Литейный стержень из тугоплавкого металла (варианты)

Литейный стержень из тугоплавкого металла (варианты)

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к литейным стержням из тугоплавкого металла, используемым в устройстве для отливки, в частности к покрытиям, которые наносятся на такие литейные стержни для защиты стержней от окисления при обжиге оболочки литейной формы и от вступления в реакцию и/или расплавления в процессе отливки.

Уровень техники

Литье по выплавляемым моделям представляет собой распространенный способ формования металлических компонентов, обладающих сложной конфигурацией, особенно полых компонентов, и используется для изготовления компонентов газотурбинного двигателя из суперсплавов. Настоящее изобретение будет описано применительно к изготовлению отливок из суперсплава, однако следует иметь ввиду, что изобретение этим не ограничено.

Литейные стержни, используемые в литье по выплавляемым моделям, изготовляются из керамических материалов, отличающихся низкой прочностью, особенно это касается сложных литейных стержней, используемых для изготовления мелких сложных каналов охлаждения в агрегатах современных газотурбинных двигателей. Эти керамические литейные стержни подвержены короблению и разрушению при их изготовлении и в процессе отливки.

Обычные керамические стержни изготавливаются формованием литьем с использованием шликера и фасонной пресс-формы. В качестве материала модели наиболее часто используется воск, хотя также применяются пластики и органические соединения, например мочевина. Оболочковая форма изготавливается с использованием связующего состава из коллоидного кремнезема, скрепляющего частицы керамики, в качестве которой могут быть использованы оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид циркония и алюмосиликаты.

Процесс литья по выплавляемым моделям применяется для изготовления лопаток турбин, при этом керамический литейный стержень используется следующим образом. Керамический литейный стержень с конфигурацией, требующейся для создания внутренних каналов охлаждения, помещается в металлическую пресс-форму, стенки которой окружают литейный стержень, однако обычно отстоят от стержня. Пресс-форма заполняется удаляемым материалом модели, например воском. Пресс-форма снимается, оставляя керамический литейный стержень, погруженный в восковую модель. Затем вокруг восковой модели формируется наружная оболочковая форма посредством окунания модели в керамический шликер с последующим нанесением на шликер более крупных сухих частиц керамики. Эта процедура называется облицовка. Затем облицованная восковая модель, содержащая литейный стержень, высушивается, и процесс облицовки повторяется для придания стенке оболочковой формы требуемой толщины. Далее форма тщательно просушивается для достижения некоторой прочности, и воск удаляется посредством подаваемого под давлением пара, который удаляет большую часть воска из керамической оболочки. Затем пресс-форма обжигается при высокой температуре для удаления остатков воска и повышения прочности керамического материала перед выполнением отливки.

В результате получается керамическая литейная форма, содержащая керамический литейный стержень, которые в совокупности определяют полость литейной формы. Понятно, что наружная поверхность литейного стержня определяет канал, который должен быть образован в отливке, а внутренняя поверхность оболочки литейной формы определяет наружные размеры отливки из суперсплава, которая должна быть получена. Стержень и оболочка могут также определять и другие элементы, например держатель стержня, предназначенный для фиксации положения стержня, или систему литников, предназначенную для пропуска металла в компонент отливки. Некоторые из этих элементов не являются частью законченной отлитой детали, а требуются для обеспечения процесса литья.

После удаления воска в полость, образуемую оболочковой формой и узлом литейного стрежня, заливается расплавленный материал суперсплава, который затем затвердевает. После этого литейная форма и литейный стержень удаляются из отливки из суперсплава посредством совместного использования механических и химических средств.

Предпринимались попытки создания литейных стержней для литья по выплавляемым моделям, которые обладали бы улучшенными механическими свойствами, уменьшенной толщиной, повышенным сопротивлением к тепловому удару и новыми конфигурациями и элементами. Одна из таких попыток представлена в патентной заявке США №2003/0075300, которая включена в настоящее описание путем ссылки. Эти попытки были направлены на создание керамических литейных стержней с введенными в них элементами из тугоплавкого металла.

