Специалисты НИТУ МИСИС и ПАО «ОДК-Кузнецов» представили инновационный подход, который позволяет создавать более прочные и термостойкие детали для авиадвигателей и энергетических установок. Они предложили изготавливать формы для отливок, сочетая технологию 3D-печати с высокотемпературным спеканием, что решает ключевую проблему существующих методик — выделение газов при литье жаропрочных сплавов, пишет Naked Science.
При современном аддитивном производстве отливок распространен способ послойного выращивания литейных форм из сыпучего огнеупорного наполнителя с помощью жидкого связующего из синтетической смолы. Этот метод имеет преимущества перед традиционной формовкой с использованием моделей, но полученный результат не подходит для вакуумного литья высокотемпературных сплавов.
Такие формы выделяют большое количество газообразных продуктов из-за разрушения органических связующих материалов при нагреве. Альтернативные методы, такие как фотополимерная печать керамики, обладают существенными недостатками, включая высокую стоимость и низкую геометрическую точность после спекания. Российские ученые предложили решение этой проблемы, разработав основы новой комбинированной технологии.
«Основная идея нашего подхода заключается в использовании преимуществ 3D-печати для создания изделий сложной геометрии с последующим укреплением формы за счет пропитки коллоидным кремнеземом. В работе, кроме традиционного диоксида кремния, использовались еще два перспективных огнеупорных материала: пропант — гранулированный оксид алюминия, и ценосферы — полые керамические микросферы, которые обеспечивают необходимые технологические и теплофизические свойства форм», — сказал доктор технических наук Андрей Колтыгин, директор инжинирингового центра литейных технологий и материалов НИТУ МИСИС.
Процесс изготовления состоит из нескольких этапов. Сначала методом струйной печати с использованием фуранового связующего, создается заготовка литейной формы. Затем она подвергается многократной пропитке коллоидным кремнеземом, что позволяет заполнить поры и укрепить структуру. Завершающий этап — спекание при температуре около 1200°C, в результате которого формируются прочные керамические связи и удаляется органическое связующее. После этого форма готова к заливке металлом в вакууме.
Экспериментальные результаты показали, что предложенная технология позволяет достичь высокой прочности форм при минимальной усадке — всего 0,5-1,8%. Это существенно меньше, чем при использовании альтернативных методов аддитивного изготовления керамических литейных форм. В результате работы были получены экспериментальные отливки из жаропрочного никелевого сплава, которые по основным параметрам соответствовали промышленным требованиям.
«Хотя новая технология нуждается в отработке и совершенствовании, она имеет большой потенциал для применения в авиационной и энергетической промышленностях, где требуются сложные детали из жаропрочных сплавов. Особенно перспективным направлением является производство турбинных лопаток и других важных элементов авиадвигателей. Сейчас мы работаем над оптимизацией технологии для улучшения качества поверхности получаемых отливок», — добавил аспирант кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов МИСИС Андрей Рижский.
Подробности исследования опубликованы в научном Journal of Manufacturing and Materials Processing (Q2). Работа проведена в рамках проекта по созданию высокотехнологичного производства крупногабаритных литых деталей из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей и индустриальных установок.
