Введение

В настоящее время все предприятия авиационной отрасли, выпускающие лопатки турбин для газотурбинных двигателей и установок (ГТД и ГТУ), для изготовления керамических стержней используют стержневые составы, основным исходным керамическим материалом которых является оксид алюминия (электрокорунд) различных фракций. Удаление керамических стержней на основе электрокорунда с развитой поверхностью представляет собой большую проблему. Для обеспечения 100%-го удаления керамических стержней из внутренней полости турбинных лопаток требуется увеличение количества технологических циклов, что приводит к повышению трудоемкости и стоимости изготовления турбинных лопаток, а также к образованию различных дефектов на поверхности внутренней и наружной полостей лопаток в процессе удаления (выщелачивание карбидов, осаждение чистого никеля, зарождение водородных трещин) [1–12].

Обозначенные проблемы обуславливают необходимость изыскания новых материалов и новых составов из них с высокими прочностью, стойкостью к термическим ударам и химической инертностью к жаропрочным сплавам, а также с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и легкоудаляемостью. Такими керамическими материалами являются плавленый кварц (SiO₂)и стержневые составы на его основе, достоинства которых заключаются в их очень низком ТКЛР, возможности снижения температуры спекания при сохранении прочностных характеристик и легкоудаляемости из лопаток турбин в водных растворах щелочей.

Таким образом, разработка составов керамических стержней на основе плавленого кварца и технологии их изготовления является одним из приоритетных направлений, отраженных в «Стратегических направлениях развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [13].

Материалы и методы

Получение керамических стержней для лопаток турбин ГТД и ГТУ представляет собой сложную техническую задачу, поскольку к стержням предъявляются высокие и взаимоисключающие требования:

– низкая объемная и линейная усадка при высокотемпературном обжиге, обеспе-чивающая высокую геометрическую точность;

– минимальная шероховатость поверхности, обеспечивающая отсутствие концентра-торов напряжений во внутренней полости отливок лопаток;

– оптимальное сочетание высокой прочности и пористости для исключения дефектов типа «полом» стержней, а также обеспечение 100%-го удаления керамических стержней без дефектов поверхности охлаждаемых лопаток типа «растрав»;

– химическая инертность к расплавам жаропрочных никелевых сплавов при высоких температурах заливки, выдержки при кристаллизации и охлаждении отливок лопаток [1, 2].

По результатам проведенного анализа научно-технической информации выявлено, что в настоящее время в России и за рубежом разработаны стержневые составы для изготовления керамических стержней, которые могут обеспечить предъявляемые высокие требования и в которые в качестве исходных керамических материалов входит плавленый кварц. Стержни на основе плавленого кварцаустойчивы к воздействию жаропрочных никелевых сплавов, имеют низкий ТКЛР и легко удаляются из внутренней полости. Однако все ранее разработанные составы керамических стержней на основе плавленого кварцапредназначены для изготовления фасонных отливок с керамическими стержнями простой геометрической формы [2].

Технология твердофазного спекания для изготовления керамических стержней основана на использовании зернистых порошков чистых оксидов, что позволяет получать пористые высокоогнеупорные керамические стержни зернистого строения. Структура керамического материала зернистого строения может быть сформирована из непрерывного и ступенчатого зерновых составов. При выборе ступенчатого зернового состава необходимо использовать принцип укладки зерен с незначительной разницей в размерах отдельных фракций порошков как наиболее универсальный для регулирования в широких пределах основных свойств материала стержней [4].

Выбор ступенчатого зернового состава порошков плавленого кварца базировался на положении, что при определенном соотношении размеров и массового содержания фракций порошков оксидов должна возникать пористая структура из взаимнопроникающих объемных каркасов (блоков), сложенных из зерен, связанных керамической связкой. Предложенная модель зернистой структуры должна снизить напряжения между объемными каркасами, сложенными из частиц близких размеров, которые возникают при высокотемпературном обжиге, и позволит решить проблему коробления сложных тонкостенных керамических стержней. Применение таких порошковых композиций не приведет к снижению пористости, так как зерна близких размеров не могут взаимно заполнять пустоты, которые образуются при их укладке. Общее число контактов между зернами по сравнению с монофракционными составами должно возрасти и способствовать увеличению прочности материала керамического стержня, а также снижению шероховатости [4–7].

За основу исследований по выбору оптимального состава керамической шихты стержневой смеси в качестве керамического материала в экспериментальных составах использован плавленый кварц марок ПКП, ПКС95С, ПКЗ008С, ПКЗ016С и ПКЗ0,315-0,4С производства ООО «Родонит».

