Применение диэлектрического нагрева при удалении модельных композиций из оболочковых форм в производстве литых лопаток газотурбинных двигателей.

Введение

Литье по выплавляемым моделям, называемое иначе точным литьем, – это один из старейших методов получения различных металлических изделий любой конфигурации практически из любого сплава. По сравнению с такими методами обработки металла, как штамповка, прокат и ковка, литье по выплавляемым моделям обеспечивает существенные преимущества: повышенную точность геометрических размеров готовой литой детали, возможность получения сложных внутренних полостей изделия (например, предназначенных для лопаток газового тракта газотурбинных двигателей), отсутствие необходимости механической доработки и более низкую итоговую стоимость продукции [1–3].

Более того, ряд изделий высокого качества невозможно изготовить иным методом, кроме как точным литьем, который является уникальным для единичного и массового производства рабочих и сопловых лопаток и других ответственных деталей турбин газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Лопатки, изготавливаемые из жаропрочных никелевых сплавов, испытывают целый комплекс напряжений статического (вызывающего деформации растяжения, изгиба и кручения), динамического (включая знакопеременные) и термического (напряжения растяжения, сжатия и другие нагрузки, обусловленные неравномерностью температурного поля) характера [4–6]. Необходимые работоспособность и долговечность лопаток обеспечиваются благодаря специальной системе воздушного охлаждения и нанесения теплозащитных покрытий [7, 8].

Технология изготовления литых лопаток газотурбинных двигателей получила распространение в середине XX в., ее перспективы были открыты академиком С.Т. Кишкиным (1906–2002) – знаменитым ученым, внесшим значительный вклад в развитие авиационного материаловедения [9–12]. В литейном производстве лопаток по выплавляемым моделям технологическая операция удаления модельной композиции из керамических оболочковых форм оказывает существенное влияние на качество готовых отливок.

Требования к проведению технологической операции удаления модельной композиции

Выплавляемые модели (в сравнении с растворимыми и выжигаемыми), получившие наибольшее применение в технологии литейного производства, удаляют после послойного нанесения на модельный блок огнеупорного покрытия и его просушки.

Непосредственно процесс выплавления модельной массы должен обеспечивать выполнение следующих требований:

• максимально возможная полнота удаления;
• высокая точность воспроизведения модели и качества поверхности керамической формы;
• сохранение прочностных свойств и целостности формы;
• возможность повторного (неоднократного) использования модельного состава, снижение затрат на его регенерацию.

Обычно технология удаления модели подразумевает нагрев теплоносителя, что сопровождается напряженно-деформированным состоянием литейной формы: температурное расширение модельной композиции намного превышает расширение керамики, поэтому растягивающие напряжения создают опасность зарождения и дальнейшего развития трещин и могут привести к дефектам отливок. Отметим, что крайне важна интенсификация передачи тепла к выплавляемой модели, формирующая высокий температурный градиент между поверхностью и центральной ее частью. Быстрый нагрев выплавляемого модельного состава приводит к его поверхностному оплавлению и минимизирует величину напряжений в форме [13].

Способы удаления модельных композиций

Способы удаления модельных составов различаются видом применяемого теплоносителя, температурой и продолжительностью проведения процесса и обладают определенными технологическими достоинствами и недостатками [1, 2, 11, 13–15]. В целом использование нагреваемого теплоносителя часто приводит к снижению качества возврата модельного состава, а в ряде случаев вызывает необходимость дополнительной сушки оболочковой формы перед прокалкой в течение нескольких часов.

Наибольшее распространение получила технология погружения форм в ванну с горячей водой.

Использование горячего воздуха представляет большую опасность из-за трещинообразования, поскольку скорость нагрева воздуха меньше, чем других теплоносителей.

Один из эффективных способов удаления моделей – применение перегретого водяного пара в бойлерклаве, который заключается в быстром нагреве и плавлении внешнего слоя модели [16]. Данный способ резко сокращает брак керамических форм [17], но усложняет технологию, связанную как с проблемой насыщения моделей паром, затрудняющей последующую возможность их повторного использования, так и со строгими требованиями соблюдения правил и норм в области промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под давлением [18]. Необходимо также учесть высокую стоимость приобретения бойлерклава.

К принципиально иным способам удаления выплавляемых моделей можно отнести применение диэлектрического нагрева, называемого в зарубежной научно-технической литературе микроволновым. Он заключается в возможности генерации тепла непосредственно в объеме материала и представляет собой воздействие на диэлектрик (в рассматриваемом случае – литейную форму и модельную композицию) электромагнитным излучением сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона (ранее в некоторых случаях – высокочастотного). Диэлектрики обладают некоторой проводимостью в электромагнитном поле, поляризуются, при этом внутримолекулярные заряды начинают смещаться, затрачивая работу против сил межмолекулярного взаимодействия, которая вызывает нагрев. Волна проникает вглубь объекта, происходит объемное и равномерное преобразование энергии электромагнитных колебаний в тепло [15, 19–25]. Отсутствие теплоносителя дает также безынерционность регулирования обработки материала, что приводит к улучшению его качества [26].

