CC BY
69
Литейное производство
УДК 621.742.4 DOI: 10.14529/met160310
РАСЧЕТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С МАТЕРИАЛАМИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
А.А. Ганеев1, А.О. Деменок1, С.В. Бакерин1,
2 11 Б.А. Кулаков2, И.Р. Мухамадеев , А.Р. Гарипов '
1 Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа,
2 Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
Термохимическая инертность форм - одно из основных условий получения качественных отливок из титановых сплавов. Применяемые в литейном производстве огнеупорные формовочные и связующие материалы активно взаимодействуют с титаном. Поэтому термохимическая стойкость форм может быть повышена выбором наиболее инертных по отношению к титану исходных формовочных и связующих материалов и разработкой оптимального технологического процесса.
Для оценки возможности взаимодействия титана при заливке в формы с формовочными материалами Al2O3, ZrO2, Y2O3 и связующими на основе SiO2 рассмотрены основные вероятные реакции и рассчитаны изменения изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса).
Рассматривалось протекание реакций при температуре 1700 °С (температура плавления 1668 °С), при условии, что титан находится в жидком состоянии. Исходя из расчетных значений AZ (AG) рассмотренных реакций показано, что реакция восстановления титаном оксида иттрия, циркония и алюминия термодинамически невозможна.
В условиях России экономически неоправданно использование в качестве формовочных материалов окислов иттрия и циркония для получения оболочковых форм при литье титановых сплавов.
Появление же альфированного слоя на отливках титановых сплавов при использовании связующего на основе SiO2 вызвано, как показали термодинамические расчеты, протеканием реакций с образованием алюмосиликатов, ухудшающих химическую стойкость формы и ее огнеупорность.
Для получения качественных отливок из титановых сплавов экономически целесообразно использование оболочковых форм на основе электрокорунда с обязательной заменой связующих на основе SiO2 на алюмозоли.
Ключевые слова: фасонные отливки; оболочковые формы; выплавляемые модели; химическая активность; инертные материалы; термохимическая инертность форм; формовочные материалы; связующие материалы; вероятность реакции; изобарно-изотермический потенциал.
В настоящее время перед литейщиками поставлена задача разработки технологии литья тонкостенных крупногабаритных фасонных отливок из титановых сплавов. Благодаря уникальному сочетанию физических и механических свойств этих сплавов, а именно: высокой удельной прочности, малой плотности, жаростойкости, высоким антикоррозионным свойствам, хорошему сопротивлению усталостному разрушению и ползучести, они много лет сохраняют свои позиции в разряде перспективных для авиационной промышленности и двигателестроения.
Освоение такого вида отливок связано с рядом трудностей, обусловленных, во-первых, разработкой технологии плавки и литья, во-вторых, наличием специфического оборудования на стадии изготовления моделей, изготовления форм, плавки и заливки сплавов на основе титана.
Производство деталей из сплавов на основе титана отличается высокой трудоемкостью, энергоемкостью и стоимостью. Поэтому, с целью эко-
номии материалов и удешевления конечной продукции, заготовки из них должны быть максимально приближены по конфигурации и размерам к готовой детали. В то же время из-за усложнения конструкций и условий работы современных технических систем требования к качеству отливок постоянно возрастают. С этих позиций наиболее рациональным во многих случаях способом получения заготовок является литье в оболочковые формы по выплавляемым моделям. Однако получение высококачественных отливок осложняется высокими температурами заливки и высокой химической активностью титановых сплавов, что приводит к интенсивному взаимодействию металла с литейной формой и, как следствие, к снижению служебных свойств литых изделий.
Малая толщина стенки отливки предопределяет необходимость предварительного подогрева формы перед заливкой до 900... 1000 °С, что в свою очередь резко повышает требования к инертности материала формы к жидкому титановому сплаву и в
предельной степени ограничивает возможный выбор материалов основы формы и связующего.