По результатам анализа научно-технической информации установлено, что наличие дефектов (микротрещины, коробление) на керамических стержнях при обжиге напрямую зависит от чистоты исходных керамических материалов и присутствия примесей, в связи с чем проведены исследования химического состава выбранных марок плавленого кварца, входящих в экспериментальные составы, которые показали, что такие материалы – химически чистые и с минимальным содержанием примесей (см. таблицу).

Химический состав плавленого кварца (SiO₂) различных марок

Кроме того, анализ научно-технической информации в области создания керамических стержней на основе плавленого кварца для литья  лопаток турбин из жаропрочных никелевых сплавов, а также ранее проведенные во ФГУП «ВИАМ» исследования показали, что недостатки керамических стержней на основе плавленого кварца связаны с его низкой прочностью (предел прочности при изгибе составляет 10,0–12,0 МПа) и фазовой нестабильностью. При спекании плавленый аморфный SiO₂ частичнорасстекловывается с образованием кристобалита (α-фаза). На стадии охлаждения данная кристаллическая модификация SiO₂ подвержена деструктивному полиморфному превращению с изменением удельного объема, что приводит к образованию макротрещин, резкому снижению прочности и короблению. Максимальное содержание кристаллической α-фазы, при котором керамические стержни способны сохранять приемлемые прочностные свойства, не превышает 15–30% (объемн.). Одним из способов снижения образования кристобалита и, как следствие, снижения брака керамических стержней является введение в состав керамической шихты минерализаторов и термически стабильных добавок, активирующих спекание, а также подавляющих усадку и образование макротрещин в керамических стержнях при обжиге. В связи с этим, кроме основного керамического материала – плавленого кварца, в разработанных экспериментальных составах использовали более тугоплавкие оксиды: циркон (ZrSiO₄), оксид циркония (ZrO₂),оксид алюминия (Al₂O₃), сиалон α- и β-фазы (Si–Al–O–N) (оксинитрид алюминия–кремния). Исследованиями, проведенными ранее во ФГУП «ВИАМ», определено, что, изменяя степень измельчения (S_удельн) циркона и его количество в составе, можно регулировать усадку и прочность керамических стержней, поэтому для использования циркона марки КЦП 63 в экспериментальных составах произведен его дополнительный помол.

За основу разрабатываемой технологии получения керамических стержней на основе плавленого кварца взята технология твердофазного спекания, которая заключается в изготовлении керамической смеси, состоящей из керамической основы (различные фракции плавленого кварца), высокоэффективных спекающих добавок и термопластификатора, с последующим прессованием и высокотемпературным обжигом керамических стержней.

В качестве термопластификатора в экспериментальных составах взят двухкомпонентный состав, состоящий из парафина марки П-2 (90% (по массе)) с более низкими температурами плавления и испарения, а также полиэтилена марки 158-03-020 (10% (по массе)) с более высокими температурами плавления и испарения. При высокотемпературном обжиге сначала испаряется парафин, а полиэтилен сдерживает расслоение и разрушение стержня и только при температурах начала спекания керамического стержня (>600 °С) полностью испаряется сам. Температура воспламенения составляющих компонентов пластификатора должна быть выше температуры их испарения. При воспламенении одного из компонентов во время процесса испарения термопластификатора невозможно управлять процессом спекания керамических стержней.

В экспериментальных составах использовали материал – порошок стеарата кальция (С₃₆Н₇₀CaO₄), который улучшает пластификацию стержневой смеси и предотвращает прилипание сырых стержней к пресс-форме. Кроме того, оксид кальция (СаО) влияет на величину усадки и прочность керамического стержня, а ионы СаО⁺² препятствуют образованию кристобалита.

По результатам проведенного анализа научно-технической информации выбраны материалы (керамическая шихта, термопластификатор), а также экспериментальные составы стержневой массы с различным соотношением плавленого кварца разных фракций и термопластификатора [8, 9].

Определены оптимальные технологические параметры изготовления стержневой массы экспериментальных составов. Перед началом приготовления стержневой смеси все исходные компоненты просушивали при температуре 200 °С и просеивали. Далее в расчетное количество расплавленного пластификатора марки ПП10 поочередно вводили расчетное количество каждого исходного компонента экспериментального состава, начиная от тонких фракций порошков до зернистых составляющих плавленого кварца. После введения каждого компонента стержневую смесь при температуре не менее 120 °С перемешивали (со скоростью вращения мешалки не менее 100 об/мин) в течение заданного времени. Общее время изготовления стержневой смеси составило не менее 120 мин. Затем стержневую массу экспериментальных составов вакуумировали при заданных остаточном давлении и продолжительности выдержки. Охлаждение проводили на охлаждаемой металлической поверхности.

