Новые технологические решения при изготовлении термохимически стойких керамических форм для литья титановых сплавов

Приведены результаты исследования взаимодействия титановых сплавов с кремнеземсодержащей литейной формой, изготовленной по выплавляемым моделям. В зоне контакта методом рентгенофазового анализа обнаружен чистый кремний, соединения оксидов и силицидов титана. Проблема негативного влияния формы на отливку решается применением термохимически стойких монокорундовых форм на алюмозольном связующем. Для литья по выплавляемым моделям разработан состав огнеупорной суспензии со специальными добавками, улучшающими смачивание суспензией воскообразных моделей, а также повышающими прочность формооболочки. Изучены седиментационные свойства суспензии. Разработан способ ускоренного отверждения последовательно наносимых слоев огнеупорной суспензии путем сушки в вакууме и последующего химического отверждения газообразным реагентом. Время формирования одного слоя сокращается с 3–5 ч до 20–30 мин. Проведены сравнительные исследования кинетики конвективной сушки и обезвоживания в вакууме алюмозольного связующего. Удаление влаги с единицы поверхности нанесенного огнеупорного слоя в вакууме 5–10 кПа возрастает в 2–6 раз. Методом рентгенофазового анализа исследованы превращения алюмозоля в процессе высокотемпературного нагрева. Повышение температуры прокалки до 1300–1350 °С позволяет получить в формооболочке из алюмозоля твердый гель стабильной фазы α-Al₂O₃ и достаточную прочность 9–12 МПа при введении в состав суспензии спекающих добавок. Даны рекомендации для дополнительной защиты огнеупорных керамических слоев после вакуумирования и сушки: обработка последнего слоя газообразными отвердителями и нанесение на него раствора поливинилацеталя плотностью 1100–1200 кг/м³. Предложенные технологические решения позволят повысить как производительность технологического процесса формообразования и литья титановых сплавов, так и качество получаемых отливок.

1. Макушина М.А., Кочетков А.С., Ночовная Н.А. Литейные титановые сплавы для авиационной техники (обзор). Тр. ВИАМ. 2021. No. 7 (101). С. 39—47. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-7-39-47.

2. Fadeev A., Bazhenov V., Koltygin A. Improvement in the casting technology of blades for aviation gas-turbine engines made of TNM-B1 titanium aluminide alloy produced by induction crucible melting. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2016. No. 56. P. 26—32. DOI: 10.3103/S1067821215010071.

3. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009.

4. Дубровин В.К., Кулаков Б.А., Карпинский А.В. Производство отливок из никелевых и титановых сплавов в термохимически стойких формах. Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2010.

5. Ashby M.F., Jones D.R.H. Engineering materials. 1. An introduction to properties, applications and design. 1-st ed. Elsevier, 2012.

6. Clemens H., Wallgram W., Kremmer S., Güther V., Otto A., Bartels A. Design of novel β-solidifying TiAl alloys with adjustable β/B2-phase fraction and excellent hotworkability. Adv. Eng. Mater. 2008. No. 10 P. 707—713. DOI: 10.1002/adem.200800164.

7. Clemens H., Mayer S. Design, processing, microstructure, properties, and applications of advanced intermetallic TiAl alloys. Adv. Eng. Mater. 2013. No. 15 P. 191—215. DOI: 10.1002/adem.201200231.

8. Pattnaik S., Karunakar D.B., Jha P. Developments in investment casting process: a review. J. Mater. Process. Technol. 2012. No. 212. P. 2332—2348. DOI: 10. 1016/j.jmatprotec.2012.06.003.

9. Nastac L., Gungor M., Ucok I., Klug K., Tack W.T. Advances in investment casting of T—6Al—4V: A review. Int. J. Cast Met. Res. 2006. No. 19. P. 73—93. DOI: 10.1179/136404605225023225.

10. Курдюмов А.В., Белов В.Д., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Герасимов С.П., Моисеев В.С. Производство отливок из сплавов цветных металлов. М.: Изд. дом МИСиС, 2011.