Хотя стало общепризнанным, что для улучшения свойств литейных стержней из тугоплавкого металла желательно использование покрытия, остается нужда в создании высокоэффективных покрытий. В настоящее время используемой в основном комбинацией "процесс/состав" является химическое осаждение оксида алюминия из газовой фазы благодаря ее доступности и отличной совместимости оксида алюминия с жидкими суперсплавами никеля. Имеет место существенное различие в коэффициенте теплового расширения между тугоплавким металлом и оксидом алюминия, в результате чего в покрытии образуются микротрещины. При наличии микротрещин это распространенное покрытие не обладает высокой устойчивостью к окислению при обжиге оболочки литейной формы в процессе литья по выплавляемым моделям.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание покрытий для элементов тугоплавкого литейного стержня с пониженной склонностью к образованию микротрещин.

Другой задачей настоящего изобретения является создание покрытий для элементов тугоплавкого литейного стержня, которые обладают повышенной стойкостью к окислению (окалиностойкостью).

Указанные результаты достигаются покрытиями в соответствии с настоящим изобретением.

В первом варианте выполнения литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки (литейном устройстве) имеет покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки (т.е. с низкими реакционной способностью или способностью к термическому растворению). Покрытие содержит по крайней мере один оксид и/или материал, содержащий кремний.

В предпочтительных вариантах выполнения упомянутое покрытие содержит алюмосиликат. Упомянутый кремнесодержащий материал включает в себя слой, выполненный из силицида, или содержит силикат циркония. Упомянутый оксид содержит оксид алюминия. Стержень выполнен из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.

Во втором варианте выполнения литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки имеет покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки. Покрытие содержит оксид, выбранный из группы, включающей оксиды кальция, магния, алюминия, циркония, хрома, иттрия, кремния, гафния и их смеси.

В предпочтительных вариантах выполнения упомянутое покрытие содержит оксид хрома и дополнительно имеет покрытие из хрома, нанесенное с образованием упомянутого оксида хрома, или покрытие содержит диооксид кремния и дополнительно покрытие из силицида, нанесенное с образованием упомянутого диоксида кремния.

В третьем варианте выполнения используется литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, имеющий покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки. Покрытие содержит нитрид, выбранный из группы, включающей нитрид кремния, сиалон, нитрид титана и их смеси.

В четвертом варианте выполнения используется литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, имеющий покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки. Покрытие содержит карбид, выбранный из группы, включающей карбид кремния, карбид титана, карбид тантала и их смеси.

В пятом варианте выполнения используется литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, имеющий покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки. Покрытие содержит керамическое покрытие и по крайней мере один слой между тугоплавким металлом, образующим литейный стержень, и упомянутым керамическим покрытием.

В предпочтительных вариантах выполнения упомянутый слой сформирован из металла, выбранного из группы, включающей никель, платину, хром, кремний, их сплавы и их смеси, или упомянутый слой сформирован из интерметаллического соединения, выбранного из группы, включающей NiAl, MCrAlY, MoSi₂ и их смеси, или упомянутый слой сформирован из материала, выбранного из группы, включающей TiC, TiN, Si₃N₄ и их смеси. Упомянутое керамическое покрытие содержит оксид.

В шестом варианте выполнения используется литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, причем литейный стержень имеет покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки. Литейный стержень выполнен из молибдена и имеет протравленную поверхность. Протравленная поверхность может быть выполнена любым подходящим известным способом. Покрытие содержит оксид алюминия, нанесенный химическим осаждением из газовой фазы.

В седьмом варианте выполнения используется литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, имеющий грунтовочное покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки и дополнительное верхнее покрытие, нанесенное поверх грунтовочного покрытия.