Термохимическая инертность форм - одно из основных условий получения качественных отливок из титановых сплавов. Применяемые в литейном производстве огнеупорные формовочные и связующие материалы активно взаимодействуют с титаном. Поэтому термохимическая стойкость форм может быть повышена выбором наиболее инертных по отношению к титану исходных формовочных и связующих материалов
и разработкой оптимального технологического процесса.
Для оценки возможности взаимодействия титана при заливке в формы с формовочными материалами А1203, 2Ю2, Y2O3 и связующими на основе SiO2 рассмотрены основные вероятные реакции и рассчитаны изменения изобарно-изотермическо-го потенциала (энергия Гиббса).
Рассмотрим протекание реакций при температуре 1700 °С (температура плавления 1668 °С), при условии, что Т находится в жидком состоянии [1].
Реакция 1
SiO2 + 2Т = 2ТЮ + Si
АН098 = 2 • (-542) + 0 - (-910,7) - 2 • 0 = -173,3 кДж/моль; Л^98 = 2 • 34,79 +18,81 - 41,46 - 2 • 30,72 = -14,51Дж/(мол АС298 =-173,3 • 103 - (-14,51) • 298 = -1168,98 кДж/моль.
С помощью следующих формул (1.1) найдем энтальпию и энтропию реакций при различных температурах [2]:
'2
АНГ = АНГ1 + | АСрёГ;
А£Т = Д^ + [ АС„ —;
Г2 Г1 J Р т '
АGГ =ДНГ - ДSГ.
Ср (TiO) = 44,22 +15,06 • Г • 10-3 + (-7,78) • Г-2 • 105 Дж/(моль • К); Ср (Si) = 24,02 + 2,58•Г •Ю-3 + (-4,23)• Г~2 • 105 Дж/(моль• К); Ср (SiO2) = 46,94 + 34,31 • Г •Ю-3 +(-11,3)^Г~2 • 105 Дж/(моль• К); Ср (ТС) = 22,09 +10,04•Ю-3 • Г Дж/(моль• К). АСр = 2Ср (TiO) + Ср ^) - Ср (SiO2) - 2Ср (Ti)
АСр = 2•(44,22 +15,06• Г •Ю-3 -7,78• Г~2-105) + (24,02 + 02,58•Г •Ю-3 -4,23 • Г~2 •Ю5)--(46,94 + 34,31-Г•Ю-3 -11,3•Г~2 •Ю5)-2•(22,09 +10,04•Ю-3 • Г) = = 21,34 - 21,69 • Г •Ю-3 - 8,49 • Г ~2-105 Дж/(моль • К).
1973
АН10973 =-173,3-103 + | (21,34 -21,69• Г •Ю-3 -8,49 • Г-2-105
) ёГ ■
298
(
= -173,3-103 +
21,34 • Г - 21,69 •Ю-3 •Г— 8,49-105 Г
1
-1
= -173,3 • 103 + (42 103,82 - 42 216,65 + 430,31 - 6359,32 + 963,08 - 2849) = -181,23 кДж/моль.
1973 ,Г
А^097З =-14,51 + | (21,34 - 21,69 • Г •Ю-3 - 8,49 •Г ~2-105) — =
298
Г
Г
= (21,34 • 1пГ - 21,69 •Ю-3 • Г - 8,49-105 --
-2 -2
= -14,51 + (161,91 -42,79 + 0,11 -121,58 + 6,46-4,78) =-15,18 Дж/(моль• К); ДG10973 = -181,23 -103 -1973 • (-15,18) = -151,28 кДж/моль.
