Титановые сплавы без дефекта: новая технология ученых

Во время производства деталей двигателей, например, рабочего колеса насоса для окислителя компонента топлива, применяют технологию литья из титановых сплавов в вакуумных центробежных установках. Практически всегда на отливках образуется поверхностный слой, который отличается по своим свойствам и составу от сердцевины. Он характеризуется высокой твердостью и хрупкостью, является причиной образования трещин при эксплуатации изделия. Другое его название – альфа-слой. Он плохо поддается механической обработке. Технологам приходится учитывать его величину при проектировании размеров отливки, а затем проводить дополнительную трудоемкую обработку деталей для удаления этого слоя. За несколько десятков лет исследований мировая наука предложила вероятные причины проявления эффекта, сформировала ряд рекомендаций и технологических приемов, иногда очень дорогостоящих, позволивших уменьшить образование альфа-слоя, но до конца проблема не устранена. Именно этот фактор, – устойчивость эффекта, – позволил ученым ПНИПУ выявить основную причину возникновения альфа-слоя и разработать эффективную технологию, которая значительно снижает вероятность его проявления, вплоть до полного устранения.
На изобретения выданы патенты № 2775770 и № 2697204. Работа выполнена за счет средств кафедры химических технологий ПНИПУ в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

На производстве в процессе литья деталей титановые сплавы, содержащие в качестве одного из компонентов алюминий, заливаются в специальные керамические литейные формы. Все происходит в вакууме на крупногабаритных установках, которые позволяют одновременное изготовление нескольких деталей. Температура работы – около 1700 °С. После заливки и охлаждения в вакууме, керамические оболочки дополнительно охлаждают на воздухе и извлекают из них готовые отливки, которые нуждаются в обработке.
Ученые Пермского Политеха обратили внимание на лицевой слой отработанных (сломанных) керамических оболочек. Анализ состава «черепков» по глубине слоя показал, что в керамике содержится большое количество алюминия и частично титана, вплоть до глубины 1-2 мм. Причем, чем глубже, тем содержание металлов меньше. Оказалось, что характер их распределения по толщине слоя керамики сильно зависит от технологического приема, который применяют в каждом конкретном случае при заливке для снижения глубины альфа-слоя в металле – чем меньше величина альфа-слоя, тем меньше металла содержится в «черепках». Учитывая, что материал керамики не смачивается расплавленным металлом, это указывало на то, что внутрь пор керамической оболочки металлы попадают в виде пара.

– Расчет показал, что при условиях заливки расплав находится в кипящем состоянии, его пары действительно интенсивно проникают внутрь пористой керамики. Но это означает и то, что эти потоки формируются и в жидкой фазе металла, прилегающей к лицевой стенке оболочки. Они разрушают структуру расплава и, вероятно, образуют паровые каналы напротив пор оболочки. При быстром остывании заготовки такая неравновесная структура слоя «замораживается», образуя «газонасыщенный слой». Ранее такое явление не рассматривалось как возможный фактор появления альфа-слоя, – рассказывает доцент кафедры химических технологий ПНИПУ Николай Углев.

Обычно альфа-слой удаляют с помощью химической или механической обработки. Это не только увеличивает расход сплавов, но и занимает дополнительное время. Поэтому далее политехники нашли способ предотвратить образования альфа-слоя. Они предлагают перекрыть поры в керамической оболочке специальными наполнителями, в роли которых выступают мелкодисперсные инертные вещества, наилучший из которых – оксид алюминия в виде водного раствора алюмозоля. На основе его использования ученые разработали технологию пропитки керамической оболочки.

– Необходимо использовать свежий или восстановленный компонент в концентрации 8-10%, который заливается в керамическую оболочку и под действием внешнего давления пропускается через ее стенку со стороны лицевой поверхности. При этом поры быстро заполняются оксидом алюминия, за счет чего существенно снижается газопроницаемость керамики. Внутренняя полость пропитанной оболочки ополаскивается водой и сушится на воздухе 1-2 суток, или при температуре до 80 °С несколько часов. Затем форму необходимо прокалить при температуре примерно 600 °С. После этого она считается подготовленной к заливке титанового сплава. Такая пропитка дает максимальную герметизацию, – объясняет аспирант кафедры химических технологий ПНИПУ Вячеслав Пунькаев.

Ученые Пермского Политеха разработали способ нанесения специального покрытия на керамические формы для литья титановых сплавов. Разработка позволит создавать качественные отливки без проведения дополнительной обработки наружного слоя, сэкономит время и средства. Сейчас разработчики ищут возможности для ее внедрения на производства.