Введение

Основной задачей отечественного авиационного двигателестроения при разработке новых изделий и усовершенствовании существующих является повышение их КПД и ресурса работы. Увеличения значений рабочих характеристик изделий возможно достичь в том числе благодаря усовершенствованию конструкции турбинных лопаток в части ее системы охлаждения, что приведет к усложнению внутренней полости отливки турбинных лопаток и, как следствие, керамического стержня, оформляющего ее. Такой сложный керамический стержень, как правило, выполнен в виде многоканальной циклонно-вихревой матрицы с каналами толщиной до 0,6 мм.

Предприятия АО «ОДК» при изготовлении отливок турбинных лопаток для сложных и ответственных керамических стержней используют в основном стержневые составы на основе оксида алюминия (электрокорунда) различных фракций, обеспечивающие керамическим стержням гладкую поверхность (шероховатость R_a ≤ 5 мкм), точность геометрических размеров (в пределах менее ±0,15 мм от номинальных), высокую прочность при температурах 20 (σ²⁰_в.изг > 18 МПа) и 1500 °С ( σ¹⁵⁰⁰_в.из> 2,5 МПа), а также высокую пористость (П_откр ≥ 30 %). Однако удаление таких керамических стержней из внутренней полости отливки представляет собой сложную технологическую задачу.

Известным способом удаления сложного электрокорундового керамического стержня из внутренней полости отливки является удаление керамического стержня в расплавах солей бифторида и трифторида калия. Однако данный способ в настоящее время не применяется из-за токсичности выделяемых при технологическом процессе продуктов (анионов фтора), а также дефектов, которые выявляются на отливках после удаления керамического стержня: недопустимый растрав фазовых составляющих (металлической матрицы и межосных зон дендритов) жаропрочных никелевых сплавов и «свечение» при капиллярном (ЛЮМ) контроле на поверхности турбинных лопаток.

В производстве охлаждаемых турбинных лопаток наиболее широкое применение находит технология удаления керамических стержней в водных растворах щелочей. Однако удалить сложный керамический стержень на основе электрокорунда с выходной кромкой толщиной не более 0,4 мм практически невозможно. Наиболее эффективным является так называемый химико-гидравлический метод, сочетающий обработку отливок с керамическими стержнями щелочными растворами с промывкой струей воды высокого давления и обеспечивающий эффективное их удаление.

В настоящее время в производстве охлаждаемых турбинных лопаток широко используется технология удаления керамических стержней методом автоклавного удаления в концентрированных (до 70 %) и высокотемпературных (до 400 °С) водных растворах щелочей. Однако исследование влияния технологических параметров процесса удаления керамики автоклавным способом на образование растрава поверхности турбинных лопаток показало, что при определенном сочетании технологических параметров на поверхности турбинных лопаток также наблюдаются выщелачивание эвтектических карбидов и травление упрочняющей γ′-фазы, что делает невозможным получение 100 % выхода годного отливок турбинных лопаток после удаления керамических стержней [1–15].

Обозначенные проблемы по удалению керамических стержней из электрокорунда обуславливают необходимость использования для их изготовления принципиально новых материалов, которые по своим основным физическим и технологическим свойствам (высокие прочность и стойкость к термическим ударам, химическая инертность к жаропрочным никелевым сплавам) соответствуют в достаточной мере керамике из электрокорунда. Одним из таких керамических материалов является плавленый кварц (SiO₂) и стержневые составы на его основе, прочность которых при температуре 20 °С и химическая инертность к жаропрочным никелевым сплавам соизмеримы с характеристиками стержневых составов на основе электрокорунда. Основное преимущество плавленого кварца и стержневых составов на его основе – растворимость в водных растворах щелочей [16–19].

По результатам исследований, ранее проведенных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [17], выбраны оптимальный состав стержневой массы, технологические параметры изготовления (параметры прессования и высокотемпературного обжига) керамических стержней на основе плавленого кварца и разработана технология их изготовления для литья турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов.

Таким образом, разработка составов керамических стержней на основе плавленого кварца, технологий их изготовления и удаления является одним из приоритетных направлений, что отражено в «Стратегических направлениях развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [20].

Материалы и методы

Проведена опытная работа по исследованию технологических параметров удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток. Для этого изготовлена стержневая керамическая масса на основе плавленого кварца, из нее отпрессованы керамические стержни отливок турбинных лопаток и произведен их обжиг. Отпрессованные керамические стержни(«сырые» и после термической обработки) представлены на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид «сырых» керамических стержней после зачистки (а) и после термической обработки (б)

По результатам визуального контроля партии изготовленных керамических стержней и образцов-свидетелей из плавленого кварца определено, что на них отсутствуют дефекты типа «растрескивание», «спай», «полом». На образцах-свидетелях проведены испытания основных характеристик керамических стержней, анализ результатов которых показал, что керамические стержни на основе плавленого кварца, изготовленные по разработанной технологии, имеют высокие значения предела прочности при изгибе при температурах 20 (21,2 МПа) и 1500 °С (2,95 МПа), шероховатости (R_a = 3,5 мкм), открытой пористости (П_откр = 36,15 %) и превосходят зарубежный аналог производства Lanik Foam Ceramics (Чехия): по прочности – в 2,2 раза, открытой пористости – на 35 %. Изготовленные керамические стержни из плавленого кварца использованы для исследования технологических параметров удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток.