Таким образом, проведена работа по исследованию технологических параметров изготовления образцов выбранных стержневых экспериментальных составов на основе плавленого кварца. Из приготовленных стержневых масс экспериментальных составов на гидравлическом прессе по намеченным технологическим параметрам (усилие прессования, температура стержневой массы, продолжительность выдержки) изготовлены в необходимом количестве образцы размером 4×12×50 и 4×10×120 мм каждого экспериментального состава (рис. 1).

Результаты анализа научно-технической информации показали, что минимальное или полное отсутствие расстекловывания аморфного SiO₂ при изготовлении керамических стержней из составов на основе плавленого кварца зависит от высокотемпературного обжига. Высокотемпературный обжиг также имеет основное значение при изготовлении керамических стержней, так как определяет основные свойства по прочности при комнатной температуре, высокотемпературной прочности, пористости и величине максимального прогиба при температуре 1500 °С.

Рис. 1. Общий вид образцов-свидетелей размером 4×12×50 (а) и 4×10×120 мм (б) экспериментального состава

Исследованы параметры высокотемпературного обжига керамических стержней на образцах – рабочая температура, продолжительность выдержки стержней при обжиге, скорость их нагрева и охлаждения. Опробовано несколько вариантов режимов высокотемпературного обжига – для этого образцы, изготовленные из экспериментальных составов, зачищены от облоя и заусенцев и уложены в короба для последующего высокотемпературного обжига по выбранным режимам.

Проведены испытания (на образцах керамических стержней) основных свойств экспериментальных составов после обжига: прочности при изгибе при температурах20 () и 1500 °С (), открытой пористости и шероховатости. По результатам испытаний определен оптимальный экспериментальный состав стержневой массы керамических стержней на основе плавленого кварца, имеющий наиболее высокий уровень свойств по пределам прочности при изгибе при температурах 20 (=14,42 МПа) и 1500 °С (=2,73 МПа), а также по шероховатости (R_a=3,58 мкм) и открытой пористости (П_откр=35,15%).

Проведена работа по исследованию технологических параметров (усилие прессования, температура стержневой массы, продолжительность выдержки) изготовления керамических стержней из оптимального экспериментального состава стержневой массы на основе плавленого кварца. Изготовлена партия керамических стержней, произведен ее обжиг (рис. 2, а–в).

Визуальный контроль изготовленных керамических стержней показал, что стержневая масса разработанного состава технологична, удовлетворительно прессуется, а разработанные технологические параметры прессования обеспечили получение керамических стержней без дефектов типа «трещина» и «неслитина».

Проведена опытная работа по исследованию влияния пропитки прокаленных керамических стержней на основе плавленого кварца на прочность при изгибе при температурах 20 и 1500 °С. В качестве материала для пропитки использовали: 15%-ный водный раствор хлористого иттрия, лак бакелитовый марки ЛБС-1, 50%-ный спиртовой раствор лака бакелитового марки ЛБС-1 и лак термостойкий марки КО-815. Общий вид керамических стержней и образцов после пропитки различными материалами представлен на рис. 2, г.

По результатам испытаний пропитанных керамических стержней выявлено, что наиболее эффективным материалом их упрочнения является термостойкий лак марки КО-815, позволивший повысить предел прочности при изгибе при температуре 20 °С до =20,39 МПа, а при температуре 1500 °С − до =3,17 МПа.

С использованием пропитанных термостойким лаком марки КО-815 годных керамических стержней произведены восковые модели, собраны модельные блоки и изготовлены керамические формы по серийной технологии ФГУП «ВИАМ» (рис. 3 и 4) [14–16].

Рис. 2. Общий вид пресс-формы (а), «сырого» керамического стержня после зачистки (б), а также керамических стержней и образцов после обжига (в) и пропитки различными материалами (г)

Рис. 3. Общий вид восковых моделей с керамическими стержнями из плавленого кварца

Рис. 4. Общий вид модельного блока (а) и керамической формы (б)

Рис. 5. Общий вид отливки лопатки с керамическим стержнем из плавленого кварца

Произведены заливка керамических форм и отрезка отливок лопаток с последующей их пескоструйной очисткой (рис. 5). По результатам визуального контроля отливок лопаток турбин выявлено, что керамические стержни на основе плавленого кварца разработанного состава обеспечили получение отливок лопаток турбин без дефектов типа «полом стержня» и «выход стержня».

