Ливарний стрижень з тугоплавкого металу з покриттям

1. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, який відрізняється тим, що він має покриття, яке містить принаймні один оксид та/або кремнієвмісний матеріал. 2. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 1, який відрізняється тим, що матеріалом покриття є алюмосилікат. 3. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 1, який відрізняється тим, що кремнієвмісний матеріал включає шар, утворений з силіциду. 4. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 1, який відрізняється тим, що кремнієвмісним матеріалом є силікат цирконію. 5. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 1, який відрізняється тим, що вказаним оксидом є оксид алюмінію. 6. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 1, який відрізняється тим, що стрижень виготовлений з матеріалу, вибраного з групи, яка скла 2 (19) 1 3 77275 4 яка складається з NiAl, MCrAlY, МоSi2 та їх сумішей. 16. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 13, який відрізняється тим, що вказаний шар виготовлений з матеріалу, вибраного з групи, яка складається з ТіС, TiN, Sі3N4 та їх сумішей. 17. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 13, який відрізняється тим, що керамічне покриття містить оксидний матеріал. 18. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, який відрізняється тим, що вказаний ливарний стрижень виготовлений з молібдену, і він має протравлену поверхню та покриття, яке включає оксид алюмінію, нанесений хімічним осадженням з газової фази. 19. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, який відрізняється тим, що він має основне покриття та верхнє покриття, нанесене зверху на основне покриття. 20. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 19, який відрізняється тим, що верхнє покриття виконане з принаймні одного матеріалу вибраного з групи, яка складається з керамічного, металевого, та інтерметалідного матеріалів. 21. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 20, який відрізняється тим, що верхнє покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка складається з оксиду алюмінію, оксиду хрому, оксиду ітрію та їх сумішей. 22. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 20, який відрізняється тим, що верхнє покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка складається з нікелю, хрому, платини, їх сплавів та їх сумішей. 23. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу за п. 20, який відрізняється тим, що верхнє покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка складається з алюмініду, силіциду та їх сумішей. 24. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, який відрізняється тим, що він має покриття, яке містить переміжні шари оксиду алюмінію та матеріалу, вибраного з групи, яка складається з TiCN та діоксиду цирконію. Даний винахід відноситься до ливарних стрижнів з тугоплавкого металу, які застосовують у пристрої для лиття, зокрема, до покриттів, які наносять на такі ливарні стрижні для захисту стрижнів від окиснення під час випалу оболонки ливарної форми та від входження в реакцію/розплавлення під час процесу лиття. Точне лиття є загальноприйнятою технологією для виготовлення металевих компонентів, що мають складну геометричну форму, зокрема, порожніх деталей, і застосовується для виготовлення деталей газотурбінного двигуна з суперсплавів. Даний винахід буде описано у відношенні виготовлення виливків із суперсплавів, однак, варто розуміти, що винахід цим не обмежується. Стрижні, які застосовують для точного лиття, виконують із керамічних матеріалів, які є крихкими, зокрема, вдосконалені стрижні; які застосовують для виконання розгалужених охолоджувальних каналів в удосконаленому обладнанні газотурбінних двигунів. Ці керамічні стрижні мають схильність до деформації та розтріскування під час виготовлення та під час лиття. Традиційні керамічні стрижні виготовляють шляхом лиття з застосуванням керамічного розчину та фігурної форми. Як матеріал для моделі найчастіше використовують віск, хоча також застосовують пластмасу та органічні сполуки, такі як сечовина. Оболонкову форму виготовляють, застосовуючи колоїдну кремнеземну зв'язувальну речовину для зв'язування керамічних частинок, якими можуть бути глинозем, кремнезем, цирконієвий ангідрид та силікати алюмінію. Процес точного лиття, який застосовують для виробництва лопатей турбін з використанням керамічного стрижня, є таким. Керамічний стрижень, який має геометричну форму, потрібну для внутрішніх охолоджувальних каналів, вміщують у ме талеву прес-форму, стінки якої оточують стрижень, але з проміжком між ними та стрижнем. Прес-форму заповнюють одноразовим матеріалом моделі, таким як віск. Прес-форму