vědomosti

Rád bych se s vámi podělil o technickou literaturu „Přehled keramických forem pro vytavitelné lití niklových superslitin“, což je pravděpodobně současný nejkomplexnější přehled výzkumu keramických skořepin.

 

Díky výše uvedenému mechanismu vyztužení vlákny se pevnost v ohybu zvýšila až o 261 % [46]. Je však zajímavé, že přidání vláken také zlepšilo pórovitost struktury. Přestože vlákna nebyla během vypalování zcela spálena, pórovitost stále překročila 27 %. To se připisuje propletené síti vláken, u které bylo prokázáno, že vytváří dobře propojenou strukturu pórů. To může být způsobeno zlepšeným rozložením pórů kolem vláknité sítě, což zlepšuje propojení pórů [46, 48, 49]. Další důležitou složkou, která ovlivňuje vlastnosti keramických skořepinových forem v surovém a slinutém stavu, je obsah pojiva. Hlavní funkcí pojiva je poskytnout dostatečnou pevnost neslinuté skořepinové formě v surovém stavu, aby bylo možné provést počáteční kroky zpracování, ale má také významný vliv na různé vlastnosti keramické skořepiny a jádra, včetně viskozity, stability a propustnosti po slinování. Jedním z běžně používaných pojiv v keramických suspenzích je koloidní oxid křemičitý, který na základě vládních nařízení nahradil ethylsilikátová pojiva [50, 34]. Je to proto, že koloidní oxid křemičitý může poskytnout dostatečnou pevnost v surovém stavu a stabilizovat suspenzi, aby se zabránilo její samovolné gelaci a aglomeraci [51, 52]. Několik studií zjistilo, že různé parametry silikátových pojiv, včetně podílu pevné fáze a poměru plniva k pojivu, mají významný vliv na výkon. S rostoucím obsahem oxidu křemičitého se výrazně zvyšuje viskozita (obrázek 11), což vede ke zvýšení pevnosti v ohybu a snížení propustnosti [52, 53]. Je to proto, že částice oxidu křemičitého tvoří během procesu sušení síť siloxanových vazeb [54]. Tento proces lze urychlit přidáním elektrolytů, které neutralizují částice oxidu křemičitého a zkracují dobu schnutí [53]. Podobně jako u pevné frakce zvyšuje zvýšení poměru plniva k pojivu hustotu suspenze, a tím i viskozitu a pevnost v ohybu výsledné skořepiny [53]. Kromě tradičních koloidních pojiv vykazuje potenciál pro výrobu keramických skořepinových forem s dobrými mechanickými vlastnostmi i třída ve vodě rozpustných pojiv, která se v posledních letech těší větší pozornosti. Mezi nimi je polyvinylalkohol (PVA), organické polymerní pojivo, nejčastěji studovaným ve vodě rozpustným pojivem. Jeho viskozita (obrázek 12) a pevnost v ohybu se zvyšují se zvyšujícím se obsahem [55, 56]. Další studie tento názor rovněž podporuje a dále porovnává PVA se dvěma pojivy na bázi kyseliny polyakrylové v keramickém systému z karbidu křemíku, přičemž hmotnostní podíly dvou pojiv na bázi kyseliny polyakrylové činí 20 % (PA) a 40 % (PA2) kopolymeru ethylenu a kyseliny akrylové. Studie zjistila, že při obsahu pojiva 15 % (hmotnostní podíl) pojivo PA poskytovalo ideálnější kombinaci vlastností. Mezi tyto vlastnosti patří relativně nízká viskozita a optimální vazba a stabilita [50]. Je zapotřebí dalšího výzkumu parametrů suspenzního systému ve vodě rozpustných pojiv, abychom pochopili, jak tyto parametry upravit tak, aby ovlivnily specifické vlastnosti keramických skořepinových forem.