В предпочтительных вариантах выполнения упомянутое верхнее покрытие выполнено из по крайней мере одного материала из группы, содержащей керамический материал, металлический материал и интерметаллический материал, или упомянутое верхнее покрытие выполнено из материала, выбранного из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида хрома, оксида иттрия и их смесей. Упомянутое верхнее покрытие выполнено из материала, выбранного из группы, включающей никель, хром, платину, их сплавы и их смеси, или упомянутое верхнее покрытие выполнено из материала, выбранного из группы, включающей алюминид, силицид и их смеси.

В восьмом варианте выполнения используется литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, имеющий покрытие для обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки. Покрытие содержит чередующиеся слои оксида алюминия и материала, выбранного из группы, включающей TiCN и цирконий.

Другие подробности, относящиеся к покрытиям литейных стержней из тугоплавкого металла, а также другие цели и присущие им преимущества приведены в следующем ниже подробном описании.

Осуществление изобретения

Литейные стержни из тугоплавкого металла представляют собой пластичную стержневую основу для создания сложных каналов охлаждения в литых деталях. Сложные металлические литейные стержни выполняются из тугоплавких металлов, выбранных из группы, состоящей из молибдена, тантала, ниобия, вольфрама, их сплавов и их интерметаллидов. В предпочтительном варианте выполнения в качестве тугоплавкого металла литейного стержня используется молибден и его сплавы.

Одним из важнейших компонентов в обеспечении высокого выхода годных литейных стержней из тугоплавкого металла является прочное покрытие, защищающее от окисления и вступления в реакцию/расплавления, наносимое на тугоплавкий литейный сердечник. Покрытие защищает тугоплавкий металл от окисления во время обжига оболочковой литейной формы и от вступления в реакцию/расплавления в процессе отливки. В зависимости от сплава (обычно это суперсплавы на основе никеля) и условий (равноосный, DS, SX), расплавленный метал может находиться в контакте с литейным стержнем из тугоплавкого металла в течение продолжительного времени (SX), либо недолго (равноосный). Типы/свойства покрытий могут выбираться разными для различных условий (например, для SX-отливок требуется более эффективная защита от расплавления тугоплавкого металла, чем для равноосных).

Выбор состава используемого покрытия и способ его нанесения определяются многими факторами. Одним из таких факторов является химическая совместимость как с тугоплавким металлом, так и со сплавом отливки в условиях проведения процесса. Например, хотя прохождение слабой реакции может быть желательно для хорошей адгезии с тугоплавким металлом, сильная реакция приведет к чрезмерной хрупкости и усложнит выщелачивание. Кроме того, при наличии активных добавок в сплавах требуется более инертное покрытие.

Другим фактором является совместимость физических свойств. Например, желательно использование покрытия, коэффициент теплового расширения которого близок к коэффициенту теплового расширения тугоплавкого металла, что снижает растрескивание в ходе процесса из-за несогласованности коэффициентов расширения. Другим физическим свойством, которое следует иметь ввиду, является деформируемость покрытия под нагрузкой, либо пористость.

Еще одним фактором является возможность нанесения тонкого и однородного покрытия для сохранения деталей отливки, для чего требуются процессы, позволяющие наносить покрытие вне прямой видимости. С учетом обеспечения выщелачивания желательно, чтобы покрытие удалялось с отливки без повреждения нижележащаго металла.

Одним из эффективных покрытий для нанесения на литейный стержень из тугоплавкого металла является смесь оксидов - алюмосиликата, где алюмосиликатом может быть муллит. Преимуществом такого покрытия является то, что оно лучше согласовано с тугоплавкими металлами по коэффициенту теплового расширения. Покрытие может включать слой с большим содержанием кремния, расположенный ближе к подложке для лучшей адгезии, и наружный слой с большим содержанием алюминия для лучшей совместимости с активными добавками сплавов. Другим смешанным оксидом, который может быть использован, может быть силикат циркония (циркон), обладающий совместимым коэффициентом теплового расширения. Нанесение покрытий из смешанных оксидов может выполняться с использованием самых разнообразных способов, включая химическое осаждение из газовой фазы, электрофорез, плазменное напыление и другие способы.

