Загрязнение жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74.045

В. В. Наумик

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛИЗАТОРА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

Установлены причины и изучены закономерности загрязнения жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при получении отливок из жаропрочных сплавов с направленной макроструктурой.

Вступление

В современных силовых агрегатах для авиационного и энергетического машиностроения используются литые турбинные лопатки с направленной и монокристаллической макроструктурой. В промышленных условиях такие отливки изготавливают на установках типа УВНК-8П.

Технологический процесс направленной кристаллизации состоит из порционной плавки жаропрочного сплава в вакууме, заливки его в предварительно подогретую керамическую форму, полученную по выплавляемым моделям, и формирования направленной структуры отливки за счет опускания формы с определенной скоростью в ванну жидкометаллического кристаллизатора.

К материалу жидкометаллического кристаллизатора предъявляется ряд требований [1], среди которых высокая теплопроводность, относительно низкая температура плавления, безвредность для жаропрочного сплава при случайном попадании в последний, достаточная инертность по отношению к материалу керамической формы и изложницы, в которой он находится. В настоящее время наиболее распространено применение в качестве жидкометаллического кристаллизатора алюминия высокой чистоты. В качестве материала изложницы, как правило, используют чугун.

Не смотря на достаточно хорошее соответствие алюминия как материала жидкометаллического кристаллизатора перечисленным требованиям, в процессе эксплуатации он неизбежно загрязняется, что приводит к резкому снижению его основного эксплуатационного свойства — теплопроводности [2, 3]. Среди возможных источников такого загрязнения — осыпание пыли и частиц с углеродно-композитных нагревателей устройства предварительного подогрева форм; возможное попадание в жидкометаллический кристаллизатор брызг при заливке расплава в форму; взаимодействие жидкого алюминия с материалами керамической формы, обмазки изложницы и самой изложницы; адсорбция жидким алюминием компонентов расплава, испаряющихся в ва-

© В. В. Наумик, 2009

кууме; и, наконец, попадание жаропрочного расплава в случае разрушения керамической формы.

Целью данного исследования было поставлено установить, чем именно, в основном, загрязняется алюминий жидкометаллического кристаллизатора в процессе эксплуатации, установить возможные причины и изучить закономерности такого загрязнения.

Методика исследований

Для достижения поставленной цели были отобраны пробы исходно чистого алюминия жид-кометаллического кристаллизатора после каждых трех проведенных плавок вплоть до 39 циклов. Из отобранного материала были изготовлены образцы для проведения комплекса исследований, в том числе, для изучения с помощью сканирующего электронного микроскопа и проведения микроанализа.

Последние образцы изготавливались переплавом исследуемого материала в открытой мини-электропечи сопротивления, и заливкой его в специально изготовленный кокиль с формообразующей полостью заданного размера (60x60x20 мм). При этом, для исключения возможности попадания в материал опытного образца микропримесей из материала другой пробы, каждый раз для последующей плавки использовали новый алун-довый тигель.

Исследования проводили на растровом электронном микроскопе при увеличениях х2000-7000, поэлементный состав локальных областей определяли с помощью рентгеновского и волнового анализаторов потока отраженных электронов.

Полученные результаты и их обсуждение

В опытных образцах была обнаружена интер-металлидная фаза, содержащая в основном алюминий, никель, железо, реже кобальт и кремний в различных соотношениях, а также, углеродистые включения (рис. 1).

Проанализировав общие тенденции, можно отметить, что после первых 9 циклов проведенных плавок в алюминии жидкометаллического

1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009

- 73 -

кристаллизатора, кроме углеродистых включений, присутствовали фазы, содержащие только железо и кремний (рис. 2). Затем в составе интерметал-лидной фазы появились также никель и кобальт (рис. 3).

По-видимому, кремнистые соединения образовывались в результате восстановления 81 из 8Ю2, входящего в состав обмазки изложницы и материала керамической формы при их взаимодействии с жидким алюминием при температурах до 1000...1200 °С в вакууме. Железо может попадать в жидкий алюминий в результате взаимодействия расплава с чугунной изложницей.

Крупные углеродистые и кремнийсодержащие (частицы керамики) включения, как более легкие, всплывают на поверхность алюминиевой ванны и образовывают корку, которую на практике, после раскрытия вакуумной камеры, легко удаляют скребком, пока алюминий еще находится в жидком состоянии.

