Особенности применения растворяемых пенополистироловых моделей для получения сложнопрофильных деталей гтд - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Особенности применения растворяемых пенополистироловых моделей для получения сложнопрофильных - страница №1/1

Особенности применения растворяемых пенополистироловых моделей для получения сложнопрофильных деталей ГТД

Введение

Одним из важных направлений развития энергетической отрасли Украины является создание газотурбинных установок (ГТУ) большой мощности длительного ресурса работы, например, изготовление энергетических агрегатов газоперекачивающих станций. Эта проблема требует решения материаловедческих и технологических задач, связанных с процессами литья, в том числе формообразования при получении габаритных сложнопрофильных отливок, к которым относятся сопловые и рабочие лопатки турбин. К сожалению, как показывает научно-патентный анализ работ, что проводились в последние годы специалистами, занимающими лидирующие позиции в отрасли в нашей стране, в СНГ и за рубежом (НПКГ "Зоря" - "Машпроект", ОАО "Мотор-Сич", ЗМКБ "Прогресс", Украина; ФГУП «ВИАМ», ФГУП ММПП ВИЛС, ЦНИИТМАШ, ЦКТИ, Россия; концерны Pratt & Whitney, General Electric Co, Teledyne, Rolls-Royce Ltd, США, “INCO”, “First Rixson”, Великобритания, Martin Marietta Corp., ONERA, Франция), эта проблема не нашла на протяжении многих лет ни научного, ни промышленного оптимального решения. Это связано, прежде всего, со сложностью геометрии охлаждаемых лопаток, а именно, с большим количеством поверхностей критического формообразования, что является причиной низкого уровня выхода годной продукции.



Состояние вопроса, цели и задачи исследования

На данное время на предприятиях газотурбостроения для заливки вышеупомянутых деталей используются оболочковые формы из огнеупорной керамики, преимущественно на основе корунда, внутренние профили которых выполняются с помощью восковых выплавляемых моделей (метод ЛВМ). Этот процесс достаточно трудоемок и экологически неблагоприятен. Кроме того, из-за низкой (около 30 °С) температуры размягчения, значительной объемной и линейной усадки и высокого коэффициента расширения при нагревании модельных составов из воска этот метод имеет ограниченную область применения, в основном для отливок малой массы.

Альтернативой изготовления форм по восковым выплавляемым моделям может стать получение оболочковых форм с использованием пенополистироловых моделей. Обладая определенными преимуществами (повышение точности геометрических размеров отливок, уменьшение затрат на оборудование и материалы, снижение трудозатрат, сокращение отходов производства, увеличение номенклатуры отливок), способ литья по газифицируемым моделям имеет свои существенные недостатки, основными
 из которых является возможность появления специфических дефектов поверхности отливок: ячеистость, связанная с особенностью структуры модельного материала на поверхности моделей, волнистость поверхности, науглероживание, отдельные коксогазовые раковины, плены углерода, неспаи на поверхности мелких и средних 
отливок, образующиеся вследствие взаимодействия металла, заполняющего форму, с продуктами неполного разложения модели [1-4]. Кроме того, следует учитывать, что при использовании сплавов со строго контролируемым низким содержанием углерода (0,01-1,2%, по массе)* (здесь и далее, %, по массе), к которым относятся многокомпонентные низко- и высокохромистые жаропрочные сплавы для рабочих и сопловых лопаток ГТУ, в результате процесса деструкции модели может наблюдаться насыщение всего объема отливки углеродосодержащими газовыми фракциями, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик детали.

Учитывая вышесказанное, для крупногабаритного сложнопрофильного литья (охлаждаемые лопатки ГТД), задача замены восковых моделей пенополистироловыми растворяемыми или выжигаемыми, представляется в настоящее время достаточно технологически, экономически и экологически перспективной с точки зрения промышленного использования на предприятиях газотурбостроения Украины.



