Способ изготовления керамических стержней с неравномерной прочностью по глубине, ускоряющий их удаление в заключительной стадии процесса литья по выплавляемым моделям, разработали и запатентовали специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 19 февраля сообщает пресс-служба вуза.

Литье по выплавляемым моделям традиционно используется для изготовления деталей со сложной формой, в том числе лопаток турбореактивного двигателя, форму которых трудно воспроизвести традиционными методами обработки материала.

Чтобы воссоздать форму и размер такого изделия, изготавливается его модель из воска. Далее вокруг модели создают твердую керамическую оболочку. После чего воск выплавляется, а в образовавшуюся пустоту заливается металл, который, застывая, образует отливку детали.

При этом для создания внутренних полостей в восковую модель помещают керамический закладной элемент (стержень) соответствующей формы. В лопатках эти полости предназначены для снижения массы отливки и создания каналов охлаждения воздухом, необходимого при работе двигателя.

Однако убрать такой стержень в конце процесса изготовления отливки достаточно сложно и трудоемко. Это обусловлено, в частности, тем, что такой стержень должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать заливку расплавленного металла. Для ускорения процесса удаления стержня из отливки используют щелочные реагенты, растворяющие керамику, но при этом образуется большое количество токсичных отходов.

Разработанная в Пермском Политехе уникальная технология изготовления литейных стержней позволяет легко удалять их, сокращая трудозатраты и исключая необходимость в нейтрализации высокотоксичных отходов. Результаты ее исследования авторы представили в статье «Разработка способа изготовления легкоудаляемых керамических стержней для литья по выплавляемым моделям», опубликованной в журнале «Стекло и керамика», 2023 год.

Аспирант кафедры «Химические технологии» Вячеслав Пунькаев рассказал о сути предложенного ими метода:

«Мы предлагаем изготавливать сам керамический стержень из материала, свойства которого можно регулировать. Достаточно прочный снаружи, чтобы полость получилась установленных размеров, но при этом со слабой сердцевиной, которая облегчает удаление из отливки».

Как пояснил руководитель проекта, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Николай Углев, исследователи установили, что при использовании в качестве связующего вещества в керамическом композите кремнезоль, можно получить при обжиге керамических изделий разную по объему прочность.

«Поэтому технология изготовления стержней с уменьшающейся прочностью от внешней части к внутренней может быть такой — сначала стандартным методом изготавливается „сырой“ стержень, имеющий малую прочность, а потом проводится градиентная пропитка поверхности кремнезолем», — уточнил Углев суть новой технологии.

Для ее исследования был проведен эксперимент — были изготовлены алюминиевые образцы для формирования стержней в форме конуса. Их покрывали керамическим составом, сушили и пропитывали вторичным связующим, погружая в емкость с кремнезолем и клеем на основе крахмала.

В процессе пропитки ученые фиксировали такие параметры, как вязкость связующего, время пропитки образца и избыточное давление пропитки. После обжига измеряли прочность стержня на разных диаметрах.

Политехники отметили, что в глубине образца четко прослеживается снижение концентрации кремния, которое обеспечивает разность прочности внутри керамического стержня. Было установлено, что желаемый эффект был получен при использовании для пропитки связующего с наибольшей вязкостью. Добиться этого получилось за счет увеличения концентрации клея в составе связующего.

На новую технологию в ПНИПУ был получен патент № 2792102.

Исследователи намерены и дальше развивать и адаптировать технологию для упрощения изготовления деталей повышенной сложности методом литья по выплавляемым моделям.