ВВИтаД " дДИМШДШнИ^!»-

ЗяДИ^^ИЯИЯя^ТЕ^ЩВЯ

■

1-тгт-—■

Рис. 1. Включение углерода в алюминии жидкометалли-ческого кристаллизатора. Состав включения в весовых %: С - 99,16%, А1 - 0,84%

Состав включений в весовых %

Спектр C Al Fe Si

Спектр 1 87,14 9,71 3,15

Спектр 2 90,49 6,87 2,64

Спектр 3 97,14 2,86

Спектр 4 71,77 28,23

Рис. 2. Фазы в алюминии жидкометаллического кристаллизатора после 9 циклов проведенных плавок

ЯЫН

Состав включений в весовых %:

Спектр Al Ni Fe Co Si

Спектр 1 77,43 20,56 2,01

Спектр 2 75,93 11,89 9,23 1,51 1,43

Спектр 3 94,66 2,31 3,03

Спектр 4 85,00 7,91 5,66 1,43

Спектр 5 89,27 6,48 4,25

Спектр 6 88,07 5,79 4,40 1,74

Спектр 7 88,10 7,06 4,84

Рис. 3. Фазы в алюминии жидкометаллического кристаллизатора после 36 циклов плавок

Железо, никель и кобальт могли попадать в ванну жидкометаллического кристаллизатора в результате адсорбции расплавом алюминия их паров. Давление паров этих элементов при температурах ведения плавки (порядка 1600 °С) приблизительно одинаково [4], поэтому интенсивность испарения, а, следовательно, и адсорбции ванной жидкого алюминия должны быть пропорциональны их содержанию в жаропрочном сплаве, что и подтверждается составом образовавшихся интерметаллидных фаз. Однако, согласно диаграммам состояния Al-Ni, Al-Fe и Al-Co, образование интерметаллидных соединений невозможно при столь малых концентрациях примесных элементов, которые могут возникнуть при адсорбции их испарений. К тому же, как показал микроанализ, металлическая матрица алюминия оставалась чистой, твердые растворы не образовывались.

Эти металлы могли попадать в жидкий алюминий в результате протекания жаропрочного расплава в случае разрушения формы, или его разбрызгивания при заливке в литейную форму из печи в вакууме. Жаропрочный расплав, при попадании в жидкометаллический кристаллизатор, застывает, и, как более тяжелый, оседает на дно ванны. При этом происходит взаимодействие его поверхности с жидким алюминием при температурах порядка 1000...1200 °С, вблизи него возникают области расплава, пересыщенные примесными элементами, в результате чего и могут

возникать интерметаллидные фазы, по составу, также пропорциональные содержанию этих элементов в жаропрочном сплаве.

Очевидно, в промежутке между девятым и двенадцатым циклами плавок произошло непредвиденное попадание жаропрочного сплава в алюминий жидкометаллического кристаллизатора. При этом следует отметить, что, не смотря на скачкообразное изменение качественного состава выделяющихся интерметаллидных фаз, соответствующего изменения уровня теплофизических свойств не наблюдалось [2, 3]. Здесь решающую роль играло их общее количество, а не качественный состав.

24 цикла плавок

■ ?

XV

■ V*V I 1 ■- "" i ' й} ; ' ivi f iri» Л /

^

¿1' '

-, ■ - \ Ч

■ / ч .. . . ' Jfâ

36 циклов плавок

Рис. 4. Интерметаллидная фаза в алюминии жидкометаллического кристаллизатора после различного количества циклов переплава

В ходе дальнейших плавок продолжалось взаимодействие жидкого алюминия с поверхностью находящегося в нем жаропрочного сплава, в результате чего количество интерметаллидной фазы, выделяющейся при затвердевании алюминия жидкометаллического кристаллизатора по границам зерен, неизменно возрастало (рис. 4).

Выводы

Таким образом, можно сделать вывод, что причиной загрязнения жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации, в основном, является взаимодействие расплава алюминия с материалами формы, обмазки внутренней поверхности изложницы и самой изложницы. Также жидкий алюминий загрязняется в результате взаимодействия с поверхностью попадающего в него жаропрочного сплава.

В общем, следует отметить, что, полностью избежать загрязнения жидкометаллического кристаллизатора в ходе осуществления технологического процесса высокоскоростной направленной кристаллизации невозможно. Следовательно, замена, или освежение алюминия — материала жид-кометаллического кристаллизатора, после некоторого количества циклов проведенных плавок, неизбежны. В этой ситуации важно контролировать степень загрязнения, а, следовательно, и снижения эксплуатационных свойств алюминиевого расплава с тем, чтобы вовремя произвести его обновление и не допустить нарушения теплового режима формирования направленной или монокристаллической структуры отливки.

Перечень ссылок

1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / [Р. Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е. Б. Качановидр.]. — М.: Машиностроение, 1997.- 336 с.

2. Наумик В. В. Изменение теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при вакуумном литье жаропрочных сплавов / В. В. Наумик// Проблеми триболот. — 2006. — №1.-С. 31-35.

3. Наумик В. В. Контроль теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора по коэффициенту отражения / В. В. Наумик // Нов1 матер1али 1 технологи в металурги та машино-будувант. — 2007. — №2. — С. 29—32.

4. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства. Справочник. — М.: Металлургия. —1976. — 600 с.

Поступила в редакцию 22.06.2009

Встановлено причини та досл1джено законом1рност1 забруднення р1дкометалевого кри-сталгзатора nid час його експлуатацП при отриманм виливтв 1з жаромщних сплавгв з спрямованою макроструктурою.

It is established the souses and investigated the ways of pollution the liquidmetal crystallizer at the exploitation by production of casts of heat-resistant alloys with strait macrostructure.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009

- 75 -