Исследования по термическому удалению пенополистирола из керамической оболочки показали, что пенополистирол при этом способен увеличиваться в объеме на 25-30 % от первоначального, что приводит к растрескиванию керамической оболочки с образованием трещин размером от 0,1 до 2 мм. Под действием тепловой энергии происходит деструкция пенополистирола с образованием жидкой, твердой и газообразной фаз, соотношение которых зависит от плотности полистирола, его теплофизических констант и температуры источника тепла. При этом жидкие продукты деструкции при растворении пенополистироловой модели представляют собой крупные осколки полимерной цепи полистирола, нелетучие при температуре заливки металла. Жидкие продукты под действием тепловой энергии расплава на границе металл-форма подвергаются дальнейшей деструкции до образования твердых, паро- и газообразных летучих компонентов [5].

Парообразные продукты - это мелкие осколки полимерной цепи, которые летучи при температуре заливки металла. К ним относятся стирол, толуол и их производные. Твердые частицы представляют собой частички углерода. Газообразная фаза состоит из непредельных углеводородов типа СН4, С2Н4, С3Н6 и других, а также из водорода, окиси углерода и азота. Хотя количество продуктов деструкции незначительно с точки зрения объема модели, но его достаточно, чтобы повлиять на качество отливки и свойства литого металла. Так, по опыту литья по газифицируемым моделям в песчаные формы видно, что при формировании литой поверхности отливок из сложнолегированных сталей имеют место как ситовая пористость металла отливок, так и пористость отливок по всему объему металла, а также образование на поверхности отливок неспаев и каверн [3-5].

Поэтому при разработке технологии заливки фасонных отливок из сложнолегированных сплавов на основе никеля, титана, кобальта и железа была поставлена задача – сохранить основные этапы технологического процесса изготовления форм, принятых для предприятий отрасли, и найти экономически целесообразный технологический процесс удаления модели и продуктов ее деструкции, который обеспечивает минимизацию их взаимодействия. Проблему удаления модели из полости формы решили за счет подбора соответствующего растворителя, позволяющего перевести пенополистироловую модель в жидкую и газообразную фазы и устраняющего проблему выделения газов при заливке в вакууме. После этого этапа основной задачей является выбор технологического приема полного удаления продуктов растворения из полости оболочки. Таким приемом может являться совмещение термической обработки (прокалки) готовой формы с удалением из полости оболочки продуктов деструкции с остатками растворителя.

В настоящее время во ФТИМС НАНУ в отделе Физико-химии процессов формообразования продолжаются работы по оптимизации технологического процесса получения оболочковых форм путем замены восковых моделей на растворяемые пенополистироловые (т.н. ЛРМ) при получении равноосных и ориентированных деталей из новых высокохромистых сплавов на никелевой и кобальтовой основе.

Исходя из вышесказанного, основной целью представленных исследований было обеспечение максимально полного удаления продуктов деструкции модели для минимизации их взаимодействия после растворения и удаления с поверхности детали, то есть повышение качества при снижение объема механической обработки поверхности и повышение за счет этого экономии материала.

Для решения поставленных научно-технических задач было начато проведение комплекса экспериментов по подбору технологических параметров получения и удаления пенополистироловых моделей для формовочной массы различного состава с учетом марки заливаемого сплава, типа (марки) применяемого пенополистирола, способа формования модели, типа растворителя и габаритов отливки с равноосной или ориентированной структурой.