Особенности электромагнитного поля и поведения помещенного в него диэлектрика

Рассмотрим подробнее понятие электромагнитного поля и определим факторы, влияющие на величину выделения тепла помещенным в названное поле диэлектриком.

Электромагнитное поле – это взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля, т. е. особая форма материи, создаваемая заряженными частицами и обладающая электромагнитной энергией. Электромагнитное излучение (или электромагнитная энергия) – это распространение электромагнитных волн от точки к точке пространства от определенного источника (генератора).

Как известно, существование электромагнитных волн предсказано в начале 1830-х гг. английским ученым, основоположником учения об электромагнитном поле Майклом Фарадеем (1791–1867). В середине XIX в. Дж.К. Максвелл (1831–1879) составил системы математических уравнений, описывающих электромагнитные явления в вакууме и в сплошных средах. Один из выводов его теории заключался в том, что магнитное поле порождается движущимися зарядами и переменным электрическим полем (током смещения). В конце 1880-х гг. немецкий физик Г. Герц (1857–1894) экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

Электромагнитное излучение распространяется с конечной скоростью, зависящей от свойств среды (в вакууме – со скоростью света, равной 3·10⁸ м/с), причем в каждой точке пространства электрическое и магнитное поля изменяются во времени периодически. Для быстрой смены полей, т. е. увеличения интенсивности колебаний, создают поле более высокой частоты. При взаимодействии электромагнитной волны со средой возможны такие явления, как отражение (например, от металлов, что нашло применение в радиолокации), поглощение, рассеивание и преломление.

Промышленное применение СВЧ-волн, распространяющихся с частотой 300 МГц–300 ГГц (с длиной волны – от 1 м до 1 мм), основано на явлении поглощения электромагнитных волн диэлектриками, полупроводниками, тканями живых организмов и бактериями. Степень поглощения энергии зависит от частоты поля, молекулярного строения, геометрической формы тела, температуры и ряда других параметров. Физическая природа поглощения электромагнитной энергии проявляется в возникновении поляризации (и появлении токов проводимости) – происходит смещение структурных элементов кристаллической решетки диэлектрика со своего нормального положения. Механизм поляризации может быть различным (электронная, ионная, дипольная, объемная, спонтанная, она же самопроизвольная) в зависимости от того, какие составляющие участвуют в этом процессе.

В идеальном диэлектрике (примером которого может служить дистиллированная вода) при отсутствии трения ток смещения I опережает по фазе напряженность поля Е на четверть периода. Угол сдвига фаз φ между током и напряженностью поля составляет 90 градусов.

При наличии трения в диэлектрике возникает некоторое запаздывание по времени поляризации от электрического поля. Таким образом, ток смещения (ток поляризации) опережает напряженность поля на угол <90 градусов.

Количество тепловой энергии (мощность, отнесенная к единице объема, Q (Вт/м³)), выделяющееся из диэлектрика, помещенного в электромагнитное поле, может быть вычислено как произведение плотности тока смещения I (А/м²), напряженности поля Е (В/м) и косинуса угла сдвига между ними сosφ:

$$ Q = IEсosφ. \tag{1} $$

Плотность тока смещения I (А/м²) равна произведению циклической частоты (числу колебаний за 2π секунд, т. е. 2π·ν, где ν – частота поля (Гц)), диэлектрической проницаемости диэлектрика ε (Ф/м) (физической величины, показывающей степень ослабления электрического поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом) и напряженности поля E (B/м):

$$ I = 2πνεЕ. \tag{2} $$

В любом диэлектрике, поглощающем электромагнитную энергию, существует так называемый угол поглощения δ (угол диэлектрических потерь). Он дополняет до 90 градусов угол сдвига фаз φ между током и напряжением: φ + δ = 90 градусов или φ = 90 градусов – δ. Тогда выражение для косинуса угла сдвига с использованием формулы приведения можно будет представить в виде:

$$ \cos\varphi = \cos(90 \text{ градусов} - \delta) = \sin\delta. \tag{3} $$

При малой величине угла можно считать, что его синус практически равен его тангенсу:

$$ \sin\delta \approx \operatorname{tg}\delta, \tag{4} $$

где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь, по величине которого принято оценивать свойства диэлектрических тел – чем его значение больше, тем сильнее диэлектрик нагревается в поле.

Таким образом, формулу (1) с учетом формул (2)–(4) для расчета Q (Вт/м³) можно записать в следующем виде:

$$ Q = 2\pi \nu E E \cos \varphi = 2\pi \nu E^2 \operatorname{tg}\delta. $$

В случае идеального диэлектрика, в котором полностью отсутствуют свободные заряды, состоящего исключительно из заряженных частиц, суммарный заряд которых равен 0, угол сдвига фаз φ составляет 90 градусов, т. е. δ = 0, значит, и Q = 0, поэтому выделения тепла не происходит.