Г
2
Реакция 2
SiO2 + Ti = TiO2 + Si
AH098 = -944 + 0 - (-910,7) - 2 • 0 = -33,3 кДж/моль; AS098 = 50,62 +18,81 - 41,46 - 30,72 = -2,75 Дж/(моль • К); AG2098 = -33,3 -103-(-2,75) • 298 = -32,48 кДж/моль. Cp(TiO2) = 71,71 + 4,1 • T •Ю-3 + (-14,64) • T~2 -105 Дж/(моль• К); Ср(Si) = 24,02 + 2,58• T •Ю-3 + (-4,23) • T~2 • 105 Дж/(моль • К); Ср(SiO2) = 46,94 + 34,31 • T •Ю-3 + (-11,3) • T-2 • 105 Дж/(моль• К); Cp(Ti) = 22,09 +10,04•Ю-3 • T Дж/(моль• К). ACp = Cp (TiO) + Cp (Si) - Cp (SiO2) - Cp (Ti)
ACp =(71,71 + 4,1 • T •Ю-3 -14,64 •T~2 -105) + (24,02 + 2,58• T •Ю-3 -4,23 • T~2-105)--(46,94 + 34,31T•Ю-3 -11,3•T~2 •Ю5)-(22,09 +10,04•Ю-3 • T) = = 26,7 - 37,67 • T •Ю-3 -7,57 • T-2• 105 Дж/(моль • К).
1973
AH0973 =-33,3-103 + J (26,7 - 37,67 • T •Ю-3 - 7,57 • T ~2-105) dT =
= -33,3-103 +
298
f T 2 T-1 ^
26,7 • T - 37,67 •Ю-3---7,57 • 105--
2 -1
/
= -33,3 • 103 + (52 679,1 - 73 319,55 + 383,68 -7956,6 +1672,62 - 2540,27) = -62,38 кДж/моль. 1973 dT
AS10973 =-2,75 + J (26,7 - 37,67 • T •Ю-3 - 7,57 • T ~2-105) — =
= -2, 75 +
T
298
f 3 5 T-2 ^
26,7 • lnT - 37,67 •Ю-3 • T -7,57-105
-2
V /
= -2,75 + (202,58 - 74,32 + 0,097 -152,11 +11,23 - 4,26) = -19,53 Дж/(моль • К); AG10973 = -62,38 • 103 -1973 • 65,56 = -23,85 кДж/моль.
Реакция 3
Al2O3 + 3Ti = 3TiO + 2Al
AH098 = 3 • (-542) + 2 • 0 - (-1675,7 ) - 3 • 0 = 49,7 кДж/моль; AS098 = 3 • 34,79 + 2 • 28,35 - 50,92 - 3 • 30,72 = 17,99 Дж/(моль • К); AG098 = 48,7 • 103-17,99 • 298 = 44,34 кДж/моль. Cp (TiO) = 44,22 +15,06 • T • 10-3 + (-7,78) • T-2 • 105 Дж/(моль • К); С1> (Al) = 20,67 +12,39 •T • 10-3 Дж/(моль• К);
Ср (Al2O3) = 114,56 +12,89 • T •Ю-3 + (-34,31) • T~2 • 105 Дж/(моль• К); Cp (Ti) = 22,09 +10,04•Ю-3 • T Дж/(моль• К). ACp = 3Cp (TiO) + 2Cp (Al) - Cp (Al2O3) - 3Cp (Ti)
ACp = 3 •(44,22 +15,06 • T •Ю-3 +(-7,78)-T-2-105) + 2 •(20,67 +12,39 •T •Ю-3 )--(114,56 +12,89 • T • 10-3 + (-34,31) • T~2 • 105) - 3 • (22,09 +10,04 •Ю-3 • T) = = -6,83 + 26,95 • T • 10-3 +10,97 • T ^ 105 Дж/(моль • К).
1973
ДЯ0573 = 49,7-103 + | (-6,83 + 26,95•Т•10-3 +10,97• Т-2-105)dT =
298
(
= 49,7-103 +
Т2 Т -6,83 • Т + 26,95 • 10-3--+10,97 • 105
1Л
-1
= 49,7 • 103 + (-13 475,59 + 52 454,52 - 556 + 2035,34 -1196,63 + 3681,2) = 92,64 кДж/моль.