С применением керамических стержней из модельной композиции изготовлены восковые модели, собраны модельные блоки и изготовлены керамические формы по серийной технологии НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид восковых моделей (а, б), модельных блоков (в) и керамических форм
отливок турбинных лопаток (г)

На вакуумной плавильно-заливочной установке с печью предварительного нагрева керамических форм типа УППФ-У проведена заливка керамических форм отливок турбинных лопаток жаропрочным никелевым сплавом марки ВЖЛ21-ВИ.

Произведена отрезка отливок лопаток от элементов литниково-питающей системы залитого блока и выполнена пескоструйная очистка их поверхности от фрагментов керамической формы. Проведен визуальный контроль отливок турбинных лопаток на наличие металлургического дефекта типа «полом» керамического стержня в момент заливки и кристаллизации отливки.

Полома и выхода керамических стержней из плавленого кварца на отливках турбинных лопаток не выявлено (рис. 3).

Рис. 3. Общий вид отливки турбинной лопатки с керамическим стержнем из плавленого кварца

По результатам визуального контроля отливок турбинных лопаток определено, что изготовленные из плавленого кварца керамические стержни обеспечили получение отливок турбинных лопаток без дефектов типа «полом стержня» и «выход стержня» [17].

Проведено исследование технологических параметров удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток. По результатам исследований, ранее проведенных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, установлено, что наиболее эффективным способом удаления керамических стержней на основе плавленого кварца является химический метод, состоящий из обработки отливок со стержнями водными щелочными растворами (KОН или NaOH) с последующей промывкой внутренней полости отливок лопаток струей воды. Существует несколько способов применения водных щелочных растворов для удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок, однако наиболее часто применяемым является автоклавное удаление, которое имеет ряд преимуществ: возможность использования щелочных растворов низкой концентрации (20–40 %) при высоких температурах рабочего раствора (180–200 °С), снижение продолжительности цикла по сравнению с проведением процесса в открытых ваннах для выщелачивания, повышение степени контролируемости процесса в связи с автоматизацией и регистрацией параметров цикла.

Основной принцип удаления керамических стержней на основе плавленого кварца в автоклаве (реакторе) заключается в разрушении «связки» зерен плавленого кварца водным щелочным раствором при его нагреве до температуры 200 °С и давлении до 6 МПа. Керамический стержень при взаимодействии с водным щелочным раствором разупрочняется постепенно, при этом образовавшиеся продукты взаимодействия керамического стержня из плавленого кварца, представляющие собой «кашеобразную» массу, препятствуют дальнейшему растворению стержня и снижают скорость реакции. Благодаря продувке, выдержке и повторному повышению давления через определенные промежутки времени водный раствор щелочи закипает и создается «циркуляция» раствора в объеме автоклава, в процессе которой удаляются размягченные или отделившиеся частицы стержня и рабочий раствор обновляется возле его поверхности. Вследствие давления щелочь глубже проникает в стержень. В зависимости от геометрической формы, размеров стержня и состава керамики продолжительность цикла последовательной продувки, выдержки и нагнетания давления может варьироваться и составлять от 2 до 8 ч. По окончании цикла щелочной раствор сливают, отливки промывают водой для смыва остатков щелочи с поверхностей отливки и остатков керамического стержня перед извлечением из автоклава.

В результате исследования технологических параметров удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток в реакторе (автоклаве) высокого давления Premex Prator 5000 фирмы Premex (Швейцария) были отработаны следующие технологические параметры удаления керамических стержней: концентрация щелочи KОН рабочего раствора, температура рабочего раствора в реакторе во время цикла удаления, давление аргона в реакторе, продолжительность цикла выщелачивания.

После удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток в реакторе (автоклаве) высокого давления произведен визуальный контроль отливок турбинных лопаток на полноту удаления керамического стержня из внутренней полости отливки. По результатам визуального контроля выявлено, что отработанные технологические параметры удаления керамических стержней из плавленого кварца в реакторе (автоклаве) высокого давления Premex Prator 5000 фирмы Premex обеспечили удаление керамических стержней из внутренней полости отливок турбинных лопаток. Проведена оценка полноты удаления керамических стержней из отливок турбинных лопатокнеразрушающим методом контроля (рентгенографический контроль), по результатам которого определено, что во внутренней полости отливок турбинных лопаток отсутствуют фрагменты керамического стержня – керамический стержень удален на 100 % (рис. 4).