11. Иванов В.Н., Казенов С.А. , Курчман Б.С., Лященко Н.Н., Милицын Г.К., Озеров В.А. Литье по выплавляемым моделями. М.: Машиностроение, 1984.

12. Мухамадеев И.Р., Деменюк О.Б., Ганеев А.А., Павлинич С.П., Аликин П.В. Выбор связующих на водной основе для оболочковых форм литья по выплавляемым моделям титановых сплавов. Вестн. ЮУрГУ. Сер. Металлургия. 2015. Т. 15. No. 3. С. 95—104.

13. Муравьев В. И., Бахматов П.В., Долотов Б.И. Обеспечение надежности конструкций из титановых сплавов. М.: Эком, 2009.

14. Gogia A.K. High-temperature titanium alloys. Def. Sci. J. 1979. Vol. 55. No. 2. P. 149—173. DOI: 10.14429/dsj.55.1979.

15. Chamorro X., Herrero-Dorca N., Rodríguez P., Andrés U., Azpilgain Z. α-Case formation in Ti—6Al—4V investment casting using ZrSiO4 and Al2O3 moulds. J. Mater. Process. Technol. 2017. No. 243. P. 75—81. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.12.007.

16. Sung S.-Y., Kim Y.-J. Influence of Al contents on alphacase formation of Ti—xAl alloys. J. Alloy. Compd. 2006. No. 415. P. 93—98. DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.07.05.

17. Boettinger W.J., Williams M.E., Coriell S.R., Kattner U.R., Mueller B. Alpha case thickness modeling in investment castings. Met. Mater. Trans. B. 2000. No. 31. P. 1419—1427. DOI: 10.1007/s11663-000-0026-y.

18. Beruto D., Barco L., Belleri G. On the stability of refractorymaterials under industrial vacuum conditions: Al2O3, BeO, CaO, Cr2O3, MgO, SiO2, TiO2 systems. Ceram. Int. 1975. Vol. 1. lss. 2. P. 87—93. DOI: 10.1016/0390-5519(75)90012-5.

19. Авиационные материалы: Справочник в 9 т. Т. 5. М.: ОНТИ, 1973.

20. Aviation materials: Handbook. Vol. 5. Moscow: ONTI, 1973 (In Russ.).

21. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. М.: Изд-во ЛКИ, 2008.

22. Куликов И.С. Термодинамика оксидов: Справочник. М.: Металлургия, 1986.

23. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988.

24. Смитлз К.Дж. Металлы: Справочник. М.: Металлургия, 1980.

25. Zhou R.S., Snyder R.L. Structure and transformation mechanisms of the eta, gamma and theta transition aluminas. Acta Crystallogr., Sect. B: Structur. Sci. 1991. Vol. 47(5). P. 617—630. DOI: 10.1107/S0108768191002719.

26. Stumpf H.C., Russell Allen S., Newsome J.W., Tucker C.M. Thermal transformations of aluminas and alumina hydrates — reaction with 44 % technical acid. Ind. Eng. Chem. 1950. Vol. 42. No. 7. P. 1398—1403. DOI: 10.1021/ie50487a039.

27. Garcia-Guinea J., Rubio J., Correcher V., Valle-Fuentes F.J. Luminescence of α-Al2O3 and α-AlOOH natural mixtures. Radiat. Meas. 2001. No. 33. P. 653—658. DOI: 10.1016/S1350-4487(01)00078-6.

28. Winkler B., Hytha M., Pickard C., Milman V., Warren M., Segall M. Theoretical investigation of bonding in diaspore. Eur. J. Mineral. 2001. No. 13. P. 343—349. DOI: 10.1127/0935-1221/01/0013-0343.

29. Silberberg Martin S. Chemistry: the molecular nature of matter and change. 5th ed. McGraw-Hill Companies, Inc., 2008.

30. Дубровин В.К., Кулаков Б.А., Карпинский А.В., Заславская О.М., Низовцев Н.В. Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для получения точных отливок из химически активных и жаропрочных сплавов: Пат. 2757519 (РФ). 2021.