 

 

3. Proces přípravy

 

Lití na vytavitelný model je klasickou metodou zpracování kovů. Navzdory významnému pokroku v materiálové technologii zůstávají některé její aspekty stabilní. Tradiční proces odlévání metodou „ztraceného vosku“, který lze vysledovat tisíce let zpět, je v moderní době stále velmi populární díky nízkým nákladům, vysoké rozměrové přesnosti a vysoké opakovatelnosti. Technologie impregnace suspenzí je proto stále obvykle hlavní metodou pro výrobu keramických skořepin pro vytavitelné lití. S vývojem složitějších systémů a přesnějších specifikací odlitků, včetně moderních lopatek turbín, musí skořepiny pro vytavitelné lití obsahovat keramická jádra. Tato jádra pomáhají vytvářet různé vnitřní geometrie, zejména pro zvýšení chladicích kanálů pro regulaci teploty [1]. Od svého vzniku zůstaly metody zpracování těchto jader také relativně stabilní, přičemž hlavní metodou tváření je vstřikování do formy. Extrémní požadavky na odlévání slitin za vysokých teplot však zhoršily mnoho omezení tradičních skořepin, zejména omezenou kontrolu nad strukturálními vlastnostmi, které mohou ovlivnit mechanické a tepelné vlastnosti, jakož i reakci rozhraní mezi taveninou a keramickou skořepinou.

 

3.1. překážky

 

Superslitiny na bázi niklu obsahují řadu legujících prvků, jako je titan, kobalt, hafnium, uhlík, wolfram, tantal, rhenium, hliník, yttrium, chrom, zirkonium, molybden a bor. Tyto přísady mohou ovlivňovat fyzikální změny inhibicí a/nebo stabilizací různých fází, čímž zlepšují tepelně-mechanické a chemické vlastnosti slitiny [3–5]. Například hafnium v ​​koncentraci pod 1 % může zlepšit odolnost proti tečení niklových slitin a zpomalit vznik a šíření mikrotrhlin během tuhnutí [57]. Prvky jako chrom a hliník mohou navíc zvýšit odolnost proti korozi, zatímco uhlík a yttrium mohou zpevnit hranice zrn a zvýšit tak mechanickou pevnost polykrystalických slitin [58,59]. Ačkoli jsou tyto a několik dalších dříve zmíněných prvků klíčové pro funkčnost slitiny, bylo také prokázáno, že během odlévání zesilují mezifázové reakce s keramickou skořepinou [21,60–62]. Tyto vrstvy, kromě dalších nepříznivých účinků, významně zvyšují náklady na zpracování a snižují rozměrovou přesnost odlitků. Zmírnění těchto chemických reakcí během odlévání je proto klíčovým krokem k formování přesnějších a nákladově efektivnějších skořepin.

 

Široce používanou metodou pro snížení mezifázových reakcí je potahování vnějšího povrchu jádra a vnitřního povrchu pláště inertními povlaky. Tyto povlaky se obvykle skládají z oxidů kovů, nitridů, karbidů a/nebo silicidů, které tvoří nereaktivní povrchy pro snížení difúze iontů z keramického materiálu do slitiny, čímž se minimalizují vady způsobené chemickými reakcemi.

 

Obrázek 11. Vliv hmotnostního podílu pevné fáze koloidního pojiva z oxidu křemičitého na viskozitu suspenze, což naznačuje, že viskozita se zvyšuje se zvyšujícím se obsahem oxidu křemičitého v pevné fázi (reprodukováno s laskavým svolením z Ref. [52])

Obrázek 13. Snímek plochy rozhraní povrchové vrstvy roztaveného oxidu hlinitého obsahující 5 % (hmotnostní podíl) Cr2O3 (reprodukováno s laskavým svolením z Ref. [60])

Obrázek 14. Snímek plochy rozhraní povrchové vrstvy roztaveného oxidu hlinitého obsahující 5 % (hmotnostní podíl) hexagonálního nitridu boru (reprodukováno s laskavým svolením z Ref. [60])