Становится понятно, что эффективность преобразования электромагнитной энергии в тепловую пропорциональна тангенсу угла диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости вещества, частоте поля и квадрату напряженности электрического поля в веществе. По величине получаемого эффекта выгоднее работать на возможно больших частотах, однако по мере проникновения в диэлектрик волна затухает, так как ее энергия переходит в теплоту: внутри объема достаточного уровня тепла не будет, а наружные слои будут испытывать перегрев, т. е. глубина проникновения L (м) обратно пропорциональна частоте поля v (Гц): L ≈ 1/v.

Большинство установок микроволнового нагрева функционирует на некой компромиссной частоте, составляющей 2450 МГц; также к разрешенным частотам для установок относится величина 915 МГц.

Обратим внимание, что тепловая энергия, выделяющаяся в диэлектрике, не зависит от его теплопроводности, что позволяет ускорить процесс микроволнового нагрева, по сравнению с другими его видами.

Конструкции установок микроволнового нагрева

Установки СВЧ-нагрева состоят из источника электромагнитной энергии (генератора) и рабочей камеры, связанных волноводами прямоугольного или коаксиального сечения, а также системы «загрузки–выгрузки». В качестве генераторов используют магнетроны (преобразователи потенциальной энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний), а в отдельных случаях – клистроны (преобразователи кинетической энергии).

Установки могут быть периодического действия (камерные печи, когда термообрабатываемый материал нагревается в рабочей камере, оставаясь неподвижным или же вращаясь по кругу) или непрерывного действия (более производительные конвейерные установки с ленточными транспортерами, когда материал входит в рабочую камеру через одно устройство, перемещается вдоль рабочей камеры, нагреваясь до заданной температуры, и выгружается через другое устройство).

В зависимости от назначения микроволновые установки производят разной мощности – от малой (<0,5 кВт) до большой (>100 кВт). Маломощные установки могут быть бытовыми (например, для приготовления пищевых продуктов и разогрева блюд), среднемощные – лабораторными (для проведения различных научно-исследовательских работ), высокомощные – промышленного назначения (для технологических процессов в массовом производстве).

Некоторые установки используют бегущую волну и называются волноводными, а другие – стоячую волну и называются резонансными.

Конструктивные особенности систем загрузки и выгрузки материалов должны обеспечивать защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от возможной утечки излучения, для чего требуется обязательное оснащение блокировкой, мгновенно выключающей подачу энергии в случае аварийной ситуации. Должно соблюдаться обеспечение заданного технологического режима в процессе эксплуатации и надежной работы генератора электромагнитных колебаний. Узкий по частоте спектр излучения магнетрона возбуждает относительно небольшое число видов колебаний. Увеличения их количества достигают одновременным использованием двух или нескольких магнетронов, а однородность нагрева улучшают применением различных «перемешивателей» электромагнитного поля и перемещением термообрабатываемого материала в камере [19, 26].

Основные области применения установок диэлектрического нагрева

Поскольку существует множество веществ, материалов и сред, способных к поглощению электромагнитной энергии СВЧ-диапазона, то этим и объясняется разнообразие областей применения установок диэлектрического нагрева. Первые из них появились за рубежом в 1930-х гг. и предназначались главным образом для сушки древесины. В нашей стране подобные устройства нашли применение на тридцать-сорок лет позже – в основном для термической обработки продуктов, содержащих воду.

В последние десятилетия более широкое распространение технологические процессы применения электромагнитного излучения получили в науке и в разных отраслях промышленности. Энергия СВЧ применяется все чаще для термической обработки материалов, изменения молекулярной структуры и фазового состава веществ. При выборе способа СВЧ-обработки часто решающее значение имеет возможность проведения избирательного нагрева.

Приведем несколько примеров применения современных микроволновых технологий: электронная техника; химическая промышленность – органический синтез, каталитические процессы, термообработка полимерных материалов, производство пластмасс, вулканизация резины; строительство – твердение бетона, размораживание и термоупрочнение грунта, производство кирпича и фанеры; сельское хозяйство – сушка зерна и семян, обработка почвы перед посевом; пищевая промышленность – сушка, пастеризация, размораживание, отверждение, стерилизация; медицина и фармацевтика – микроволновая радиометрия, экстракция, размораживание клеток и тканей, диатермия (глубокий прогрев подкожных тканей для снятия боли и ускорения заживления), микроволновая термоабляция злокачественных новообразований (локальное электромагнитное воздействие с разрушением опухолевой ткани), производство лекарств и стерилизация; микробиология (СВЧ-инактивация бактерий); текстильная и целлюлозно-бумажная промышленность; полиграфия; процессы переработки и утилизации бытовых полимерных отходов и другое [26–31].

Заключение

В следующей части статьи будут рассмотрены исследования в области применения энергии электромагнитного поля в производстве литых лопаток газотурбинных двигателей, направленные на увеличение интенсивности термообработки, ускорение проникновения излучения в глубину формы, экономию времени и расхода электроэнергии.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.