1973
Д^з = 17,99 + | (-6,83 + 26,95 • Т •Ю-3 +10,97 • Т~2405) — =
298 Т
= 17,99 +
С Т-2 Л
-6,83• 1пТ + 26,95•Ю-3 • Т +10,97•Ю5--
-2
= 17,99 + (-51,82 + 53,17 -0,14 + 38,91 -8,03 + 6,18) = 56,26 Дж/(моль • К); ДС10973 = 92,64 •Ю3 -1973 • 56,26 = -18,36 кДж/моль.
Реакция 4
2А1203 + 3Т = 3ТЮ2 + 4А1
ДН098 = 3 • (-944) + 4 • 0 - 2 • (-1675,7) - 3 • 0 = 519,4 кДж/моль; Д5"098 = 3• 50,62 + 4• 28,35-2• 50,92-3• 30,72 = 71,26 Дж/(моль• К); ДG098 = 519,4 • 103 -71,26 • 298 = 498,16 кДж/моль. Ср (ТЮ2) = 71,71 + 4,1 • Т •Ю-3 +(-14,64)• Т~2 • 105 Дж/(моль • К); Ср (А1) = 20,67 +12,39 •Т • 10-3 Дж/(моль• К);
Ср (А1203) = 114,56 +12,89 • Т •Ю-3 + (-34,31)• Т-2 • 105 Дж/(моль• К);
Ср (Т) = 22,09 +10,04•Ю-3 • Т Дж/(моль• К).
ДСр = 3Ср (ТЮ2) + 4Ср (А1) - 2Ср (А12О3) - 3Ср (Ti)
ДСр = 3 (71,71 + 4,1 • Т •Ю-3 +(-14,64)^ Т~2 •Ю5) + 4 •(20,67 +12,39 • Т •Ю-3) -3 • (114,56 +12,89 • Т •Ю-3 + (-34,31) • Т-2 • 105) - 3 • (22,09 +10,04 •Ю-3 • Т) = = 2,42 + 5,96 • Т •Ю-3 + 24,7 • Т-2• 105 Дж/(моль • К).
1973
ДН10973 = 519,4•Ю3 + | (2,42 + 5,96 • Т •Ю-3 + 24,7 •Т^Ш5)dT =
(
= 519,4 •Ю3 +
298
Т2 Т 2,42• Т + 5,96•Ю-3--+ 24,7•Ю5 •-
-1Л
-1
= 519,4 • 103 + (4774,66 +11600,33 -1251,9 - 721,16 - 264,64 + 8288,6) = 541,83 кДж/моль.
1973 ^т
Д£10973 = 71,26 + | (2,42 + 5,96• Т •Ю-3 + 24,7 • Т~2405) — =
= 71,26 +
298
( Т-2 Л
2,42• 1пТ + 5,96•Ю-3 • Т + 24,7 •Ю5--
-2
Т
= 71,26 + (18,36 +11,76 - 0,32 -13,79 -1,78 +13,9) = 99,39 Дж/(моль • К); ДG10973 = 541,83•Ю3 -1973• 99,39 = 345,73 кДж/моль.
2
2
Реакция 5
ZrO2 + 2Ti = 2TiO + Zr
AH098 = 2 • (-542) + 0 - (-1100,3) - 2 • 0 = 16,3 кДж/моль; AS098 = 2 • 34,79 + 38,98 - 50,39 - 2 • 30,72 = -3,27 Дж/(моль • К); AG2098 = 16,3 •Ю3 -(-3,27)• 298 = 17,27 кДж/моль. Cp (TiO) = 44,22 +15,06 • T • 10-3 + (-7,78) • T-2 • 105 Дж/(моль • К); Cp (Zr) = 28,58 + 4,69 • T • 10-3 + (-3,81) • T~2 • 105 Дж/(моль • К); Cp (ZrO2) = 69,62 + 7,53• T•Ю-3 + (-14,06)• T~2 • 105 Дж/(моль• К); Cp (Ti) = 22,09 +10,04•Ю-3 • T Дж/(моль• К). ACp = 2Cp (TiO) + Cp (Zr) - Cp (Z1O2) - 2Cp (Ti)
ACp = 2 • (44,22 +15,06 • T • 10-3 + (-7,78) • T~2 • 105) + (28,58 + 4,69 • T • 10-3 +
+ (-3,81)• T~2 • 105)- (69,62 + 7,53 • T •Ю-3 + (-14,06)• T~2 • 105)-
-2 • (22,09 +10,04 • 10-3 • T) = 3,22 + 7,2 • T • 10-3 - 5,31 • T ^ 105 Дж/(моль • К).
