Спосіб видалення керамічного матеріалу з виливків деталей

 

Винахід відноситься до металургії і може бути використане в ливарному виробництві для видалення керамічного матеріалу, переважно на основі оксидів рідкісноземельних металів, з виливків деталей, в тому числі, з виливків лопаток газотурбінних двигунів і установок зі складною внутрішньою порожниною.

Відомі способи видалення керамічного матеріалу з виливків деталей шляхом впливу на нього розчином лугу. Зокрема, відомий спосіб видалення керамічних стрижнів з виливків, що включає вплив на керамічний стрижень преривающейся струменем гарячого розчину лугу високого тиску, що призводить до розчинення матеріалу стрижня і дозволяє розчиненому матеріалу, а також розчину лугу витекти з виливки (патент США №6,241,000, опубл. 05.06.2001).

Відомі способи видалення керамічного матеріалу з виливків в автоклаві в присутності нагрітого витравлюють матеріалу з періодичним зміною тиску всередині автоклава (патент США №6,739,380, опубл. 25.05.2004), а також шляхом заливки автоклава з розташованими в ньому виливками насиченим розчином гідроксиду натрію (патент РФ №2276629, опубл. 20.05.2006).

Відомий спосіб видалення високоміцних керамічних стрижнів з �ку виливків в печі і видалення продуктів розкладання керамічних стрижнів спрямованої струменем води під тиском (патент РФ №1690419, опубл. 27.04.2005).

Всі перераховані вище способи вилуговування не можуть бути використані для видалення керамічного матеріалу на основі оксидів рідкісноземельних металів з виливків деталей, так як такі оксиди практично не розчиняються в лужних розчинах навіть при високих температурах і тисках. Матеріал виливка на основі тугоплавких металів, наприклад сплав на основі системи Nb-Si, в цих умовах помітно розчиняється, що призводить до неконтрольованого порушення геометричних розмірів виробів.

Відомий спосіб гидрокавитационной очищення глухих порожнин виробів, що включає вплив кавітуючими струменями рідини, сформованими в затопленій порожнини, на поверхню, що очищається з періодичним та послідовною зміною протитиску в затопленій порожнини протягом заданого діапазону часу (патент РФ №2418641, опубл. 20.05.2011). Недоліком даного способу є те, що він не придатний для видалення керамічного матеріалу з виливків деталей, так як ефективність ерозійного впливу кавітаційним струменя незначна, крім цього потрібно тривалий інкубаційний період, більше 20 хв, для початку процесу ерозійного руйнування.

Відомий спосіб очис�ї аерірованной робочої рідини з ефектом кавітації, перегрітої вище температури кипіння на 60-100°C під тиском 1000-1400 атм з одночасною подачею у внутрішню порожнину вироби водяної пари (патент РФ №1254634, опубл. 20.01.2006). Даний спосіб не забезпечує повного видалення ливарних керамічних стрижнів з виливків деталей, є енерговитратним та економічно недоцільним, крім цього потрібно тривалий інкубаційний період, більше 20 хв, для початку процесу ерозійного руйнування.

Технічним рішенням, прийнятим за прототип, є спосіб видалення стрижнів з виливки зі сплаву на основі ніобію, що включає обробку виливки зі стрижнем композицією, що включає принаймні одну кислоту з групи, що складається із соляної кислоти, азотної кислоти, фосфорної кислоти, азотної/фосфорної кислот, сірчаної кислоти і оцтової кислоти, нагрів композиції до температури розчинення керамічного стрижня, агітацію поверхні розділу між стрижнем і кислотою (патент ЕР 1818121, опубл. 07.01.2009). Недоліком способу, відомого з прототипу, є необхідність тривалої обробки виробів в концентрованих розчинах кислот, що неминуче призводить до пошкодження поверхні виливки, що виражається в осередковому растраве металевої м�, утворюється при травленні матриці, до складу якої поряд з ніобієм входять хімічно активні елементи, такі як хром, алюміній, титан і ін, складає більш 60 мкм. Така величина є неприпустимою, оскільки вже при глибині рельєфу більше 50 мкм не забезпечується якість поверхні виливків деталей, необхідне для використання їх в газотурбінних двигунах і установках.

