Деформация керамических стержней, возникающая при обжиге огнеупорных форм
Производство пустотелых и охлаждаемых турбинных лопаток — сложный и трудоемкий процесс. Одним из основных видов брака литых пустотелых лопаток является разностенность. Керамические стержни, оформляющие внутреннюю полость отливки лопаток, подвергаются значительным термическим воздействиям, что может явиться причиной изменения первоначальной конфигурации и размеров стержня.
Разностенность появляется в период заливки и кристаллизации расплава в форме. Считается, что при температуре прокалки форм 950 ... 1000 °С керамический стержень деформации не испытывает. Разностенность пера лопатки увеличивается постепенно от знаков стержня к середине пера лопатки. Основной причиной коробления керамических стержней являются их низкие термомеханические свойства. Брак по разностенности при производстве крупногабаритных лопаток достигает 20 % от всего брака отливок.
В работе [3] указывается, что на всех отливках спинка толще корытца. 'Кристаллизация отливки лопатки приводит к неравномерному распределению температуры вблизи спинки и корытца из-за затрудненного теплоотвода стержня, окруженного затвердевающим металлом. В этом случае температура стержня выше температуры формы. Эти факторы являются определяющими и обусловливают искажение геометрического образа керамического стержня. Однако имеющийся производственный опыт литья крупногабаритных лопаток предполагает, что деформация стержня происходит не только в период заливки керамической формы расплавом, но и на стадии процесса прокалки самой формы при температуре 950 ... 1000 °С.
В работе изучалось влияние процесса обжига форм на коробление керамических стержней. Основой стержней является электрокорунд с различным содержанием связующих добавок (силикат-глыбы и кремнийорганических лаков). Для испытания были выбраны крупногабаритные стержни, применение которых приводит к образованию разностенности в полых литых лопатках. Стержни имеют следующие размеры: длина 402 мм; большая ширина хорды 76 мм; толщина по зениту 21 мм; толщина выходной кромки 3 мм.
Выбор столь крупногабаритных стержней позволяет наиболее объективно оценить из деформацию, так как этому способствует большая его длина, наличие сочетания толстых и тонких сечений профиля стержня, а все это способствует большим перепадам в распределении температурных полей как между спинкой и корытом, так и по его длине.
Перед проведением эксперимента прокаленный керамический стержень разбивался на четыре продольных сечения (Р, А, Б, В). Сечение Р отстоит от входной кромки на 10 мм и расположено на самой толстой части стержня, сечение А — на 25 мм от входной кромки, сечение Б — на 30 мм, сечение В удалено от выходной кромки на 7 мм и характеризует самую тонкую часть стержня. Девять продольных сечений разбивают тело спинки и корытца стержня на секторы.
Такая разбивка позволила получить 36 контролируемых точек на спинке и столько же точек на корытце и точнее оценить геометрию стержня после моделирования процесса прокалки формы. Обмер стержней производился на разметочной плите. Керамические стержни знаковыми частями укладывались на три фиксатора, два фиксатора располагались на профиле опоры для большого знака, а третий фиксатор— на профиле опоры для укладки малого знака стержня. Таким образом, два продольных сечения на стержне (например, сечения Б и В и сечения Р и А) находились в одной плоскости с разметочной плитой. В качестве мерительного инструмента применялся штангенрейсмасс с погрешностью измерения +0,05 мм, с помощью которого определяли высоту каждой точки от уровня разметочной плиты. Данные измерения вносили в таблицу. Таблица составляется для параметров спинки и корытца.
Затем стержни устанавливали в корзину, изготовленную из жаростойкой стали, малым знаком стержень упирался в днище корзины и фиксировался в положении» аналогичном установке стержня в керамической форме (рис. 2). Корвину обертывали асбестовой тканью, которая по своим, теплофизическим параметрам наиболее близка к форме из электрокоруида. Ткань закрепляли с помощью металлической проволоки. Верхняя часть корвины представляла собой асбестовую крышку с отверстием в середине, размер отверстия соответствовал полости литниковой чаши.
Асбестовую форму с установленными внутри стержнями помещали в прокалочную электрическую печь ОКБ-2Ю с открытой дверцей печи при температуре 600 °С, после чего дверь закрывали и в течение двух часов температура в печи поднималась до 970 °С, затем производилась выдержка формы в течение 16 ч.
После извлечения формы из печи и охлаждения испытанные стержни подвергали обмеру в тех же точках и по тому же принципу, что и до моделирования прокалки формы. Для проведения экспериментов выбирали стержни на основе электрокорунда с равличными связующими: с добавкой 2,5 % силикат-глыбы (т. н. стержень синоксаль-процесса, подобные стержни широко применяются в производстве пустотелых лопаток); с добавкой в качестве связующего 6 % кремнийорганического лака КО-086; с кремнийорганическим лаком К0-08. Лаки использовали в количестве 0,5, 1,5, 3,0, 6,0%. Различное содержание лака КО-08 позволило проследить, как влияет его количество на жаропрочность стержня. Полученные результаты после моделирования процесса прокалки сопоставляли с высотами точек до моделирования, в результате чего определялось численное значение деформации каждой точки стержня.
На рис. 3 в качестве примера приведены графики распределения прогиба стержня после моделирования процесса прокалки от большого знака стержня к малому для среднего сечения Б. На графиках представлены результаты испытания стержней различных составов. Ив анализа графиков следует, что прогиб стержней колеблется от 0,05 до 1 мм и нет определенной зависимости между деформациями спинки и корытца. Все стержни, испытанные в процессе моделирования прокалки формы, в той или иной степени имеют прогиб как на спинке, так и на корытце. Анализ полученных данных по прогибу дал возможность выделить стержни, имеющие наименьшую деформацию и наибольший прогиб после моделирования процесса прокалки формы. Наименьшей степенью деформации обладает стержень на основе электрокорунда с 3,0 %-ной добавкой кремнийорганического лака К0-0,8, наибольшей деформации подвержен стержень с 0,5 %-ной добавкой лака
К0-08.
По степени возрастания деформации стержни разного состава можно распределить в следующем порядке (основа — электрокорунд): 3,0 % лака К0-08 (=22,6 МПа); 2,5% силикат-глыбы (=13,0 МПа); 6,0 % лака К0-08 (=22,8 МПа); 6,0 % лака К0-086 (<ти3г= 19,7 МПа); 1,5% лака К0-08 (а = 22,4 МПа); 0,5% лака К0-08 (аи3г=20,5 МПа). Таким образом, проведенная работа позволяет сделать вывод о поведении протяженных керамических стержней на стадии прокалки формы при 950 ... 1000°С и о степени влияния связующей добавки кремнийорганического лака на коробление испытуемых стержней.