Выбор объекта и постановка экспериментов

В качестве основных объектов исследований на данном этапе в работе при получении отливок были выбраны разрабатываемые во ФТИМС НАНУ совместно с ГП НПКГ “Зоря-Машпроект“ (г. Николаев), высокохромистые модельные сплавы на основе никеля типа ЧС 104 (ХН57КТВЮМБЛ): - Ni основа - 0,10 С - 20,0 Cr - 2,5 Al - 3,5 Ті - 10,2 Со - 0,05 Zr - 0,5 Fe, в которую, с целью повышения эксплуатационных характеристик, вводились элементы дополнительного легирующего комплекса (0,20-0,60) Мо - (2,0-5,0) W - (0,10-0,40) Nb - (1,0-3,0)Та - (1,0-3,0) Re [6], для сопловых и рабочих лопаток судовых и энергетических ГТД. Выбор сплава был обусловлен широкой востребованностью этой марки на предприятиях газотурбостроения Украины и России. Основные механические характеристики оптимального состава высокохромистого сплава типа ЧС104 (ХН57КТВЮМБЛ-ВИ) приведены в табл. 1. Как показали исследования проведенные методом высокотемпературного дифференциального термического анализа (ВДТА) на установке ВДТА-8М с точностью 5 °С (см. рис.1) такие сплавы имеют температуру плавления в области 1370 0С.

В качестве формовочной массы была взята огнеупорная смесь на основе микропорошка М10 электрокорунда белого марки 24А, ГОСТ 3647-80 модифицированная порошками алюминия АСД-4 (ТУ 48-5-226-82) и кремния (Кр-1), а в качестве связующего этилсиликат - 40 (ТУ 6-02-641-86). При изготовлении формы в качестве базовой технологии использовали регламент ТИ 260-424-91, принятый к серийному производству форм на предприятиях машиностроения, изготавливающих фасонные отливки по выплавляемым моделям для деталей ГТД.

В качестве подходящих химических реагентов для растворения пенополистироловой модели были экспериментально опробованы такие растворители, как толуол, ацетон, растворители №646 (состоит из смеси толуола, этанола, ацетона и др.) и №647 (состоит из смеси пиробензола, бутанола, этилацетата и бутила). При этом учитывалась экономичность и практическая доступность, а также относительная экономическая безопасность предложенного растворителя. Важным показателем целесообразности внедрения того или иного растворителя является также возможность вторичного использования продуктов растворения.

Для изготовления моделей был использован суспензионный пенополистирол марки ПСВ-Л1, подвспененные гранулы которого имели плотность 25 кг/м3.

Таблица 1. Механические характеристики оптимального состава высокохромистого сплава типа ЧС104 (ХН57КТВЮМБЛ)



Наименование свойств

Температура испытания, °С

Приме-чание

20

700

800

900

950

Предел прочности, МПа

920-1050

890-990

840-920

640-750

-

ℓ = 5d

Относительное удлинение, %

4-7

3-8

4-10

9-16

-

ℓ = 5d

Относительное сужение, %

5-10

4-16

5-21

9-12

-

ℓ = 5d

Ударная вязкость, МДж/м2

0,10-0,18

0,12-0,16

0,13-0,17

0,13-0,16

-

-

Жаропрочность за 100ч, МПа

-

690

410

280

-

-




Рис. 1 – Температуры основных фазовых превращений (ТS, ТL) сплава оптимального состава, определенные методом ВДТА
Известно, что наиболее технологичным способом формования моделей при ЛРМ является в настоящее время спекание в автоклаве [7]. Изготовление моделей производилось в автоклаве ГП-400. При этом подвспененный и выдержанный пенополистирол задували в пресс-формы и спекали при температуре 120-130 0С и давлением 120-130 кПа.

Из различных факторов наименее изучено влияние плотности пенополистирола на скорость растворения. Как известно, плотность полистироловой модели зависит от количества гранул в данном объеме и от плотности их
 упаковки. В свою очередь, каждая гранула состоит из множества микроячеек, представляющих собой стеклообразные полимерные
 пленки, в которых заключен изопентан. С возрастанием плотности модели увеличиваются толщины стенок микроячеек, что, 
видимо, и оказывает решающее влияние на продолжительность растворения в целом.