Технічним завданням пропонованого винаходу є розробка способу одержання більш якісних виливків деталей. Технічним результатом винаходу є скорочення часу обробки виливків деталей сильнодіючими хімічними речовинами (кислотами) при підвищених температурах розчину в процесі видалення з них керамічного матеріалу і зниження тим самим глибини рельєфу поверхні виливків (не більше 50 мкм).

Для досягнення технічного результату запропоновано спосіб видалення з виливків керамічного стрижня, що включає обробку керамічного стрижня у виливках щонайменше одним нагрітим розчином щонайменше однієї кислоти, в якому перед обробкою нагрітим розчином кислоти керамічний стрижень у виливках обробляють щонайменше одним розчином за менше і менше�ї струменем рідини високого тиску з ефектом кавітації, при цьому у згаданій струмені створюють пульсацію тиску рідини при тиску згаданої струменя не менше 10 МПа і час обробки керамічної стрижня згаданої струменем становить не менше 2 хв.

У способі величина перепаду тиску в струмені рідини може становити не менше 1 МПа, а частота пульсації - не менше 0,5 Гц. У способі може бути використана кислота, обрана з групи, яка містить соляну кислоту, азотну кислоту, фосфорну кислоту, сірчану кислоту, оцтову кислоту, а також їх суміші. В способі, крім того, може бути використано водорозчинне поверхнево-активна речовина з показником активності водневих іонів (pH) від 4,5 до 12,5. Також у способі виливок являє собою турбінну лопатку.

Попередня обробка виливків деталей з керамічним матеріалом розчином ПАР призводить до насичення матеріалу цими речовинами і дозволяє прискорити його руйнування при обробці струменем рідини високого тиску з ефектом кавітації за рахунок розклинюючого дії ПАР в межзеренном просторі пористого керамічного матеріалу. Попередня обробка виливків деталей з керамічним матеріалом розчином ПАР, поряд з ефектом прискорення руйнування керам�ня фрагментів руйнованого керамічного матеріалу, на внутрішню поверхню виливки за рахунок утворення на її поверхні плівки з адсорбуючих молекул ПАР. При відсутності такої плівки на внутрішній поверхні виливки деталі можливо утворення зон з залишковими напругами, що приводить до поверхневої рекристалізації в процесі подальшої термічної обробки. Експериментально встановлено, що концентрація ПАР у розчині менше 0,01% і час обробки керамічного матеріалу в литві струменем рідини менше 2 хв недостатні для забезпечення заявленого технічного результату, так як при використанні таких параметрів не вдається скоротити час обробки виливків в розчинах кислот. Застосування водорозчинних ПАР з показником активності водневих іонів (pH) менше 4,5 або більше 12,5 може призводити до корозії внутрішньої поверхні деталі в разі тривалого знаходження залишків пористого керамічного матеріалу, насиченого розчином ПАР, у внутрішній порожнині деталі. Використання струменя рідини високого тиску, не менше 10 МПа, сприяє виникненню ефекту кавітації, що характеризується зародженням найдрібніших парогазових бульбашок, які при схлопуванні створюють ударні хвилі, призводять до прискорення Ѹи створює умови для ефективного видалення пористого керамічного матеріалу з виливки з мінімальним інкубаційним періодом, не перевищує 1 хв до початку процесу ерозійного руйнування керамічного матеріалу. Використання величини перепаду тиску не менше 1 МПа і частоти пульсації не менше 0,5 Гц, в сукупності з тиском струменя рідини не менше 10 МПа, дозволяє отримати найбільш виражений ефект кавітації, що характеризується порушенням суцільного течії рідини з утворенням парових і газових бульбашок (каверн).

Таким чином, пропоноване винахід дозволяє скоротити час обробки виливків деталей в розчинах кислот при підвищеній температурі розчину в процесі видалення з них керамічного матеріалу і знизити тим самим ступінь пошкодження поверхні виливків.

