Ученые Пермского Политеха создали уникальную технологию производства керамики

Цилиндрическая поверхность образца с пропиткой без обжига. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Керамические материалы сегодня используются повсюду — от авиастроения до электроники. Из них делают детали реактивных двигателей, жаростойкие и антикоррозионные покрытия для оборудования, работающего в агрессивных средах, элементы газовых датчиков, а также электронных приборов.

Спрос на керамику постоянно растет, потому что она выдерживает высокие температуры, устойчива к агрессивным средам, что позволяет использовать её при создании элементов газотурбинных двигателей, камер сгорания, теплозащитных экранов. От надежности этих деталей напрямую зависит безопасность полетов и срок службы авиационной и космической техники.

Особенно актуальна керамика в литейном производстве. Для получения металлических деталей со сложной геометрией (лопаток газотурбинных двигателей и корпусов насосов) используют керамические формы. От них зависит качество готового изделия, которое потом используется в авиационных двигателях, энергетических установках и ракетно-космической технике, где отказ любой детали может привести к серьезным последствиям.

В промышленности для изготовления керамических изделий и отливочных форм применяют два основных подхода. Первый — с применением восковых моделей для серийного производства керамических форм, в которые заливают сплав при изготовлении, например, лопаток газотурбинных двигателей. Второй — аддитивные технологии (3D-печать): с их помощью изготавливают керамические изделия с более сложной пористой структурой, которая снижает вес.

Главная проблема существующих технологий в том, что они не позволяют в достаточной степени регулировать свойства изделий. Дело в том, что в традиционных методах производства весь процесс идет в одну стадию. Керамический порошок смешивают со специальным клеем, сушат и обжигают. Однако поведение детали на разных этапах зависит от множества факторов (исходный состав порошка, режим его обработки), поэтому один и тот же состав может дать разный результат, что приводит к браку при серийном производстве.

Ученые Пермского Политеха создали уникальную для России двухстадийную технологию изготовления керамики. Она позволит не только увеличить прочность изделия, но и регулировать свойства изделия в зависимости от производственных задач. Область применения разработки очень широка: она подходит не только для изготовления промышленных литейных форм, но и для производства любых других керамических деталей, например, компонентов электронных устройств.

Технология включает два этапа, каждый из которых решает свою задачу. Сначала необходимо подобрать первичное связующее для заготовки, которое будут смешивать с керамическим порошком, и из этой смеси изготавливать изделие. Так как после обжига первичное связующее выгорает, исследователи предложили на второй стадии дополнительно пропитывать изделия специальными составами, которые заполняют поры и создают каркас с заданной прочностью. Именно разделение на два этапа и добавление вторичной пропитки — главное отличие от традиционных одностадийных методов.

С помощью этой технологии можно делать детали с разной прочностью — например, твердыми снаружи и рыхлыми внутри. Это также нужно для литейных форм, которые используют при производстве деталей авиационной и космической техники.

Для улучшения технологии ученые также изучили несколько вариантов первичного связующего и выяснили, что наилучшие показатели дает состав на основе фенолформальдегидной смолы и этилового спирта. Образцы из керамики с этим связующим показали максимальную прочность по сравнению с другими вариантами. В качестве вторичного связующего ученые взяли коллоидные «растворы» оксидов кремния и алюминия на водной основе. Такие составы выбрали не случайно: благодаря малому размеру частиц и хорошей текучести они легко проникают в поры заготовки.

Чтобы проверить, насколько эффективна технология, ученые изготовили образцы и разделили их на группы: часть оставили без дополнительной обработки, а остальные пропитали вторичным составом разными способами. Они применяли пропитку с нагревом до 60 градусов, в вакууме и обработку ультразвуком. После проведенных испытаний на сжатие лучший результат показала пропитка под вакуумом: прочность керамических образцов выросла более чем в 10 раз.

Еще одно важное применение технологии — снижение толщины дефектного слоя при литье титановых сплавов, которые широко используются в авиации, ракетостроении и энергетике. Проблема в том, что при заливке титана внутри расплава образуются пары алюминия, которые проникают в поры формы. Это приводит к образованию дефектного альфа-слоя. Его приходится удалять механически или химически, что увеличивает время и стоимость производства. Ученые применили новую технологию для предотвращения этого нежелательного эффекта за счет вторичной доработки готовых литейных форм.

— Мы изготовили две группы керамических форм: одни по стандартной технологии, другие — по новой двухстадийной. В них залили титановый сплав, а после затвердевания измерили глубину дефектного слоя. Результаты показали, что применение новой технологии снижает его глубину на 61%. Причем в ряде случаев нам удавалось полностью устранить образование слоя. Это позволит сократить время и стоимость последующей обработки отливок, например, при производстве лопаток газотурбинных двигателей, корпусов насосов или других деталей авиационной и ракетно-космической техники, а также уменьшить расход химических реагентов, — рассказал Николай Углев, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.

Ученые также проверили, можно ли применить двухстадийную технологию для других керамических изделий: не только в литейном производстве, но и других отраслях, например, в приборостроении. Для эксперимента они выбрали газовые датчики, которые широко используют на промышленных предприятиях, в котельных и системах вентиляции: они следят за утечками метана и других горючих газов, предотвращая накопление взрывоопасных концентраций. Их чувствительные элементы (пеллисторы) тоже делают из керамики, а значит, к ним применима та же двухстадийная технология.

— Сначала из керамического порошка и первичного связующего мы сформировали сами чувствительные элементы. Затем на них нанесли дополнительный слой: порошок смешали со вторичным связующим. Для проверки мы также изготовили две группы датчиков: обычные и сделанные по новой технологии. Их поместили в газовую камеру, где задали определенную концентрацию метана, и измерили выходной сигнал, который должен меняться при нагреве в присутствии газа, — пояснил Вячеслав Пунькаев, аспирант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.

Испытания показали, что технология позволяет не просто увеличивать прочность, но и менять структуру керамики — например, создавать теплоизолирующий слой, который повышает чувствительность. В результате после нанесения дополнительного слоя амплитуда сигнала при обнаружении метана увеличилась с 10 до 35 милливольт. Это означает, что чувствительность выросла более чем в три раза. Причем такой результат достигнут без усложнения электронной схемы, а только за счет изменения конструкции керамического элемента (пеллистора).

Разработанная технология впервые позволяет изготавливать керамические формы для производства с прогнозируемыми свойствами (прочностью и пористостью). Это особенно важно для сложных деталей, таких как лопатки газотурбинных двигателей, где керамическая оснастка должна одновременно выдерживать экстремальные нагрузки при заливке металла и легко удаляться после ее завершения.

При этом разработка не ограничивается литейным производством. Универсальность двухстадийного подхода позволяет применять его и в других областях, где требуется керамика с контролируемыми свойствами, — от электроники до машиностроения.

Исследование проведено в рамках диссертации.