Методики проведения исследований

Для оценки основных свойств экспериментальных составов керамических стержней на основе плавленого кварца проведены исследования:

– определение прочности стержневой керамики при трехточечном изгибе при температуре 20 °С () на вакуумной установке ПРВ-302М согласно ГОСТ 473.8–81;

– определение прочности стержневой керамики при трехточечном изгибе при температуре 1500 °С () на вакуумной установке ПРВ-302М согласно ГОСТ 25085–81;

– определение открытой пористости согласно ГОСТ 2409–2014;

– определение шероховатости согласно ГОСТ 2789–73.

Результаты и обсуждение

Результаты проведенной опытной работы по исследованию экспериментальных составов керамических стержней на основе плавленого кварца, выбору их оптимального состава и технологических параметров обжига, а также результаты разработки технологий изготовления стержневой массы и керамических стержней показали, что:

– выбранный оптимальный состав керамических стержней на основе плавленого кварца, состоящий из порошков плавленого кварца различных фракций, стеарата кальция, электрокорунда, сиалона, а также разработанные технологии изготовления керамических стержней и их высокотемпературного обжига позволили получить керамические стержни с наиболее высоким уровнем свойств по пределам прочности при изгибе при температурах 20 (=14,42 МПа) и 1500 °С (=2,73 МПа), а также по шероховатости (R_a=3,58 мкм) и открытой пористости (П_откр=35,15%);

– наиболее эффективным материалом упрочнения стержней является термостойкий лак марки КО-815, позволивший повысить предел прочности при изгибе при температуре 20 °С до =20,39 МПа и при температуре 1500 °С – до  =3,17 МПа.

Результаты визуального контроля отливок турбинных лопаток, залитых с использованием пропитанных термостойким лаком марки КО-815 годных керамических стержней, показали, что керамические стержни из плавленого кварца разработанного состава обеспечивают получение отливок турбинных лопаток без дефектов типа «полом стержня» и «выход стержня».

Заключения

Проведен анализ научно-технической информации в области создания керамических стержней на основе плавленого кварца для литья лопаток турбин из жаропрочных никелевых сплавов, согласно которому установлено, что в состав керамических стержней на основе плавленого кварца, кроме основы (плавленого кварца), необходимо введение минерализаторов и термически стабильных добавок, активирующих спекание, подавляющих усадку и образование макротрещин в керамических стержнях при обжиге. По результатам данного анализа во ФГУП «ВИАМ» выбраны материалы (различные фракции плавленого кварца, высокоэффективные спекающие добавки и термопластификатор) и экспериментальные составы с различным соотношением плавленого кварца разных фракций и термопластификатора.

Разработаны технологические параметры изготовления стержневой массы, керамических образцов стержней, а также их высокотемпературного обжига. Исследованы технологические параметры изготовления керамических образцов стержней на основе плавленого кварца: прессования (усилие прессования, температура стержневой массы, продолжительность выдержки) и высокотемпературного обжига (рабочая температура обжига, продолжительность выдержки стержней при обжиге, скорость их нагрева и охлаждения при обжиге). Исследованы свойства экспериментальных образцов керамических стержней выбранных составов, изготовленных по разработанным технологическим параметрам, по результатам которых выбран оптимальный состав, обеспечивающий наиболее высокий уровень свойств по пределу прочности при изгибе при температурах 20 (=14,42 МПа) и 1500 °С (=2,73 МПа), шероховатости (R_a=3,58 мкм) и открытой пористости (П_откр=35,15%).

Проведена опытная работа по исследованию влияния пропитки прокаленных керамических образцов стержней на основе плавленого кварца на прочность при температурах 20 и 1500 °С. В качестве материала для пропитки использовали: 15%-ный водный раствор хлористого иттрия, лак бакелитовый марки ЛБС-1, 50%-ный спиртовой раствор лака бакелитового марки ЛБС-1 и лак термостойкий марки КО-815. По результатам испытаний пропитанных керамических образцов стержней выявлено, что наиболее эффективным материалом упрочнения стержней является термостойкий лак марки КО-815, позволивший повысить предел прочности при изгибе при температуре 20 °С до =20,39 МПа, а при температуре 1500 °С – до =3,17 МПа.

С использованием годных керамических стержней, пропитанных термостойким лаком марки КО-815, произведены восковые модели, собраны модельные блоки, изготовлены и залиты керамические формы. По результатам визуального контроля отливок  лопаток турбин выявлено, что керамические стержни из плавленого кварца разработанного состава обеспечили получение отливок лопаток турбин без дефектов типа «полом стержня» и «выход стержня».