Новая технология ускорит производство жаропрочных деталей для энергетики и авиации

При современном аддитивном производстве отливок распространён 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 кремнезёмом. 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 д.т.н. 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 журнале 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.