Приклади здійснення винаходу

Приклад 1

Виливок лопатки ГТД із сплаву на основі системи Nb-Si, типу сплаву марки MASC, з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, Y2O3погрузили в контейнер, який заповнили 0,01% водним розчином ПАР марки «Литопласт І» (ТУ 5743-049-58042865-2010) з показником активності водневих іонів рн=4,5 і провели обробку пористого керамічного матеріалу в литві у вакуумному шафі при розрядці 10-1атм протягом 4 хв. Потім керамічний матеріал в литві лопатки обра� води з величиною перепаду тиску 0,9 МПа і частотою пульсації 0,4 Гц. Час обробки керамічного матеріалу склало 2 хв, що дозволило попередньо видалити близько 30% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в концентрованому розчині азотної кислоти (60%), нагрітому до 115°C за 4,5 години. Оцінку повноти видалення керамічного матеріалу з виливки проводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність незначних вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці сплаву на основі системи Nb-Si, типу сплаву марки MASC, склала 45 мкм.

Приклад 2

Виливок лопатки зі сплаву на основі системи Nb-Si-Cr-Hf з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, Y2O3з добавкою Gd2O3погрузили в контейнер, який заповнили 0,1% водним розчином ПАР марки «Литопласт АІ» (ТУ 5743-0615804286-2011) з показником активності водневих іонів рн=7,8 і провели обробку пористого керамічного матеріалу у вакуумному шафі при розрядці 10-1атм протягом 6 хв. За�м кавітації, при цьому в обох струменях створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 3,0 МПа і частотою пульсації 2,5 Гц. Час обробки керамічного матеріалу склало 2 хв, що дозволило попередньо видалити близько 55% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в розчині соляної кислоти (36%), нагрітому до температури 75°C за 1,5 години. Оцінку повноти видалення керамічного матеріалу з виливки проводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність одиничних пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці сплаву на основі системи Nb-Si-Cr-Hf, не перевищувала 30 мкм.

Приклад 3

Виливок порожнистої деталі зі сплаву на основі системи Nb-Si-Hf-Al з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, Y2O3з добавкою HfO2просочили 0,15% розчином ПАР марки «Литопласт АІ» (ТУ 5743-0615804286-2011) з показником активності водневих іонів рн=12,4 і провели просочення пористого керамічного матеріалу у вакуумному шафі при рв тиску (40 МПа) з ефектом кавітації, при цьому в струмені створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 5,0 МПа і частотою пульсації 4,5 Гц. Час обробки керамічного матеріалу струменем склало 3 хв, що дозволило попередньо видалити близько 40% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в розчині фосфорної кислоти (70%), нагрітому до температури 45°C за 0,5 години. Оцінку повноти видалення керамічного матеріалу з виливки проводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав відсутність вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці сплаву на основі системи Nb-Si-Hf-Al, не перевищувала 30 мкм.

Приклад 4

Виливок лопатки ГТД із сплаву на основі системи Nb-Si, типу сплаву марки MASC, з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, Y2O3погрузили в контейнер, який заповнили 0,005% водним розчином ПАР марки «Литопласт І» (ТУ 5743-049-58042865-2010) з показником активності водневих іонів рн=4,2 і провели просочення пористого керамичеотливке лопатки обробили струменем води з тиском 9 МПа, при цьому в струмені створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 1,5 МПа і частотою пульсації 0,5 Гц. Час обробки керамічного матеріалу склало 10 хв, що дозволило попередньо видалити близько 20% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в концентрованому розчині азотної кислоти (60%), нагрітому до 115°C за 8 годин. Оцінку повноти видалення керамічного матеріалу з виливки проводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність значних вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці сплаву на основі системи Nb-Si, типу сплаву марки MASC, перевищувала 60 мкм.

