охлаждения; 4 – пульт управления

Конструкция линии грануляции восков, парафинов и смол предусматривает возможность ее использования также для производства композиционных материалов на основе названного сырья.

Измельченное сырье загружается в бак нагрева для получения расплава и равномерного смешивания компонентов. Расплавленный материал далее транспортируется при помощи насоса в формующую головку. Она состоит из обогреваемого цилиндрического статора, в который подается жидкий продукт, и перфорированного кожуха, который вращается вокруг статора и распределяет капли продукта по всей рабочей ширине стальной ленты конвейера, выполняющего также функцию охладителя.

Система распределительных каналов и внутренних форсунок, встроенных в цилиндрический статор, создает одинаковое давление по всей его ширине, что обеспечивает равномерную подачу продукта через все отверстия внешнего перфорированного кожуха. Благодаря этому по всей ширине ленты происходит формирование гранул одинаковой формы и равной прочности, при этом пылеобразование исключается. Скорость вращения формующей головки синхронизирована со скоростью движения ленты, что не допускает возможности деформации гранул при их распределении.

Тепло, выделяемое при охлаждении и кристаллизации, отводится через стальную ленту с помощью подаваемой воды, охлаждающей внутреннюю сторону ленты. Вода собирается в поддонах и возвращается в систему оборотного водоснабжения, не контактируя с продуктом. Для дополнительного охлаждения ленты в конвейер встроена также система воздушного охлаждения.

Отделение готовых охлажденных гранул модельного состава от ленты производят с помощью специального скребка. Гранулы пересыпают в зону загрузки пневмотранспорта для дальнейшей транспортировки в фасовочное оборудование.

Результаты

Проведенная работа по опробованию технологии грануляции модельных композиций типа ВИАМ позволила сделать следующие выводы. Полученные в процессе изготовления гранулы обладают хорошей сыпучестью и становятся практически идеальными как для переработки или смешивания, так и для транспортировки или хранения с целью использования в дальнейшем. Гранулирование модельных композиций позволяет осуществлять удобную загрузку в пресс, улучшая адаптированность к современным пресс-машинам. Гранулированные продукты обладают более высокой насыпной плотностью и улучшенными характеристиками для расфасовки.

Рис. 3. Смесь гранул модельных композиций типа ВИАМ

Следует отдельно отметить, что технология гранулирования ‒ экологически чистое производство, поскольку применяемая охлаждающая среда (вода) не соприкасается с продуктом, что исключает даже малейшую возможность его загрязнения. Высокая теплопроводность стальной ленты обеспечивает небольшую продолжительность охлаждения модельных композиций, а следовательно, только немного испарений или газов может попасть в атмосферу; в то же время лишь минимальное количество кислорода может проникнуть в продукт. Гранулы образуются непосредственно из расплава, избавляя от необходимости затрат на энергию и оборудование, связанных с последующим перемалыванием, дроблением или каким-либо иным процессом измельчения продукта. На рис. 3 представлены полученные в результате исследования гранулы различных марок модельных композиций типа ВИАМ.

Благодаря проведенной исследовательской работе НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ получил возможность производить для отечественной промышленности модельные композиции как в виде плит (брикетов), так и в виде гранул.

Обсуждение и заключения

При изготовлении различных литых образцов и деталей (в том числе лопаток газотурбинных двигателей) методом литья по выплавляемым моделям свойства модельной композиции определяют точность детали и класс чистоты поверхности. Проведенные экспериментальные исследования по гранулированию модельных композиций типа ВИАМ с помощью специального оборудования (линии грануляции) позволили улучшить технологичность процесса в части подготовительной работы как перед запрессовкой в плане удобства загрузки пресса, так и при хранении, смешивании, погрузке и перемещении продукции.

Применение современных модельных композиций с улучшенными технологическими характеристиками позволяет обеспечить отечественные предприятия высококачественными материалами для изготовления лопаток газотурбинных двигателей сложной формы, различных фасонных, корпусных и иных деталей. Это способствует обеспечению более высокого выхода годных отливок.

Исключительно важно, что применение высококачественных сырьевых материалов отечественного производства позволяет полностью исключить зависимость от импорта.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.