1973
AH10973 = 16,3 •Ю3 + J (3,22 + 7,2 • T •Ю-3 -5,31T~2405)dT =
= 16,3 •Ю3 +
298
f T 2 T-1 A 3,22• T -7,2 •Ю-3---5,3Ь105--
v 2 -1 ,
v
= 16,3 • 103 + (6353,06 +14 013,82 + 269,13 -959,56 - 319,69 -1781,88) = 33,87 кДж/моль. 1973 dT
AS,0™ =-3,27 + J (3,22 + 7,2•T•Ю-3 -5,31 T"^Ю5) — =
298
T-2 A
= -3,27 + 3,22 • lnT + 7,2 •Ю-3 • T - 5,3Ь105 •
-2
= -3,27 + (24,43 +14,21 + 0,07 -18,34 - 2,15 - 2,99) = 11,96 Дж/(моль • К); AG10973 = 33,87 • 103 -1973 41,96 = 10,27 кДж/моль.
Реакция 6
ZrO2 + Ti = TiO2 + Zr
AH098 = -944 + 0 - (-1100,3) - 2 • 0 = 156,3 кДж/моль;
AS098 = 50,62 + 38,98 - 50,39 - 30,72 = 8,49 Дж/(моль • К);
AG2098 = 156,3 •Ю3-8,49 • 298 = 153,77 кДж/моль.
Cp (TiO2) = 71,71 + 4,1 • T •Ю-3 +(-14,64)• T~2 • 105 Дж/(моль • К);
Cp (Zr) = 28,58 + 4,69 • T • 10-3 + (-3,81) • T~2 • 105 Дж/(моль • К);
Cp (ZrO2) = 69,62 + 7,53• T•Ю-3 + (-14,06)• T-2 • 105 Дж/(моль• К);
Cp (Ti) = 22,09 +10,04•Ю-3 • T Дж/(моль• К).
ACp = Cp (TiO2) + Cp (Zr) - Cp (Z1O2) - Cp (Ti)
ACp = (71,71 + 4,1 • T •Ю-3 + (-14,64)• T~2 • 105) + (28,58 + 4,69 • T •Ю-3 +
+ (-3,81) • T-2 • 105) - (69,62 + 7,53 • T •Ю-3 +(-14,06) • T-2 • 105) -
-(22,09 +10,04 •Ю-3 • T) = 8,58-8,78• T •Ю-3 -4,39 • T^ 105 Дж/(моль • К).
1973
ДН0973 = 156,3 •Ю3 + | (8,58-8,78• Т •Ю-3 -4,39• Т~2405)dT =
= 156,3 •Ю3 +
298
С т 2 Т "1Л
8,58• Т -8,78•Ю-3---4,39 •Ю5--
2 -1
= 156,3 • 103 + (16 928,34 -17 089,08 + 222,5 - 2556,84 + 389,85 -1473,15) = 152,72 кДж/моль.
1973
Д5'10973 = 8,49 + | (8,58 -8,78 • Т •Ю-3 - 4,39 • Т ^Ш5)^ =
298
С 3 5 Т-2 Л
8,58• 1пТ -8,78•Ю-3 •Т -4,39 •Ю5--
-2
V
= 8,49 + (65,1 -17,32 + 0,06 - 48,88 + 2,62 - 2,47) = 7,6 Дж/(моль • К); ДG10973 = 152,72 •Ю3 -1973 • 7,6 = 137,73 кДж/моль.