Приклад 5 (прототипу)

При видаленні керамічного матеріалу з виливки згідно з технологією, відомою з прототипу, з використанням концентрованого розчину азотної кислоти (60%), час повного видалення склало 10 годин. Оцінку повноти видалення керамічного матеріалу з виливки проводили методом п�і на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність значних вогнищевих пошкоджень поверхні, особливо в зонах ливарної усадкової пористості, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці Nb-Si композиту, перевищувала 60 мкм.

Приклад 6

Виливок лопатки ГТД із сплаву на основі системи Nb-Si, типу сплаву марки MASC, з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, Y2O3погрузили в контейнер, який заповнили 0,02% водним розчином суміші двох ПАР (1:1 по масі) триетаноламіну (ТУ 2423-168-002203335-2007) та сульфіт-спиртової барди (ТУ 13-02-81036-029-94) з показником активності водневих іонів рн=8,1 і провели обробку пористого керамічного матеріалу в литві у вакуумному шафі при розрядці 10-1атм протягом 5 хв. Потім керамічний матеріал в литві лопатки обробили струменем води високого тиску (28 МПа) з ефектом кавітації, при цьому в струмені створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 2 МПа і частотою пульсації 0,5 Гц. Час обробки керамічного матеріалу склало 2 хв, що дозволило попередньо видалити близько 40% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в концентрованому розчині аводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність одиничних вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці композиційного сплаву на основі ніобію, склала 40 мкм, що є допустимим.

Приклад 7

Виливок порожнистої деталі зі сплаву на основі системи Nb-Si-Hf-Al з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, Y2O3просочили 0,10% розчином ПАР марки «Литопласт АН» (ТУ 57430615804286-2011) з показником активності водневих іонів рн=12,4 і провели просочення пористого керамічного матеріалу у вакуумному шафі при розрядці 10-1атм протягом 4 хв. Потім керамічний матеріал в литві обробили струменем води високого тиску (30 МПа) з ефектом кавітації, при цьому в струмені створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 3,5 МПа і частотою пульсації 5,0 Гц. Час обробки керамічного матеріалу струменем склало 7 хв, що дозволило попередньо видалити близько 50% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в суміші кислот (1:1 по масі) - фо�ического матеріалу з виливки проводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність незначних вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці Nb-Si композиту, не перевищувала 40 мкм, що є допустимим.

Приклад 8

Виливок порожнистої деталі зі сплаву на основі системи Nb-Si-Cr-Hf з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, з оксиду алюмінію із захисним покриттям з оксиду ітрію просочили 0,10% розчином ПАР марки «Литопласт АІ» (ТУ 57430615804286-2011) з показником активності водневих іонів рн=12,4 і провели просочення пористого керамічного матеріалу у вакуумному шафі при розрядці 10-1атм протягом 4 хв. Потім керамічний матеріал в литві обробили струменем води високого тиску (50 МПа) з ефектом кавітації, при цьому в струмені створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 3,5 МПа і частотою пульсації 5,0 Гц. Час обробки керамічного матеріалу струменем склало 10 хв, що дозволило попередньо видалити близько 80% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в соляно�ки проводили методом просвічування на рентгенівському апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність незначних вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці Nb-Si композиту, не перевищувала 40 мкм, що є допустимим.

Приклад 9

Виливок порожнистої деталі зі сплаву на основі системи Nb-Si-Cr-Hf з керамічним матеріалом, що має форму стрижня, з оксиду гафнію просочили 0,15% розчином ПАР марки «Литопласт АІ» (ТУ 57430615804286-2011) з показником активності водневих іонів рн=12,4 і провели просочення пористого керамічного матеріалу у вакуумному шафі при розрядці 10-1атм протягом 4 хв. Потім керамічний матеріал в литві обробили струменем води високого тиску (55 МПа) з ефектом кавітації, при цьому в струмені створили пульсацію тиску води з величиною перепаду тиску 2,5 МПа і частотою пульсації 1,0 Гц. Час обробки керамічного матеріалу струменем склало 15 хв, що дозволило попередньо видалити близько 85% керамічного матеріалу. Залишки керамічного матеріалу видалили повністю в сірчаній кислоті (94%), нагрітої до температури 200°C�нтгеновском апараті Re320/14. На поперечних шліфах виливки за допомогою скануючої мікроскопії на приладі JSM-840 досліджували ступінь пошкодження її поверхні. Аналіз шліфів, виготовлених з виливків, показав наявність незначних вогнищевих пошкоджень поверхні, при цьому глибина рельєфу, що утворюється при травленні металевої матриці Nb-Si композиту, не перевищувала 45 мкм, що є допустимим.

