CC BY
25
УДК 539.374
ПОВЫШЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ОТЛИВАЕМЫХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Г. Г. Крушенко1' 2, О. А. Платонов2, С. Н. Решетникова2
Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 E-mail: genry@icm.krasn.ru 2 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: o.platonov@mail.ru
При производстве двигателей летательных аппаратов широко используются алюминиевые сплавы в связи с тем, что они обладают высоким показателем отношения прочность/масса. Однако получаемые из них литые детали могут поражаться пористостью, что снижает их герметичность и механические свойства. Описаны средства и способы, предотвращающие возникновение этих дефектов.
Ключевые слова: силовые агрегаты летательных аппаратов, литые детали, алюминиевые сплавы, повышение плотности.
INCREASING THE DENSITY OF PARTS OF AIRCRAFT ENGINES, OF CASTING FROM ALUMINUM ALLOYS
G. G. Krushenko1, 2, O. A. Platonov2, S. N. Reshetnikova2
institute Computational Modeling SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: genry@icm.krasn.ru 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: o.platonov@mail.ru
In the manufacture of engines of aircrafts are widely used aluminum alloys due to the fact that they have a high ratio of strength/mass. However, the resulting castings may be affected by porosity, which diminishes the tightness and mechanical properties. This paper describes tools and methods that prevent the occurrence of these defects.
Keywords: power units of aircrafts, castings, aluminum alloys, the increase in the density.
Введение. Литейные сплавы на основе алюминия широко применяются для получения литых деталей изделий машиностроительного профиля, включая корпусные детали силовых агрегатов авиационной и космической техники, вследствие того, что эти сплавы характеризуются, высокими технологическими, и механическими свойствами, а также высоким показателем отношения «прочность/масса», что гарантирует надежность их работы в сложно-нагруженных условиях, например, в составе топливо-насосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Однако при этом одной из проблем является пористость (микропустоты в теле отливок), источником которой служит водород [1], растворимость которого в жидком алюминии при 700 °С находится в пределах от 0,45 до 1,00 мл/ 100 г металла [2]. При затвердевании растворимость водорода в алюминии значительно уменьшается, и при этом в металле образуются пустоты в виде пор [3], что уменьшает рабочее сечение отливок, с чем связано уменьшение их герметичности и механические свойств [4].
Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»
Дегазация сплавов. С целью уменьшения или полного предотвращения возникновения в отливках из алюминиевых сплавов пористости и других дефектов газового происхождения применяются различные способы и средства дегазации [5], например, путем введения в расплав хлорсодержащих соединений, вакуумированием, обработкой током и ультразвуком и др. В литейных цехах зачастую применяют косвенную оценку газосодержания с помощью технологической экспресс-пробы, которую заливают после дегазации металла в форму из стержневой смеси. В процессе кристаллизации газ выделяется из металла, оставляя на поверхности пробы следы в виде «точечных» несплошностей, которые и представляют собой пористость, которая поразила бы отливку. По количеству этих пустот на 1 см2 по пятибалльной шкале оценивается газонасыщенность металла. В производство пропускаются отливки с пористостью не больше 1 и 2 баллов.
Питание отливок. Обеспечение надлежащего питания отливок производится разными способами, что можно проиллюстрировать на примере освоения литья корпусов [6] ТНА ЖРД из алюминиево-кремниевого сплава, который на начальном этапе освоения отливали в песчано-глинистые формы, которые замедляют теплоотвод от кристаллизующегося металла, что нарушает правило направленного затвердевания металла и вызывает появление усадочных дефектов в тепловых узлах отливок в виде раковин и пористости. С целью оценки соответствия качества корпусов требованиям технической документации их после выбивки стержней и отрезания лит-никово-питающей системы подвергали 100-процентному рентгенопросвечиванию с фиксированием «картинки» на рентгеновской пленке. После обработки пленки ее просматривают на просвет на предмет выявления дефектов металла, проявляющихся в виде темных участков. После установления точных координат и контуров дефекта металл в этом месте вырубается на нужную глубину до плотного металла, место вырубки зачищается и производится его заварка с применением аргонодуговой сварки плавящимися электродами из этого же сплава. Затем отливки проходили весь цикл технологических операций как в литейном цехе (термическая обработка), так и в механических цехах, после чего проходили испытания на герметичность, результаты которых являлись окончательным контролем для пропуска детали на сборку.