Реакция 7
Y2O3 + 3Т = 3ТЮ + 2Y
ДН098 = 3 • (-542) + 2 • 0 - (-1905) - 3 • 0 = 279 кДж/моль;
Д£098 = 3 • 34,79 + 2 • 44,43 - 99,16 - 3 • 30,72 = 1,91Дж/(моль • К);
ДG2098 = 279 • 103-1,91 • 298 = 44,34 кДж/моль.
Ср (ТЮ) = 44,22 +15,06 •Т • 10-3 + (-7,78)• Т~2 • 105 Дж/(моль• К);
Ср (Y) = 25,52 Дж/(моль • К);
Ср (Y2O3 ) = 102,42 Дж/(моль • К);
Ср (Т^ = 22,09 +10,04•Ю-3 • Т Дж/(моль• К).
ДСр = 3Ср (TiO) + 2Ср (Y) - Ср (Y2Oз) - 3Ср (Ti)
ДСр = 3 •(44,22 +15,06• Т •Ю-3 +(-7,78)^Т~2 •Ю5) + 2• 25,52-102,42 -
-3 • (22,09 +10,04 •Ю-3 • Т) = 15,01 +15,06 • Т • 10-3 - 23,34 • Т105 Дж/(моль • К).
1973
ДН10973 = 279•Ю3 + | (15,01 +15,06•Т•Ю-3 -23,34•Т^Ш5)dT ■
= 279 •Ю3 +
298
гр 2 гр-1 ^
15,01 • Т +15,06 •Ю-3 ---23,34 •Ю5--
2 -1
= 279 • 103 + (29 614,73 + 29 312,25 +1182,97 - 44 729,8 - 668,69 - 7832,21) = 285,88 кДж/моль.
1973
Д^ = 1,91 + | (15,01 +15,06• Т•Ю-3 -23,34• Т~2•Ю5) — =
298 Т
= 1,91 +
г 3 5 т~2Л
15,01 • 1пТ +15,06•Ю-3 • Т + 23,34•Ю5--
-2
\ / = 1,91 + (113,89 + 29,71 + 0,3-85,51 -4,49-13,14) = 42,67 Дж/(моль• К);
ДG10973 = 285,88 • 103 -1973 • 42,67 = 201,69 кДж/моль.
Реакция 8
2Y2O3 + 3Ti = 3TiO2 + 4Y
АЯ098 = 3 • (-944) + 4 • 0 - 2 • (-1905) - 3 • 0 = 978 кДж/моль;
AS098 = 3 • 50,62 + 4 • 44,43 - 2 • 99,16 - 3 • 30,72 = 39,1 Дж/(моль • К);
AG098 = 978 • 103-39,1 • 298 = 966,35 кДж/моль.
Cp (TiO2 ) = 71,71 + 4,1 • T • 10-3 + (-14,64) • T~2 • 105 Дж/(моль • К);
Cp (Y) = 25,52 Дж/(моль • К);
Ср (Y2O3) = 102,42 Дж/(моль • К);
Cp (Ti) = 22,09 +10,04 •Ю-3 • T Дж/(моль• К).
ACp = 3Cp (TiO2 ) + 4Cp (Y) - 2Cp (Y2O3 ) - 3Cp (Ti)
ACp = 3 •(71,71 + 4,1 • T •Ю-3 + (-14,64) • T~2 •Ю5) + 4 • 25,52 -2-102,42 -
-3 • (22,09 +10,04•Ю-3 • T) = 46,1 -17,82 • T • 10-3 - 43,92 • T^ 105 Дж/(моль• К).
1973
AH10973 = 978•Ю3 + J (46,1 -17,82 • T •Ю-3 - 43,92 •T^Ш5)dT =
= 978 •Ю3 +
298
f T 2 T-1 A 46,1 • T -17,82 •Ю-3 ---43,92 •Ю5--
v 2 -1 ,
v
= 978 • 103 + (90 955,3 - 34 684,22 + 2226,05 -13 737,8 + 791,24 -14 738,26) = 1008,81 кДж/моль.