Рис. 4. Общий вид отливки турбинной лопатки со стороны спинки (а), основания замка (б) и бандажной полки (в) после удаления керамического стержня из внутренней полости отливки

Для определения оптимального количества допустимо возможных циклов удаления керамического стержня по разработанным технологическим параметрам в зависимости от конфигурации керамического стержня проведены исследования состояния наружной и внутренней поверхностей отливки турбинной лопатки после трех циклов удаления.

Проведено исследование микроструктуры поверхности фрагментов отливок турбинных лопаток для определения глубины их растрава. Установлено, что по всему сечению исследуемой поверхности микрошлифа наблюдаются углубления размером до 20 мкм, вызванные, по-видимому, растравом поверхности рабочим раствором. Растрав носит локальный характер, его максимальный размер – до 25 мкм, что допустимо для отливок турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов равноосной кристаллизации. Структурных изменений в материале отливки вблизи ее внутренней поверхности не выявлено.

Проведено исследование характера взаимодействия рабочего раствора с поверхностью отливки турбинной лопатки, результаты которого показали, что химический состав поверхностного слоя соответствует материалу отливки; обеднения по химическому составу не выявлено.

По результатам проведенных металлографических исследований установлено, что разработанные технологические параметры обеспечивают 100 %-ное удаление керамических стержней на основе плавленого кварца, а количество допустимо возможных циклов удаления керамического стержня без изменения и растрава поверхности отливки составляет не менее 3.

Методики проведения исследований

Для оценки основных характеристик керамических стержней на основе плавленого кварца проведены следующие исследования:

– определение прочности стержневой керамики при трехточечном изгибе при температурах 20 и 1500 °С на вакуумной установке ПРВ-302М согласно ГОСТ 473.8–81 и ГОСТ 25085–81 соответственно;

– определение открытой пористости согласно ГОСТ 2409–2014;

– определение шероховатости согласно ГОСТ 2789–73.

Для оценки удаления керамических стержней из отливок турбинных лопаток по разработанной технологии проведено исследование неразрушающим методом контроля – определение полноты удаления фрагментов керамического стержня рентгенографическим методом.

Для оценки состояния поверхности отливки турбинной лопатки после удаления керамического стержня выполнены исследования:

– микроструктуры поверхности фрагментов отливок турбинных лопаток методом растровой электронной микроскопии в соответствии с РТМ 1.2А-096–2000;

– характера взаимодействия рабочего раствора с поверхностью отливки турбинной лопатки методом электронно-зондового микроанализа на микроскопе в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22309–2015.

Результаты

По результатам проведенных исследований разработана технология удаления керамического стержня из плавленого кварца в реакторе (автоклаве) высокого давления Premex Prator 5000 фирмы Premex в водном растворе щелочи, которая позволила удалить керамический стержень из внутренней полости отливок турбинных лопаток полностью (на 100 %).

Обсуждение и заключения

Проведены исследования технологических параметров удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток. По результатам исследований, ранее проведенных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, установлено, что наиболее эффективным способом удаления керамических стержней на основе плавленого кварца является автоклавное выщелачивание, состоящее из обработки отливок со стержнями водными щелочными растворами (KОН или NaOH) под давлением с последующей промывкой внутренней полости отливок лопаток струей воды. В результате исследования технологических параметров удаления керамических стержней на основе плавленого кварца из внутренней полости отливок турбинных лопаток в реакторе (автоклаве) высокого давления Premex Prator 5000 фирмы Premex (Швейцария) отработаны следующие технологические параметры: концентрация щелочи KОН рабочего раствора, температура рабочего раствора реактора, давление аргона в реакторе, продолжительность цикла выщелачивания.

Проведена оценка полноты удаления керамических стержней из отливок турбинных лопатокнеразрушающим методом контроля (рентгенографический контроль), по результатам которой определено, что во внутренней полости отливки турбинной лопатки отсутствуют фрагменты керамического стержня.

Результаты исследования микроструктуры поверхности фрагментов отливок турбинных лопаток в части определения глубины их растрава показали, что растрав носит локальный характер, его максимальный размер – до 25 мкм, что допустимо для отливок турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов равноосной кристаллизации. Структурных изменений в материале отливки вблизи ее внутренней поверхности не выявлено.

Исследование характера взаимодействия рабочего раствора с поверхностью отливки турбинной лопатки показало, что химический состав поверхностного слоя соответствует материалу отливки; обеднения по химическому составу не выявлено.

По результатам проведенных металлографических исследований установлено, что разработанные технологические параметры обеспечивают 100 %-ное удаление керамических стержней на основе плавленого кварца, а количество допустимо возможных циклов удаления керамического стержня без изменения и растрава поверхности отливки составляет не менее 3.

По результатам проведенных исследований разработана технология удаления керамического стержня из плавленого кварца в реакторе (автоклаве) высокого давления Premex Prator 5000 фирмы Premex в водном растворе щелочи, которая позволила удалить керамический стержень из внутренней полости отливок турбинных лопаток полностью (на 100 %).