Одной из причин разной продолжительности растворения, как
 следует из анализа качества моделей, является их структурная 
неоднородность, характеризующаяся различной степенью спекаемости
 гранул от поверхности модели к ее центру. Более однородные слои модели растворяются значительно быстрее, чем хуже спекшиеся и разобщенные ее внутренние участки [7].

Таким образом, для решения задачи, поставленной в данной работе, на первом этапе был проведен комплекс экспериментов для подбора температурно-временных параметров процесса растворения (деструкции) при применении различных растворителей, позволяющих перевести пенополистироловую модель в жидкую и газообразную фазы с наиболее полным удалением продуктов деструкции. На втором этапе работы в корундовые формы, полученные методом растворения моделей была проведена заливка расплава методом вакуумной металлургии и проанализировано качество полученных отливок с точки зрения газонасыщения и дефектов поверхностного слоя в зоне контакта металл-форма, что дало возможность проанализировать полноту удаления продуктов деструкции модели предложенным способом.

Обсуждение результатов

Для проведения опытов выбрали 10 моделей разного объема от 10 до 3000 см3, по которым были изготовлены модели разной конфигурации, учитывающие разность сечений и профилей натурных деталей. Среди опробованных растворителей наиболее приемлемым по комплексу показателей (экономичность, время растворения, коэффициент соотношения объем модели-объем растворителя, коэффициент использования, экологичность), оказался растворитель № 646, для которого использовали 4 разных расходных коэффициента, определяющих соотношение «объем полости модели/объем растворителя»: 5, 3, 2, 1 (см. рис. 2). Отметили, что при значениях коэффициента 5 и 3 процесс растворения проходит удовлетворительно, но за счет избытка растворителя наблюдается его взаимодействие с этилсиликатом и осыпание облицовочного слоя, что, естественно, снижает прочность формы. Оптимальным соотношением для форм объемом 1000…1500 см3 оказались расходные коэффициенты 1÷2, для форм объемом 3000 см3 коэффициенты 2÷3, выбор значений которых зависит от конфигурации отливки, определяющей площадь реакционной поверхности. В зависимости от геометрии мо­дели начальный этап растворения при Tкомн = 20 0С занимал от 5 мин (имитация сопловой лопатки) до 20 мин (имитация литой длинномерной лопатки компрессора).

Рис. 2 – Значения оптимального расходного коэффициента (объем полости модели / объем растворителя) для разных объемов моделей
Опытные работы показали, что образующа­яся вязкая гель полностью пропитывает облицовочные слои формы, растворяя пенополистирол, переводя его в гелеобразную массу. На воздухе гель затвердевает и со временем практически полностью застывает, превращаясь в прозрачную массу – результат химического взаимодействия пенополистирола с растворителем. Термический отжиг оболочки с жидким гелем по режиму: Тпрокалки = 450…650 °С приводил к оседанию на внутренних поверхностях формы продуктов термического разложения гелеобразной фракции. При заливке металла в такие формы наблюдалось интенсивное газовыделение по границе металл-форма (рис. 3а), что приводило как к объемной, так и поверхностной газовой пористости. Этот недостаток был устранен за счет изменения конструкции форм, а именно: на дне формы были установлены промывники, что позволило полностью удалить гелеобразную фракцию даже при однократной процедуре промывки. Промывали растворителем № 646. Затем проводили двухэтапное просушивание форм: 48 ч на воздухе при Т = 20 °С с последующей сушкой 3 ч при Т = 300 °С в термической печи типа СВЕН. Высокотемпературную термообработку проводили при Т = 900 °С, 6 ч на воздухе в той же термической печи без промежуточного охлаждения. Визуальный осмотр оболочек (10 шт.) и последующее использование форм для заливки жаропрочных сплавов типа ЧС 104, легированного рением и танталом, показали высокую трещиноустойчивость и прочность форм, значительное уменьшение глубины контактной зоны металл-форма, отсутствие интенсивного газонасыщения и обеднения основными легирующими элементами (хромом, титаном, алюминием) (рис. 3б), что позволило снизить затраты на механическую обработку отливок. Из залитых 10-ти форм разного объема растрескивание обнаружили у одной в области перехода стояк-чаша. В последующем выявленный недостаток предполагается устранить за счет увеличения количества облицовочных слоев или таких других мероприятий, как введение модификаторов.

