Как удалять модель из оболочки – обзор способов от ВИАМ

Обзор ВИАМ посвящён одной операции литья по выплавляемым моделям – удалению модельного состава из оболочки. По словам авторов, она во многом определяет качество отливки. Трещина, появившаяся в форме при вытопке, раскрывается при прокалке, металл затекает в неё при заливке – и это либо брак отливки, либо разрушенная форма. Обзор интересен ещё и тем, что написан людьми, которые сами делают модельные составы, и даёт сводку по всем способам вытопки с их плюсами и минусами.

Немного истории

Авторы начинают издалека. Газотурбинное двигателестроение в стране развивается с 1930-х годов и связано с именем академика Архипа Люльки. Сначала лопатки турбин штамповали из прутков и долго обрабатывали на станках, переводя металл в стружку. Когда легирование тугоплавкими металлами довело жаропрочность сплавов до уровня, при котором они перестали поддаваться горячей деформации, понадобилась другая технология.

Литые турбинные лопатки появились благодаря работам академика Сергея Кишкина: в 1950-х, во Всесоюзном институте авиационных материалов, он стал основоположником литейной технологии для деталей горячего тракта из жаропрочных сплавов. Литьё дало лопатку нужного профиля со сложной внутренней полостью, с нужной точностью и шероховатостью и почти без механической обработки. Первым генеральным конструктором, применившим литейный жаропрочный сплав в двигателе, был Николай Кузнецов.

Поскольку температура газа перед турбиной давно выше температуры плавления самих сплавов, появились охлаждаемые лопатки с керамическими стержнями из оксида алюминия, которые удаляли плавиковой кислотой, и теплозащитные покрытия. ВИАМ прошёл путь от равноосного литья к направленной кристаллизации и монокристаллам, создал высокоградиентное оборудование с автоматическим управлением и составы форм и стержней.

Как устроен процесс

Основной технологией изготовления лопаток турбин до сих пор остаётся литьё по выплавляемым моделям, «точное» литьё. Из модельного состава, чаще всего на основе воска, в пресс-формах делают модель изделия и литниково-питающей системы; внутри модели ставят керамический стержень для охлаждающей полости и собирают модельные блоки. На блок послойно наносят суспензию из связующего и огнеупорных порошков с обсыпкой шлифпорошком разной зернистости, сушат каждый слой. Затем модель удаляют, а оболочку обжигают. Прокалённая форма выдерживает температуру расплава жаропрочного сплава. После заливки в вакууме отливки выбивают, отделяют литники и прибыли и удаляют стержни, обычно выщелачиванием.

С середины 2010-х годов, для импортозамещения, ВИАМ выпускает собственные модельные составы двух типов – «ВИАМ» и «Салют» – на отечественном сырье, продуктах органического синтеза.

Почему форма трескается

Требования к вытопке простые: модельный состав должен удаляться полностью, а форма – сохранять прочность, чистоту поверхности и целостность. Важно и то, чтобы состав можно было использовать повторно без дорогой регенерации.

Главная опасность – растягивающие напряжения в стенке формы. Их причина – разница коэффициентов теплового расширения: при нагреве модельный состав расширяется быстрее керамики. Поэтому первое и главное условие качественной вытопки – как можно быстрее передать тепло поверхностному слою модели, подняв температуру теплоносителя. Возникает большой градиент температуры между поверхностью модели и её серединой: поверхность оплавляется и аккуратно стекает, а внутренние слои прогреться не успевают. Образовавшийся зазор между оболочкой и моделью принимает расширение основного объёма.

При медленном нагреве модель прогревается насквозь и давит на форму изнутри. Трещины, которые при этом появляются, видны не сразу: они раскрываются при прокалке.

