Водорастворимый корундовый стержень для монокристаллических лопаток

С ростом температуры газа перед турбиной сплавы лопаток подошли к пределу, и главным резервом стало охлаждение – сложные внутренние каналы, которые формирует керамический стержень. Заявитель прямо пишет, что технология стержней во всех странах – ключевой секрет, составы защищены патентами, а некоторые заводы считают её «линией жизни» предприятия.

Применяют в основном три типа стержней – на основе кварца, корунда и диоксида циркония. Кварцевые мало расширяются при нагреве и легко растворяются в щелочах и плавиковой кислоте, но слабы, работают при меньших температурах и реагируют с алюминием, гафнием и углеродом сплава. Корундовые химически стабильнее и лучше сопротивляются ползучести – для лопаток из жаропрочных сплавов они подходят лучше. Но у них своя беда: в концентрированных кислотах и щелочах они почти не растворяются даже при нагреве, и удалить их из полости очень трудно.

Патент Цзянсуского университета предлагает сделать корундовый стержень частично растворимым в воде.

Что было до этого

Обзор уровня техники в патенте полезен сам по себе:

• в США корундовые стержни были уже в 1970-х, но не распространились из-за сложной технологии и оборудования;
• в СССР в 1970-х делали корундовые стержни для лопаток со столбчатой структурой – 90–98 % α-Al₂O₃ и 2–10 % SiO₂; удалять их было трудно;
• в Китае с 1990-х Пекинский институт авиационных материалов разработал корундовые стержни AC-1 и AC-2; состав AC-1 – 92–99 % α-Al₂O₃ разной зернистости (60–75 % крупной фракции), 1–8 % добавки TC-1 и 13–18 % пластификатора сверху;
• Институт металлов Академии наук Китая сделал нанокомпозитные стержни Al₂O₃–SiO₂ – прочнее, но хуже растворимые;
• за рубежом корундовые стержни удаляют фторидными солями (иногда с промывкой под высоким давлением) или щёлочью с промывкой под давлением.

Ближе всего – более ранний китайский патент на стержень из корунда с теми же солями натрия (85–98 % α-Al₂O₃, 0,5–9 % NaAlO₂, 1,5–6 % Na₃PO₄·12H₂O и вода). Он хорошо растворялся, но был слишком слаб на растяжение и изгиб для монокристаллических лопаток. Отличие нового патента заявитель видит в кварце и MgO, полиэтиленгликоле и, главное, в высокотемпературном спекании: прежний состав только нагревали без спекания.

Состав и роли компонентов

Состав по формуле, % по массе: электрокорунд α-Al₂O₃ – 85–90, кварц – 3–8, MgO – 3–5, фосфат натрия Na₃PO₄·12H₂O – 3–5, алюминат натрия NaAlO₂ – 1–5. Сверх того – 3–5 полиэтиленгликоля (ПЭГ-600) как пластификатор и 5–15 воды. Порошки: корунд 200 меш, кварц 320 меш, MgO 100 меш, соли – химически чистые.

Роли распределены так. Небольшое количество кварца спекается с корундом и даёт прочность – это не наноразмерный кремнезём, как у композитных стержней, а обычный порошок. MgO как минерализатор в основном снижает температуру реакции и ускоряет спекание, частично участвует в реакции. Фосфат и алюминат натрия связывают смесь и делают стержень растворимым в воде.

Порядок изготовления

• MgO, кварц, корунд и алюминат натрия смешивают в шаровой мельнице;
• в барабанном смесителе добавляют фосфат натрия, ПЭГ и воду и перемешивают до однородности;
• сырой стержень формуют в стержневом ящике;
• сушка – нагрев с печью до 300 ± 10 °C и выдержка 1 ч;
• обжиг – нагрев с печью до 1500 ± 20 °C и выдержка 30 мин;
• охлаждение с печью до 110 °C, затем до комнатной температуры.

Заявлено

23–30 МПапрочность на изгиб при комнатной температуре

6–10 МПапрочность на растяжение

2–4 часарастворение в 40 % NaOH или в воде при 90 °C

1500 °Cтемпература обжига, выдержка 30 минут

Что получилось в примерах

Примеры подтверждают диапазон формулы. В первом – 85 % корунда, 7 % кварца, 3 % фосфата натрия, 2 % алюмината натрия, 3 % MgO, сверху 3 % ПЭГ и 10 % воды; сушка при 300 °C, обжиг при 1500 °C. Прочность на растяжение 6,8 МПа, на изгиб 24,4 МПа; в 40%-ном NaOH основная часть стержня растворяется за 2 часа, при перемешивании – полностью.

Во втором – 88 % корунда, 3 % кварца, 3 % фосфата, 2 % алюмината, 4 % MgO, сверху 2 % ПЭГ и 12 % воды; сушка при 290 °C, обжиг при 1480 °C. 8,5 и 27,5 МПа; в горячей воде при 90 °C основная часть растворяется за 3,5 часа. ПЭГ здесь взят 2 %, хотя по формуле положено 3–5 %, – мелкая несостыковка самого документа.

Чего в патенте нет

Высокотемпературных свойств – прогиба и ползучести при температуре заливки, а для монокристаллического литья это главное требование к стержню. Взаимодействия со сплавом. Опытной заливки лопаток. Всё проверено на самих стержнях при комнатной температуре. Натриевые соли в стержне, который стоит в форме при температуре заливки жаропрочного сплава, – отдельный вопрос: их нужно проверять и по прогибу, и по поверхности полости отливки.

Патент выдан в 2016 году, а по данным Google Patents позже прекратил действие из-за неуплаты пошлины. Как опорная точка для своих опытов с растворимой связкой в корундовой массе он полезен уже тем, что в нём есть полный состав и режим.