К другим эффективным покрытиям относятся керамические покрытия на основе оксидов, например диоксид циркония, оксид иттрия, диоксид гафния и их смеси. В другом варианте покрытия могут включать нитриды, например нитриды кремния, сиалон, нитрид титана, и их смеси. Кроме того, покрытия могут представлять собой карбиды, например карбид кремния, карбид титана, карбид тантала, и их смеси. Покрытие также может представлять собой силицид, например дисилицид молибдена.

В одном из способов, который может быть использован для улучшения качества покрытия, наносимого на литейный стержень из тугоплавкого металла, используется хонингование паром/кислотное травление и электролитическое травление для повышения механического сцепления алюминия, нанесенного химическим осаждением из газовой фазы на молибден.

Для улучшения адгезии керамического покрытия, а также для повышения стойкости к окислению, может быть использовано один или несколько промежуточных слоев. Слой или слои между тугоплавким металлом, например молибденом, и керамикой могут наноситься гальваническим путем, либо иными способами нанесения покрытия. Слой(и) может быть из металла, выбранного из группы, включающей никель, платину, хром, кремний, их сплавы и их смеси. В другом варианте, слой(и) может быть выполнен из интерметаллических соединений, например NiAl, MCrAlY, MoSi₂. Между тугоплавким металлом/оксидным покрытием, либо непосредственно между молибденом/оксидом, могут быть помещены слои из карбидов и нитридов, например TiC, TiN и Si₃N₄.

Еще в одном варианте выполнения покрытий в соответствии с настоящим изобретением устойчивость литейного стержня из тугоплавкого металла к окислению может быть повышена нанесением покрытия на грунтовочное покрытие. Наносимое поверх покрытие может быть керамикой, например многослойный оксид алюминия, оксид хрома, оксид иттрия и их смеси; металлом, например никель, хром, платина, их сплавы и смеси; и/или интерметаллическим соединением, например, алюминидами, силицидами и их смеси. Верхнее покрытие может наноситься гальваникой, химическим осаждением из газовой фазы и другими способами.

Еще в одном варианте выполнения покрытия в соответствии с настоящим изобретением могут быть многослойными. В таких покрытиях для повышения адгезии, снижения рассогласования по коэффициенту теплового расширения и/или образования более однородной структуры используется несколько чередующихся слоев покрытия. Примером могут служить TiC, TiN, TiCN/оксид алюминия и диоксид циркония/оксид алюминия.

Еще в одном варианте выполнения покрытия в соответствии с настоящим изобретением, выполненные термическим наращиванием, используются для создания преграды от расплавления в процессе обжига оболочковой литейной формы. Примерами могут служить покрытие из хрома, образующее оксид хрома, алюминида - оксид алюминия и силицида - диоксид кремния.

Для нанесения покрытий в соответствии с настоящим изобретением на литейные стержни из тугоплавкого металла может быть использовано несколько различных процессов. К ним относятся электрофорез, т.е. способ электрохимического нанесения покрытия на основе порошка, который может быть керамическим, металлическим или интерметаллическим. Этот способ, позволяющий наносить покрытие вне пределов прямой видимости, обеспечивает гибкость применения как с точки зрения его химии, конфигурации и наносимых слоев. Кроме того, процесс электрофореза может быть на водной основе и иметь невысокую стоимость.

Другим процессом для создания пленки является нанесение покрытия погружением с использованием золь-геля, либо в предпочтительном варианте выполнения состава покрытия с высоким содержанием твердого вещества. Нанесение покрытия погружением решает проблемы, присущие процессам нанесения покрытия на видимые поверхности.

Могут также использоваться методы конденсации из газовой фазы. К ним относятся большое число процессов, включая электронно-лучевую конденсацию из газовой фазы, катодное распыление электрической дугой, плазменное распыление, разбрызгивание.