Ранее были проведены подобные исследования для сплавов марок ЧС 70 (ХН58КВТЮМБЛ) и ЧС 88У (ХН60КМЮВТ) [5].

По рекомендованным режимам, опробованным в лабораторных условиях ФТИМС НАНУ, провели дополнительный комплекс работ и изготовили опытную партию керамических форм по новой технологии в условиях ГП НПКГ «Заря»-«Машпроект».

С целью дальнейшей корректировки режимов технологического процесса в настоящее время предполагается провести работы по улучшению чистоты поверхности отливки путем дополнительного нанесение слоя воскоподобной модельной массы на пенополистироловую модель и опробовать этот процесс для различных марок сплавов и типомоделей отливок.

Выводы

  • Для получения отливок деталей сложного геометрического профиля было предложено использование метода литья по пенополистироловым растворяемым моделям. Проблема растворения пенополистироловой модели и, соответственно, предупреждения газо- и углеродонасыщения при заливке в вакууме в керамические формы фасонных отливок из жаропрочного сплава типа ЧС104 (ХН57КТВЮМБЛ) была решена за счет подбора соответствующего растворителя (№ 646) и эмпирического определения расходных коэффициентов в зависимости от объема и конфигурации моделей.

  • Для обеспечения наиболее полного удаления продуктов деструкции пенополистирола из полости оболочки формы эмпирически были определены температурно-временные параметры процесса растворения и прокалки форм, включающие двухэтапное просушивание форм: 48 ч на воздухе при Т = 20 °С с последующей сушкой 3 ч при Т = 300°С в термической печи типа СВЕН и высокотемпературную термообработку при Т = 900°С, 6 ч на воздухе в той же термической печи без промежуточного охлаждения. Визуальный осмотр оболочек (10 шт.) и последующее использование форм для заливки жаропрочным сплавом марки ЧС 104 показали высокую трещиноустойчивость и прочность форм, значительное уменьшение глубины контактной зоны металл-форма, отсутствие интенсивности газонасыщения и обеднения основными легирующими элементами (хромом, титаном, алюминием) (рис.3б), что позволило снизить затраты на механическую обработку отливок.


Список литературы


  1. Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям. – М.: НПО «Профессионал», 2007. – 408 с.

  2. Максюта И. И., Нейма О. В. Перспективы получения оболочковых керамических форм по удаляемым моделям: Тез. докл. // IX Международная научно-практическая конференция Литье 2013. – Запорожье, 2013. – С. 126-127.

  1. Шинский О. И. Новое в теории и практике литья по газифицируемым моделям // Литейное производство. – 1998. – №7. – С. 23-26.

  2. Клемчук Л. В., Бойко А. В., Антипенко В. Ф. Геометрическая точность и качество отливок, изготовленным по пенополистироловым моделям // Литье по газифицируемым моделям. – Киев: ИПЛ АН УССР, 1975. – С. 98-105.

  3. Симановский В. М., Максюта И. И., Квасницкая Ю. Г., Аникин Ю. Ф. Разработка нового технологического процесса получения оболочковых керамических форм по удаляемым моделям // Процессы литья. – 2006. – №4. – С. 66-71.

  4. Инструкция И ЖАКИ. 105,509-2001: Сплавы жаропрочные литейные для лопаток газовых турбин (Паспорт сплава ЧС 104ВИ).

  5. Тупчиенко В. И. Разработка и внедрение новых направлений процесса литья по растворяемым пенополистироловым моделям: Дис. … канд. техн. наук. – Краматорск, 1984. – 224 с.