Toto tvrzení podporuje několik studií, které používaly modifikované povrchové vrstvy oxidu hlinitého ke zmírnění mezifázové reakce. Předběžná studie ukázala, že přidání 5 hmotnostních % keramického prášku složeného z hexagonálního nitridu boru (h-BN) a kalcinovaného kaolinu do povrchové vrstvy by mohlo významně snížit smáčivost slitiny na povrchové vrstvě [63]. V následné studii byly povrchové vrstvy roztaveného oxidu hlinitého s různými přísadami h-BN porovnány s povrchovými vrstvami oxidu hlinitého obsahujícími různý obsah Cr2O3 a výsledky reakční vrstvy jsou znázorněny na obrázcích 13 a 14. Studie ukázala, že přísada h-BN úspěšně zvýšila smáčivý úhel, čímž se snížilo pronikání taveniny do povrchové vrstvy, zatímco Cr2O3 neměl potenciál zmírnit mezifázovou reakci [60]. Další metodou nanášení bariéry je nanesení tenké vrstvy hliníku na povrch pláště, aby se stal vodivým. Poté lze povrch elektrostaticky práškově potřít a kovová vrstva reaguje s oxidem hlinitým a stává se součástí bariérového povlaku inhibujícího reakci [22].

 

3.2. Rychlé prototypování a aditivní výroba Aby se překonala běžná omezení tradičních technik výroby skořepin, včetně obtíží s kontrolou tloušťky a preference určitých chemických složení, nedávný výzkum využil technologie rychlého prototypování a aditivní výroby (AM) k lepší kontrole struktury skořepiny. Jak bylo uvedeno v předchozím přehledu, okraje keramických skořepin jsou potenciálními místy pro mechanické selhání v důsledku koncentrace napětí a zmenšené tloušťky skořepiny [33]. Tradiční techniky namáčení nejsou schopny tento problém účinně řešit a pro dosažení dostatečné pevnosti k zabránění šíření trhlin je nutné obětovat další nezbytné vlastnosti, jako je propustnost [35]. Díky aditivní výrobě se výrazně zvyšuje flexibilita výroby, což umožňuje vytvářet kompozitní návrhy, které mohou na specifických místech generovat oblasti s různým chemickým složením, tloušťkou a mechanickými a tepelnými vlastnostmi. Použitím stereolitografie k vytváření vrstevnatých komponent se může kontrola rozšířit až na úroveň konstrukčního návrhu, nejen na jednoduché rozměrové úpravy. Stereolitografie je technologie aditivní výroby, která vytváří vrstvu po vrstvě pomocí fotochemického procesu. V tomto případě lze každou vrstvu navrhnout podle požadované funkce součásti, čímž se vytvoří funkčně odstupňované součásti [64]. Ve srovnání s podobnými technikami založenými na suspenzi má tento proces několik potenciálních výhod, protože umožňuje úpravu vlastností každé vrstvy, což vede k proveditelnějším skořepinám. Studie ukázaly, že aditivní výrobní procesy lze použít k přípravě vnějších jader složených z drahých a vysoce inertních prášků na bázi yttria, zatímco hlavní tělo jádra používá levnější a snadněji rozpustné keramické materiály. To umožňuje využít inertnosti keramiky na bázi yttria při kontaktu s taveninami slitin za vysokých teplot a zároveň zmírnit negativní dopady jejích omezení, jak je popsáno v kapitole 4.4 týkající se yttria. Mezi vnější jádro a hlavní tělo jádra je také vložena mezivrstva, která zmírňuje tepelné namáhání způsobené rozdíly v koeficientech roztažnosti a zlepšuje výkon slinování [65]. Aditivní výroba může jít ještě dále a nejen ovlivnit složení a strukturální kontrolu skořepiny, ale také zahrnout změny v geometrii. Například aditivní výroba může být použita k začlenění pórů a kanálků do jádra pro zlepšení perkolace v silnějších a méně propustných oblastech. Vztah mezi pórovitostí a perkolací byl dobře známý při zpracování keramických jader a dalších aplikacích [66, 67] a lze jej snadno využít prostřednictvím aditivní výroby. Další možností aditivní výroby je přímé vytváření voskových vzorů bez nutnosti vstřikování plastů. Někteří výzkumníci si všimli výhod aditivní výroby v této aplikaci, protože značně snižuje dobu přípravy nástrojů a náklady spojené se standardními procesy vstřikování plastů a sestavováním voskových modelů [68, 69].