1973 dT
AS10973 = 39,1 + J (46,1 -17,82 • T •Ю-3 - 43,92 • T^Ш5) — =
298 T
= 39,1 +
f T-2 A
46,1 • lnT-17,82•Ю-3 •T -43,92•Ю5 •
-2
\ / = 39,1 + (349,78 - 35,16 + 0,56 - 262,64 + 5,31 - 24,73) = 72,22 Дж/(моль • К);
AG0973 = 1008,81 • 103 -1973 • 72,22 = 866,32 кДж/моль.
Результаты вычислений
Реакция AH1973, AS 0 1973' лг^0 1973'
Дж/моль Дж/(моль • К) кДж/моль
SiO2 + 2Ti = 2TiO + Si -109,69 65,56 -151,28
SiO2 + Ti = TiO2 + Si -62,38 -19,53 -23,85
Al2O3 + 3Ti = 3TiO + 2Al 92,64 56,26 -18,36
2Al2O3 + 3Ti = 3TiO2 + 4Al 541,83 99,39 345,73
ZrO2 + 2Ti = 2TiO + Zr 33,87 11,96 10,27
ZrO2 + Ti = TiO2 + Zr 152,72 7,6 137,73
Y2O3 + 3Ti = 3TiO + 2Y 285,88 42,67 201,69
2Y2O3 + 3Ti = 3TiO2 + 4Y 1008,81 72,22 866,32
Расчетные значения Д2 (ДG) рассмотренных реакций показали, что реакция восстановления титаном оксидов иттрия, циркония и алюминия термодинамически невозможна.
В условиях России экономически неоправданно использование в качестве формовочных материалов окислов иттрия и циркония для получения оболочковых форм при литье титановых сплавов.
Появление же альфированного слоя на отливках титановых сплавов при использовании связующего на основе SiO2 вызвано, как показали термодинамические расчеты, протеканием следующих реакций с образованием алюмосиликатов: А1203 + SiO2 = Л1^Ю5.
Расчетное значение изобарного потенциала при температуре Т = 1600 К составляет
G = 43 224 МДж/моль .
В свою очередь алюмосиликаты вступают в реакцию
А1^Ю5 + 2Т = 2ТЮ + Л1203 + Si.
Расчетные значения изобарного или G потенциала при Т = 1073 К составляет
G = -28017 МДж/моль.
Поэтому при использовании в качестве формовочного материала электрокорунда для исключения альфированного слоя необходимо использовать алюмозоли.
Анализ результатов термодинамических расчетов позволяет прийти к выводу об отрицательном влиянии SiO2, содержащегося в связующем, при литье титановых сплавов в электрокорундо-
вых формах, ухудшая их вследствие возможного образования алюмосиликатов, менее огнеупорных и химически стойких.
Выводы
1. Рассмотрены возможные термодинамические реакции при литье титановых сплавов с использованием различных формовочных материалов и связующих на основе SiO2.
2. Рассчитаны изобарные потенциалы (энергия Гиббса) термодинамических реакций.
3. Показано, что формовочные материалы на основе оксидов иттрия, циркония и электрокорунда термодинамически устойчивы к титановым сплавам.
4. Методом термодинамических расчетов доказано, что при использовании SiO2 в качестве связующих, в электрокорундовых формах образуются алюмосиликаты, ухудшающие химическую стойкость формы и огнеупорность.
5. Для получения качественных отливок из титановых сплавов экономически целесообразно использование оболочковых форм на основе электрокорунда с обязательной заменой связующих на основе SiO2 на алюмозоли.
Литература
1. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. - Изд. 8-е, перераб. - Л.: Химия, 1983. - 232 с.
2. Основы физической химии. Теория и задачи: учеб. пособие для вузов / В.В. Еремин, С.И. Каргов, ИА. Успенская и др. - М.: Изд-во «Экзамен», 2005. -480 с.