знімають, залишаючи керамічний стрижень в середині воскової моделі. Зовнішню оболонкову форму після цього формують навколо воскової моделі шляхом занурення моделі в керамічний розчин з наступним додаванням до розчину більших сухих керамічних частинок. Цей процес називають облицюванням. Облицьовану воскову модель, яка містить стрижень; після цього висушують і процес облицювання повторюють для забезпечення потрібної товщини стінок оболонкової форми. Далі форму ретельно висушують для досягнення певної міцності матеріалу і віск видаляють, подаючи пару під високим тиском, яка видаляє більшу частину воску зсередини керамічної оболонки. Форму після цього випалюють при високій температурі для видалення залишків воску та для зміцнення керамічного матеріалу для лиття. В результаті отримують керамічну форму, яка містить керамічний ливарний стрижень, які у комбінації визначають порожнину форми. Зрозуміло, що зовнішня поверхня стрижня визначає канал, який має утворюватись у виливку, а внутрішня поверхня оболонкової форми визначає зовнішні розміри виливка з суперсплаву. Стрижень та оболонка також можуть визначати інші деталі, такі як опори стрижня для стабілізації стрижня або ливник, який служить для спрямування металу в деталь лиття. Деякі з цих деталей можуть не бути частиною готового виливка, але є необхідними для досягнення якісного лиття. Після видалення воску розплавлений матеріал суперсплаву виливають у порожнину, обмежену оболонковою формою та стрижнем, і затверджують. Виливок із суперсплаву після цього звільня 5 ють від форми та стрижня шляхом поєднання механічних та хімічних засобів. Робилися спроби забезпечення стрижнів для точного лиття, які мають поліпшені механічні властивості, меншу товщину, поліпшену стійкість до термоудару та нові геометричні форми і деталі. Одну таку спробу описано в опублікованій патентній заявці США №2003/0075300, включеній авторами шляхом посилання. Це були спроби забезпечення керамічних стрижнів із вставленими тугоплавкими металевими елементами. Хоча й було визнано необхідність у покриттях для поліпшення характеристик ливарних стрижнів з тугоплавкого металу, досі залишається потреба у визначенні особливо високоефективних покриттів. У даний час хімічне осадження з парової фази оксиду алюмінію (глинозему) є основним процесом/композицією, насамперед, завдяки доступності та відмінній сумісності глинозему з розплавленими нікелевими суперсплавами. Існує значна невідповідність коефіцієнта теплового розширення між тугоплавким металом/глиноземом, у результаті чого у покритті створюються мікротріщини. За цих умов утворення мікротріщин основне покриття не є повністю стійким до окиснення під час точного лиття в оболонковій формі. Ціль даного винаходу полягає у створенні покриттів для елементів тугоплавкого стрижня, зі зменшеною схильністю до утворення мікротріщин. Іншою ціллю даного винаходу є створення покриттів для елементів тугоплавкого стрижня, які мають поліпшену стійкість до окиснення. Зазначених цілей досягають завдяки покриттям згідно з даним винаходом. У першому варіанті втілення ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі має покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Покриття містить принаймні один оксид та/або матеріал, що містить кремній або його стійкий оксид. У другому варіанті втілення ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі має покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Покриття включає оксид, вибраний з групи, яка складається з оксидів магнію, алюмінію, кальцію, цирконію, хрому, ітрію, кремнію, гафнію та їх сумішей. У третьому варіанті втілення представлений ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, причому цей ливарний стрижень з тугоплавкого металу має покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Покриття включає нітрид, вибраний з групи, яка складається з нітриду кремнію, сіалону, нітриду титану та їх сумішей. У четвертому варіанті втілення представлений ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, причому цей ливарний стрижень з тугоплавкого металу має пок 77275 6 риття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Покриття включає карбід, вибраний з групи, яка складається з карбіду кремнію, карбіду титану, карбіду танталу та їх сумішей. У п'ятому варіанті втілення представлений ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, причому цей ливарний стрижень з тугоплавкого металу має покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Покриття включає керамічне покриття та принаймні один шар між тугоплавким металом, з якого виготовлено ливарний стрижень з тугоплавкого металу, та вищезгаданим керамічним покриттям. У шостому варіанті втілення представлений ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, причому цей ливарний стрижень з тугоплавкого металу має покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Ливарний стрижень з тугоплавкого металу виготовлений з молібдену і має витравлену поверхню. Витравлену поверхню утворюють, застосовуючи будь-яку відому спеціалістам технологію. Покриття включає глинозем, який наносять шляхом хімічного осадження з парової фази. У сьомому варіанті втілення представлений ливарний стрижень тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, причому цей ливарний стрижень з тугоплавкого металу має основне покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття, а також має верхнє покриття, нанесене на основне покриття. У восьмому варіанті втілення представлений ливарний стрижень з тугоплавкого металу для застосування у ливарній системі, причому цей ливарний стрижень, з тугоплавкого металу має покриття для забезпечення стійкості до окиснення під час випалу оболонкової форми та захисту від вступання в реакцію та/або розплавлення під час лиття. Покриття включає переміжні шари глинозему та матеріалу, вибраного з групи, яка складається з ТіС, TiN, TiCN та солей цирконію. Інші деталі покриття для ливарного стрижня з тугоплавкого металу, а також інші пов'язані з ним цілі та переваги викладено нижче у детальному описі. Ливарні стрижні з тугоплавкого металу є еластичною системою стрижнів для створення розгалужених охолоджувальних каналів у компонентах лиття. Розгалужені металеві стрижні виготовляють із тугоплавких металів, вибраних з групи, яка складається з молібдену, танталу, ніобію, вольфраму, їх сплавів та їх інтерметалідних сполук. Оптимальним матеріалом для ливарного стрижня з тугоплавкого металу є молібден та його сплави. Одним з головних компонентів високої продуктивності ливарних стрижнів з тугоплавкого металу є міцне оксидне бар'єрне покриття проти розплав 7 лення/реакції, яке наносять на ливарний стрижень з тугоплавкого металу. Покриття захищає тугоплавкий метал від окиснення під час випалу оболонкової форми та від реакції/розплавлення під час процесу лиття. Залежно від сплаву (зазвичай, суперсплавів на основі нікелю) та стану (рівновісний, направлена кристалізація (DS - directionally solidified), монокристальний (SX - single crystal)), розплавлений метал може перебувати у контакті з ливарним стрижнем з тугоплавкого металу протягом значного відрізку часу (SX) або протягом короткого часу (рівновісний). Тип/властивості покриттів можуть бути різними, залежно від різних умов (наприклад, SX-лиття вимагає значно ефективнішого бар'єра від розплавлення для ливарного стрижня з тугоплавкого металу, ніж у разі рівновісного). Вибір складу покриття та спосіб нанесення зумовлюється багатьма чинниками. Одним з таких чинників є хімічна сумісність з тугоплавким металом та ливарним сплавом в умовах роботи. Наприклад, хоча для належного зчеплення вимагається певна реакція з тугоплавким металом, широка реакція може призвести до ламкості або обмеження вилуговуваності. Крім того, активні легуючі додатки вимагають більш інертного покриття. Ще одним чинником є відповідність фізичних властивостей. Наприклад, покриття, яке має коефіцієнт теплового розширення, наближений до коефіцієнта тугоплавкого металу, потрібне для зменшення викликаного невідповідністю розтріскування під час обробки. Відповідність деформації або пористість також є фізичними властивостями, які можуть враховуватися. Ще одним чинником є потреба у процесі тонкого і рівномірного покриття для збереження деталей лиття, що є зручним у разі процесів, які контролюються поза межами прямої видимості. З точки зору вилуговуваності бажано, щоб покриття могло зніматися з лиття без пошкодження основного металу. Одним з корисних покрить, які можуть наноситись на ливарний стрижень з тугоплавкого металу, є змішана оксидно-алюмосилікатна композиція, в якій силікатом алюмінію може бути муліт. Таке покриття є вигідним, оскільки воно краще відповідає коефіцієнту теплового розширення тугоплавких металів. Покриття може включати багатий на кремній шар ближче до нижнього шару для кращого зчеплення та багатий на глинозем зовнішній шар для кращої сумісності з активними легуючими додатками. Силікат цирконію (циркон) є ще одним змішаним оксидом, який може бути застосований. Він має сумісний коефіцієнт теплового розширення. Змішані оксидні покриття наносять, застосовуючи різні способи нанесення, включаючи, крім інших, хімічне осадження з парової фази, електрофоретичний процес, технологію плазмового напилення і т.