 

3.3. Metoda gelového odlévání Gelové odlévání je proces, který se často kombinuje s technikami aditivní výroby pro výrobu keramických jader. Jedná se o proces téměř čistého tvaru, při kterém se keramický prášek umístí do roztoku organického monomeru a poté se nalije do formy. Gelcasting umožňuje polymerizaci směsi do vysoce pevného, ​​silně zesítěného gelu a má relativně krátký vývojový cyklus [70]. Proces gelového odlévání pro nízkonákladovou výrobu keramických jader na bázi oxidu hlinitého byl úspěšně vyvinut s využitím lyofilizačního procesu ke snížení smrštění a potlačení tvorby trhlin, jak je znázorněno na obrázcích 15 a 16 [71]. Další kontroly smrštění lze dosáhnout přidáním méně než 0.5 % práškového oxidu hořečnatého, který kompenzuje přirozené smrštění jádra při spékání vytvořením expanzivní vrstvy MgAl2O4 [71,72]. Obrázek 15. (a) Trhliny v důsledku přirozeného schnutí na vzduchu a (b) inhibice tvorby trhlin během procesu přirozeného schnutí na vzduchu (reprodukováno s laskavým svolením z Ref. [71]) Obrázek 16. Srovnání smrštění při sušení na vzduchu a smrštění při lyofilizaci ukazuje, že lyofilizace má za následek výrazně nižší smrštění při sušení (reprodukováno s laskavým svolením z Ref. [71]) Jak již bylo zmíněno, gelcasting lze kombinovat s doplňkovými technologiemi pro optimalizaci různých procesních parametrů. V jedné studii byla aditivní výroba kombinována s gelovým odléváním za účelem rychlého vývoje komplexních pryskyřičných prototypů, které by nahradily standardní kovové formy. Tyto modely mají výhody jako nižší náklady, kratší dodací lhůta, vysoká přesnost tváření, dobrá tuhost a vynikající kvalita povrchu [71]. Podobně bylo pomocí gelového odlévání vyvinuto keramické jádro pro odlévání slitin hliníku, hořčíku a titanu. Tato metoda používala suspenzi na bázi vápníku a ve vodě rozpustnou epoxidovou pryskyřici s hustotou surového tělesa 58.5 % a pevností v ohybu až 29.5 MPa. Rozpustnost jádra ve vodě navíc usnadňuje jeho vyjmutí po odlití, čímž překonává omezení vyluhovatelnosti [73]. Navzdory těmto povzbudivým vlastnostem relativně vysoká míra smrštění při spékání přesahující 11 % naznačuje značné riziko praskání, což je běžný problém v mnoha procesech gelového odlévání. Navíc neexistují žádné důkazy o tom, že by tento proces mohl být použit pro superslitiny na bázi niklu. Dalším klíčovým aspektem zpracování, jak bylo již několikrát zmíněno, je propustnost keramické skořepiny, která umožňuje únik plynů skrz skořepinu. Pro zlepšení propustnosti slinutých keramických skořepin se v mnoha procesech používají pórotvorné látky (PFA) v keramické suspenzi, které se během vypalování spalují, zanechávají póry a tím zvyšují propustnost skořepiny. Vzhledem k obtížím, se kterými se často setkáváme při přechodu na vláknité pórotvorné látky, se nedávné studie vrátily k přibližné metodě tradičních technik tvorby pórů, konkrétně k procesu slinování jehlovým koksem, při kterém se jehlový koks používá jako plnivo v keramické suspenzi. Jehlový koks je obzvláště oblíbený díky své vysoké pevnosti, nízkému koeficientu roztažnosti, dobré odolnosti proti tepelným šokům a nízkým nákladům [74]. Ve srovnání s tradičními plášti z taveného oxidu křemičitého zvyšuje přidání jehlového koksu celkovou tloušťku pláště o 30 % a tloušťku okraje o 60 %, bez nutnosti dalších povlaků, čímž se snižuje propustnost a doba výroby. Navíc skořepiny s póry indukovanými ropou vykazují větší pevnost v surovém stavu a srovnatelnou tepelnou pevnost ve srovnání se systémem z taveného oxidu křemičitého, což naznačuje, že pevnost lze udržet i při zvýšené pórovitosti, jak je znázorněno na obrázcích 17 až 19 [74,75].