Ориентиры из обзора

около 95 °Cвода при вытопке в горячей воде, 15–20 минут

80 °Cвыше этой температуры плавления состава горячая вода не годится

около 200 °Cрабочая температура полигликолей

90 + 10 %карбамид и калийная селитра в солевом составе МОН-10К

Восемь способов

• Горячая вода, около 95 °C. Температура каплепадения состава ниже температуры воды, и он всплывает на поверхность ванны. 15–20 минут, риск трещин средний. Вода может взаимодействовать с компонентами состава и ухудшать и свойства оболочки, и качество возврата; после вытопки нужна сушка. Для составов с температурой плавления выше 80 °C и при некоторых связующих способ не годится. В воду добавляют около 0,1 % ПАВ – против омыления состава и разрушения ванны.
• Горячий воздух. Подходит для составов выше 80 °C и не увлажняет форму, но процесс долгий и энергоёмкий: воздух греет медленнее других теплоносителей, и риск трещин и разрушения формы выше.
• Перегретый модельный состав. Пропитывает поры формы, повышая её прочность до прокалки, и выгорает при обжиге. Минусы – условия труда и качество возврата.
• Полигликоли. Около 200 °C. Растворяются в некоторых модельных составах, меняют их свойства, пропитывают оболочку и расходуются.
• Высококипящие органические жидкости. Мало трещин, но пары токсичны, есть пожаро- и взрывоопасность, персоналу нужны средства защиты, а прокалка для выжигания остатков в порах – дольше.
• СВЧ-нагрев. Поляризация и токи в диэлектрике греют сразу весь объём – и модель, и форму. Высокое качество поверхности формы, резкое снижение брака, почти полный возврат состава, сушка не нужна. ВИАМ испытывал лабораторную установку периодического действия с двумя магнетронами в начале 2000-х и получал формы высокого качества с полным возвратом состава. Недостатки – цена оборудования и защита персонала от утечки излучения.
• Перегретый пар в бойлерклаве. Высокая теплоёмкость пара быстро оплавляет модель, брак низкий, способ технологичен и производителен. Но возврат насыщается паром и хуже регенерируется, а бойлерклав – опасный производственный объект под давлением, с обучением и аттестацией персонала.
• Растворение солевых моделей в воде. Состав МОН-10К (90 % карбамида и 10 % калийной селитры) растворяют в воде при 20–25 °C и промывают форму проточной водой. Трещин почти нет, усадка мала, состав дешёвый и недефицитный. Но связующее и оболочка должны быть нерастворимы в воде, модели хрупкие и гигроскопичные, и блоки приходится защищать плёнкой, инертной к суспензии. Растворение ускоряют каналами внутри моделей и добавками.

Отдельно упомянуто выжигание дорогих теплостойких моделей из пенополистирола – одновременно с прокалкой, с выделением продуктов разложения и без возврата материала. Для всех способов обязательна приточно-вытяжная вентиляция с очисткой выбросов.

Что исследуют сейчас

Цели работ – меньше трещин за счёт более быстрого удаления, меньше остатков состава в форме, меньше потерь и затрат на регенерацию, и рекомендации для серийного производства. Среди направлений отечественных исследований авторы называют:

• закономерности процесса, условия образования напряжений и трещин, напряжённо-деформированное состояние формы при вытопке;
• контроль жёсткости воды в ванне – соли кальция могут дать неметаллические включения в отливке;
• регулирование pH добавками соляной кислоты, чтобы высокая щёлочность не повышала зольность многократно используемого состава;
• подбор ПАВ против омыления стеарина и коррозии ванны;
• технологические приёмы снижения трещин при вытопке;
• армирующие, теплоизолирующие и порообразующие добавки в оболочку и влияние теплофизических свойств керамики на длительность вытопки;
• методики расчёта длительности полного выплавления в зависимости от теплоносителя и температуры плавления состава;
• опыты с микроволновым удалением моделей.

Вывод авторов и как пользоваться обзором

Годные лопатки со стабильными размерами и чистой поверхностью пера требуют качественных форм. Для этого нужны модельные составы с минимальной усадкой и тепловым расширением, продуманная литниково-питающая система и эффективный режим вытопки. Надёжные способы, которые удаляют состав быстро и полностью и позволяют использовать его повторно, по мнению авторов, открывают путь к снижению брака.

Это обзор без новых опытных данных: цифры в нём справочные, и режим для конкретной пары «модельный состав – оболочка» всё равно подбирают на месте. Полезен он как сводка доводов при выборе или замене способа вытопки и как список отечественной литературы по теме – в статье 30 источников.