Як видно з вищенаведених прикладів, застосування запропонованого способу видалення керамічного матеріалу з виливків деталей дозволяє скоротити час обробки виливків деталей в розчинах кислот при підвищеній температурі розчину і тим самим знизити, а в деяких випадках виключити, пошкодження поверхні виливків.

1. Спосіб видалення з виливків керамічного стрижня, що включає обробку керамічного стрижня у виливках нагрітим розчином щонайменше однієї кислоти, що відрізняється тим, що перед обробкою нагрітим розчином кислоти керамічний стрижень обробляють розчином щонайменше одного поверхнево-активної речовини з концентрацією не менше 0,01%, а потім протягом не менше 2 хв - щонайменше однієї струменем рідини високого тиску з ефектом кавітації, при цьому у згаданій струающийся тим, що величина перепаду тиску в струмені рідини становить не менше 1 МПа.

3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що частота пульсації тиску становить не менше 0,5 Гц.

4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують кислоту, обрану з групи, що включає соляну кислоту, азотну кислоту, фосфорну кислоту, сірчану кислоту, оцтову кислоту, а також їх суміші.

5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують водорозчинне поверхнево-активна речовина з показником активності водневих іонів (pH) від 4,5 до 12,5.

6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що являє собою виливок турбінну лопатку.



 

Схожі патенти:

Спосіб видалення керамічних стрижнів з відлитих виробів

Винахід відноситься до галузі ливарного виробництва. Спосіб включає обробку виробів водним розчином суміші гідроксидів калію і натрію концентрацією 500-600 г/дм3 при співвідношенні 80-90% КОН і 10-20% NaOH при температурі 140-160°с і атмосферному тиску. Вироби частково занурюють у циркулюючий обробляючий розчин, а на непогруженную частина виробів обробляючий розчин подають струменями з форсунок. Взаємне розташування форсунок і виробів змінюють під час обробки за рахунок зворотно-поступального або обертового руху виробів. Забезпечується прискорення процесу очищення виливків від керамічних стрижнів без пошкодження поверхні виливків. 2 з.п. ф-ли, 1 табл.

Пристрій пилоподавлення при вибивки ливарних форм

Винахід відноситься до ливарного виробництва

Спосіб і пристрій видалення керамічного матеріалу з виливків

Винахід відноситься до ливарного виробництва

Установка вилуговування барабанного типу ультразвукова

Винахід відноситься до ливарного виробництва, а саме до технології видалення ливарних стрижнів

Спосіб і пристрій видалення керамічного матеріалу з виливків

Винахід відноситься до ливарного виробництва

Установка вилуговування барабанного типу ультразвукова

Винахід відноситься до ливарного виробництва, а саме до технології видалення ливарних стрижнів

Спосіб виробництва металевого виробу, металевий виріб, спосіб з'єднання металевих деталей та конструкція з з'єднанням

Винахід відноситься до способу виробництва металевого виробу, металевого виробу, способу з'єднання металевих деталей і конструкції з з'єднанням і може знайти використання в різних галузях машинобудування
Винахід відноситься до галузі ливарного виробництва та може бути використано, зокрема, при виготовленні лопаток турбомашин методом спрямованої кристалізації

Спосіб вибивання виливки з разової ливарної форми

Винахід відноситься до ливарного виробництва, зокрема до вибивки виливків з разових ливарних форм

Пристрій для вибивки ливарних форм

Винахід відноситься до ливарного виробництва
Up!