Также может быть использована технология диффузионного покрытия. К диффузионному покрытию относятся, например алюминирование, покрытие кремнием, хромирование и их комбинации. Для образования более стойкой оксидной окалины могут использоваться легко окисляющиеся элементы, например иттрий, цирконий, гафний и др., и благородные металлы, например платина. После нанесения покрытия может проводиться управляемое окисление для формирования окалин из оксида.

Для сокращения цикла нагрева оксидное покрытие может быть образовано на литейном стержне из тугоплавкого металла во время предварительного нагревания DS/SX литейной формы в воздушной атмосфере печи при температуре до 1000°С перед ее установкой в вакуумную печь.

Очевидно, что здесь представлены согласно настоящему изобретению покрытия для литейного стержня из тугоплавкого металла, полностью соответствующие заявленным выше целям, средствам и преимуществам. В то время как настоящее изобретение было описано применительно к конкретному варианту его выполнения, для специалиста, ознакомившегося с приведенным описанием, будут очевидны и другие его варианты, модификации и изменения. Соответственно предполагается, что изобретение охватывает все эти варианты, модификации и изменения, попадающие в область притязаний, определяемую приложенной формулой.

1. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, состоящее из силиката алюминия.

2. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие из силицида.

3. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие из силиката циркония.

4. Литейный стержень по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.

5. Литейный стержень по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из молибдена.

6. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, состоящее из оксида, выбранного из группы, включающей оксиды кальция, магния, алюминия, циркония, хрома, иттрия, кремния, гафния.

7. Литейный стержень по п.6, отличающийся тем, что упомянутое покрытие является оксидом хрома, при этом указанный стержень дополнительно снабжен слоем хрома, нанесенным с образованием упомянутого оксида хрома.

8. Литейный стержень по п.6, отличающийся тем, что упомянутое покрытие является диоксидом кремния, при этом указанный стержень дополнительно снабжен слоем из силицида, нанесенным с образованием упомянутого диоксида кремния.

9. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, содержащее нитрид, выбранный из группы, включающей нитрид кремния, сиалон, нитрид титана и их смеси.

10. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, содержащее карбид, выбранный из группы, включающей карбид кремния, карбид титана, карбид тантала и их смеси.

11. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, содержащее керамическое покрытие и по крайней мере один слой между тугоплавким металлом, образующим литейный стержень, и упомянутым керамическим покрытием, причем указанный слой сформирован из металла, выбранного из группы, включающей никель, платину, хром, кремний, их сплавы.

12. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, содержащее керамическое покрытие и по крайней мере один слой между тугоплавким металлом, образующим литейный стержень, и упомянутым керамическим покрытием, причем указанный слой сформирован из интерметаллического соединения, выбранного из группы, включающей NiAl, MCrAlY, MoSi₂.

13. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, содержащее керамическое покрытие и по крайней мере один слой между тугоплавким металлом, образующим литейный стержень, и упомянутым керамическим покрытием, причем упомянутый слой сформирован из материала, выбранного из группы, включающей TiC, TiN, Si₃N₄.

14. Литейный стержень по п.13, отличающийся тем, что упомянутое керамическое покрытие содержит оксид.

15. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он выполнен из молибдена, имеет протравленную поверхность и снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, представляющее собой покрытие, нанесенное на указанную протравленную поверхность и содержащее оксид алюминия, нанесенный химическим осаждением из газовой фазы.

16. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, и дополнительно имеет верхнее покрытие, нанесенное на средства обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, причем указанное верхнее покрытие сформировано из алюминида.

17. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он выполнен из молибдена, имеет протравленную поверхность и снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое нанесено на указанную протравленную поверхность и содержит чередующиеся слои оксида алюминия и материала, выбранного из группы, включающей TiCN и цирконий.

18. Литейный стержень из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки, отличающийся тем, что он выполнен из материала, выбранного из группы, включающей тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы, и их интерметаллические соединения, и снабжен средствами обеспечения устойчивости к окислению во время обжига оболочковой литейной формы и защиты от вступления в реакцию и/или расплавления во время отливки, которое представляет собой покрытие, содержащее по крайней мере один оксид и/или материал, содержащий кремний.