Ганеев Альмир Амирович, д-р техн. наук, профессор кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mit1p@ugatu.ac.ru.
Деменок Анна Олеговна, аспирант кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; nu5tochka@mai1.ru.
Бакерин Сергей Васильевич, канд. техн. наук, доцент кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mit1p@ugatu.ac.ru.
Кулаков Борис Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии и литейного производства, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; ku1akovba@susu.ru.
Мухамадеев Ильшат Рифкатович, аспирант кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mit1p@ugatu.ac.ru.
Гарипов Альберт Ринатович, студент кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mit1p@ugatu.ac.ru.
Поступила в редакцию 26 апреля 2016 г.
DOI: 10.14529/met160310
CALCULATION OF PHYSICAL-CHEMICAL INTERACTION OF TITANIUM ALLOYS WITH THE MATERIALS OF THE MOLD
A.A. Ganeev1, mitlp@ugatu.ac.ru,
A.O. Demenok1, nu5tochka@mail.ru, S.V. Bakerin1, mitlp@ugatu.ac.ru,
B.A. Kulakov2, kulakovba@susu.ru, I.R. Mukhamadeev1, mitlp@ugatu.ac.ru, A.R. Garipov1, mitlp@ugatu.ac.ru
1 Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation,
2 South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation
Thermochemical inertness of molds is one of the principal conditions for obtaining high-quality castings in titanium alloys. Refractory and binder materials used in foundry molding actively interact with titanium. Therefore, thermochemical resistance of molds can be improved by selecting molding and binder materials the most inert to titanium and by development of optimum technological process.
To assess the possibility of interaction of titanium when poured into molds with molding materials of Al2O3, ZrO2, Y2O3, and a binder based on SiO2 the main possible reactions are discussed and the changes of isobaric-isothermal potential (Gibbs energy) are calculated.
The course of reactions was considered at 1700 °C (melting point 1668 °C), with the condition that titanium is in liquid state. Based on the calculated values of AZ (AG) it is shown that the reaction of reduction of yttrium, zirconium and aluminum oxides by titanium is thermodynamically impossible.
In Russian conditions it is not economic to use yttrium and zirconium oxides as molding materials to produce shell molds for casting titanium alloys.
The appearance of a layer on titanium alloy castings when using a SiO2 based binder is caused, as shown by thermodynamic calculations, by reactions forming aluminum silicates that worsen chemical resistance and refractoriness of the mold.
To obtain high-quality castings of titanium alloys it is economically feasible to use shell molds based on fused alumina with the mandatory replacement of SiO2 based binders with aluminia sols.
Keywords: molded castings; shell molds; investment casting molds; chemical reactivity; inert materials; thermochemical inertness of molds; molding materials; binder materials; probability of reaction; isobaric-isothermal potential.
References
1. Kratkiy spravochnikfiziko-khimicheskikh velichin [Brief Reference Book of Physico-Chemical Quantities]. A.A.Ravdel', A.M.Ponomareva (Eds.). Leningrad, Khimiya Publ., 1983. 232 p.
2. Eremin V.V., Kargov S.I., Uspenskaya I.A., Kuz'menko N.E., Lunin V.V. Osnovy fizicheskoy khimii. Teo-riya i zadachi [Fundamentals of Physical Chemistry. Theory and Problems] Moscow, Examen Publ., 2005. 480 p.
Received 26 April 2016
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
FOR CITATION
Расчет физико-химического взаимодействия титановых сплавов с материалами литейной формы / А.А. Ганеев, А.О. Деменок, С.В. Бакерин и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2016. -Т. 16, № 3. - С. 70-78. DOI: 10.14529/met160310
Ganeev A.A., Demenok A.O., Bakerin S.V., Kulakov B.A., Mukhamadeev I.R., Garipov A.R. Calculation of Physical-Chemical Interaction of Titanium Alloys with the Materials of the Mold. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2016, vol. 16, no. 3, pp. 70-78. (in Russ.) DOI: 10.14529/met160310