 

 

 

4. Keramické materiály

 

Jak již bylo zmíněno, keramické materiály používané pro skořepiny pro vytavitelné lití mají významný vliv na proveditelnost odlévacího systému a procesu. Mezi hlavní faktory patří reaktivita, vyluhovatelnost, mechanické vlastnosti, termomechanické vlastnosti a zpracovatelnost. Keramické oxidy se ukázaly jako nejúspěšnější keramické materiály pro odlévání superslitin, protože méně reagují s taveninou. Hlavní keramické materiály používané při konstrukci keramických skořepin – a ty, které budou v tomto přehledu diskutovány – jsou materiály na bázi oxidu křemičitého, oxidu hlinitého, zirkonu a yttria. Historický výkon těchto keramických materiálů ve výše uvedených klíčových vlastnostech bude zkoumán níže.

4.1. Oxid křemičitý

 

Materiály na bázi křemíku vyrobené z taveného oxidu křemičitého (SiO2) patří mezi nejoblíbenější keramické materiály pro odlévání komponentů z vysokoteplotních slitin. Jako polymorf se vlastnosti oxidu křemičitého výrazně liší v závislosti na jeho fázi. Hlavními fázemi oxidu křemičitého, které zde budeme diskutovat, jsou tavený oxid křemičitý (jeho amorfní forma) a kristobalit (minerální polymorf za vysokých teplot). Ve svém amorfním stavu má mnoho výhod ve vysokoteplotním prostředí, včetně extrémně nízkého koeficientu tepelné roztažnosti (0.6×10⁻⁶ K⁻¹), což mu dává vynikající odolnost proti tepelným šokům. Tavený oxid křemičitý má také dobrou vyluhovatelnost a lze jej odstranit pomocí vodných roztoků hydroxidu sodného a hydroxidu draselného, ​​aniž by došlo k poškození samotné slévárenské slitiny [24]. Nejvlivnější vlastností taveného oxidu křemičitého však spočívá v ovladatelnosti jeho mechanických a tepelných vlastností. Standardní tavený oxid křemičitý měkne, takže je náchylný k deformaci pod napětím během slinování, včetně tečení. Tento problém lze řešit zvýšením pevnosti skořepiny, která do značné míry závisí na dvou faktorech: zdánlivé pórovitosti a transformaci kristobalitu [24]. Kristobalit je minerální polymorf oxidu křemičitého, který se tvoří na povrchu částic taveného oxidu křemičitého během slinování při vysokých teplotách [76]. Tato transformace dominuje slinovacímu chování keramických materiálů na bázi taveného oxidu křemičitého při vysokých teplotách, například při odlévání, kde může zvýšit pevnost jádra. Bylo prokázáno, že počáteční transformace na fázi β-kristobalitu zvyšuje pevnost a objemovou hustotu skořepin z taveného oxidu křemičitého, jak je znázorněno na obrázku 20. Pevnost v ohybu vzorku slinutého při 1300 °C (11.4 MPa) je vyšší než u vzorku slinutého při 1200 °C.