Однако ввиду больших трудозатрат по заварке дефектов корпусов, отливаемых в песчано-глинистые формы, было принято решение перевести их на литье в металлическую форму, для реализации чего был изготовлен механизированный кокиль, что позволило повысить качество отливок. как за счет увеличения скорости охлаждения металла, что приводит к формированию мелкокристаллической структуры отливки, и, как результат, к получению отливок с более высокими механическими свойствами, так и за счет уменьшения брака по засорам формовочной смесью. Кроме того, изучение рентгеновских пленок позволило установить закономерности распределения усадочных дефектов в отливках, после чего с целью предупреждения их возникновения на песчаных стержнях, оформляющих внутреннюю полость отливки, устанавливали, так называемые «холодильники» - фигурные металлические детали, которые усиливают теплоотвод от кристаллизующегося металла.
При этом компьютерное моделирование дает возможность наблюдать заполнение литейной формы металлом, охлаждение и затвердевание отливки, формирование тепловых узлов и усадочных дефектов, выявлять места затрудненной усадки, где возможно образование трещин при кристаллизации, прогнозировать механические свойства. В настоящее время наиболее применяемой моделирующей системой на оборонных предприятиях является система «ПолигонСофт», сравнительные расчеты по которой позволяют предотвратить образование пористости [7]. Посредством моделирования выявляются причины формирования дефектов в отливке. Изучение характера затвердевания позволяет отследить места, требующие установки дополнительных холодильников.
По причине сложной конфигурации некоторых отливок силовых агрегатов не всегда представляется возможным оценивать пористость с помощью рентгеновской техники. В этих случаях одна деталь от партии деталей, залитых из одной плавки, режется на темплеты толщиной 20.. .25 мм, которые подвергаются рентгенопросвечиванию, результаты изучения которой позволяет сделать вывод о пригодности всей партии деталей.
Другим дефектом отливок из алюминиевых сплавов являются «усадочные» раковины, что связано с недостатком питания затвердевающего металла [8]. При этом в усадочные пустоты может выделяться водород, образуя, так называемые газово-усадочные пустоты [9]. На основа-
нии предложенной известным металловедом академиком А. А. Бочваром теории кристаллизации сплавов под давлением, им совместно с профессором А. Г. Спасским была разработана и внедрена в производстве технология автоклавного литья деталей авиационных двигателей из алюминиевых сплавов [3], в результате чего были получены плотные отливки, механические свойства которых и герметичность удовлетворяют требованиям технической документации.
Заключение. В работе описаны способы оценки газосодержания в алюминиевых сплавах, применяемых для литья деталей силовых агрегатов, а также способы и средства, используемые, как для уменьшения газонасыщенности жидкого металла, так и для усиления питания жидким металлом затвердевающего металла, что приводит к повышению плотности литых деталей, и, как результат, к повышению их герметичности и механических свойств.
Библиографические ссылки
1. Online prediction of the melt hydrogen and casting porosity level in 319 aluminum alloy using thermal analysis / A. Mitrasinovic, F. C. R. Hernández, M. Djurdjevic et al. // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 428, Issues 1-2. P. 41-46.
2. Liu H., Bouchard M., Zhang L. An experimental study of hydrogen solubility in liquid aluminium // Journal of materials science. 1995. Vol. 30. P. 4309-4315.
3. Спасский А. Г. Основы литейного производства. М. : Металлургиздат, 1950. 318 с.
4. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks / M. A. Irfan, Schwam D., Karve A. et al. // Materials science and engineering. 2012. Vol. A 535. P. 108-114.
5. Influences of different degassing processes on refining effect and properties of 4004 Al alloy / Wang Liping, Cao Guojian, Guo Erjun1 et al. // China foundry. Research & Development. 2013. Vol. 10. № 2. P. 104-107.
6. Турбонасосные агрегаты ЖРД конструкции НПО «Энергомаш» / В. К. Иванов, А. М. Каш-каров, Е. Н. Ромасенко и др. // Конверсия в машиностроении. 2006. № 1. С. 15-21.
7. Тихомиров М. Д. Основы моделирования литейных процессов. Усадочная задача // Прил. к журн. «Литейное производство». 2001. № 12. С. 8-14.
8. Simulation of unconstrained solidification of A356 aluminum alloy on distribution of micro/macro shrinkage / Bayani H., Mirbagheri S. M. H., Barzegari M. et al. // Journal of Materials Research and Technology. 2014. Vol. 3. Issue 1. P. 55-70.
9. Особенности образования пористости в ходе затвердевания отливки сложной конфигурации / И. Н. Ердаков, А. В. Герасимчук, К. С. Якшимбетова и др. // Наука ЮУрГУ : материалы 66-й Науч. конф. Челябинск : Изд. центр ЮрГУ. 2014. С. 810-813.
© Крушенко Г. Г., Платонов О. А., Решетникова С. Н., 2017