ін. До інших корисних покрить належать керамічні покриття, утворені з оксидів, таких як оксиди цирконію, ітрію, гафнію та їх сумішей. В альтернативному варіанті покриття можуть включати нітриди, такі як нітриди кремнію, сіалон, нітрид титану та їх суміші. Крім того, покриття можуть включати кар 77275 8 біди, такі як карбід кремнію, карбід титану, карбід танталу та їх суміші. Покриття також може бути силіцидом, таким як дисиліцид молібдену. До способів, які можуть застосовуватися для поліпшення покриття, нанесеного на ливарний стрижень з тугоплавкого металу, належать парове хонінгування/кислотне травлення та анодне травлення для посилення механічного зв'язування осадженого шляхом хімічного осадження з газової фази (CVD - chemical vapor deposition ) глинозему на молібден. Для підвищення зчеплення керамічного покриття, а також для підвищення стійкості до окиснення застосовують один або кілька прошарків. Шар або шари між тугоплавким металом, таким як молібден, та керамікою наносять шляхом електроосадження або іншими засобами покривання. Шар(и) утворюють з металу, вибраного з групи, до якої належать нікель, платина, хром, кремній, їх сплави та їх суміші. В альтернативному варіанті шар(и) утворюють з інтерметалідних сплавів, таких як NiAl, MCrAlY, MоSі2. Карбіди та нітриди, такі як ТіС, TiN та Sі3N4, застосовують між тугоплавким металом/оксидним покриттям або безпосередньо між молібденом/оксидом. В іншому варіанті втілення покрить згідно з даним винаходом стійкість ливарного стрижня з тугоплавкого металу до окиснення можна підвищити через додаткове покриття над основним покриттям. Додатковим покриттям може бути кераміка, така як багатошаровий глинозем, оксиди хрому, ітрію та їх суміші; метали, такі як нікель, хром, платина, їх сплави та суміші; та/або інтерметалідні сплави, такі як алюмініди, силіциди та їх суміші. Додаткові покриття наносять шляхом електроосадження, хімічного осадження з парової фази або іншими способами вкривання. У ще одному варіанті втілення покриття згідно з даним винаходом можуть бути ламінатними покриттями. У цих покриттях може бути застосовано кілька переміжних шарів покрить для посилення зчеплення, зниження невідповідності по коефіцієнту теплового розширення та/або утворення більш однорідної структури. Прикладами можуть бути ТіС, TiN, TiCN/глинозем та оксид цирконію/глинозем. У ще одному варіанті втілення, покриття відповідно до даного винаходу, виконані термічним нарощуванням, застосовуються для створення бар'єра від розплавлення під час випалу оболонкової форми. Прикладами можуть служити покриття хрому на оксиді хрому, алюмініду на оксиді алюмінію та силіциду на діоксиді кремнію. Для нанесення покрить згідно з даним винаходом на ливарні стрижні з тугоплавкого металу застосовують багато інших способів. До цих способів належать електрофорез, тобто, спосіб електрохімічного нанесення покриття на основі порошку, який може бути керамічним, металічним або інтерметалічним. Цей процес контролюється поза межами прямої видимості, що забезпечує гнучкість щодо хімічного складу, структури та шарів. Крім того процес електрофорезу може здійснюватися на водній основі і бути низьковитратним. 9 77275 Інші способи є пов'язаними з вкриванням шляхом занурення з застосування золь-гелю або, в оптимальному варіанті - покриття з високою концентрацією для створення плівки. Покриття шляхом занурення зменшує проблеми, пов'язані з прямою видимістю. Застосовують також способи фізичного осадження з парової фази. До цих способів належить багато процесів покриття, включаючи електропроменеву конденсацію з газової фази, катодне розпилення електричною дугою, плазмове напилення та розпилення. Також застосовують способи дифузійного покриття. Дифузійне покриття охоплює такі процеси, як алюмінування, окременіння, хромування та їх комбінації. Можуть бути включені активні щодо окиснення елементи, такі як ітрій, цирконій, гафній та ін., а також благородні метали, такі як платина, для утворення більш довговічних окалин. Після Комп’ютерна верстка А. Рябко 10 процесу покриття може бути здійснене контрольоване окиснення для утворення окалини. Оксидне покриття утворюють на ливарних стрижнях з тугоплавкого металу під час попереднього нагрівання форми DS/SX у печі з природною тягою до 1000°С перед поміщенням її у вакуумну піч для скорочення циклу нагрівання. Стає зрозумілим, що забезпечується покриття для ливарного стрижня з тугоплавкого металу згідно з даним винаходом, яке повністю відповідає викладеним вище цілям, засобам та перевагам. Хоча даний винахід було описано в контексті конкретних варіантів його втілення, спеціалістам стануть зрозумілими альтернативні варіанти, модифікації та видозміни після ознайомлення з представленим вище описом. Відповідно, він включає альтернативні варіанти, модифікації та видозміни, які охоплюються обсягом формули винаходу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601