Ученые Пермского Политеха создали уникальную для России двухстадийную технологию изготовления керамики. Она позволяет не только увеличить прочность, но и регулировать свойства изделия в зависимости от производственных задач.
Отметим, керамика сегодня используется в самых разных областях. В машиностроении и авиастроении из нее делают литейные формы для получения сложных деталей, например, лопаток газотурбинных двигателей. От свойств этих форм зависит качество готовых изделий, которые применяют в авиации, энергетике и космической технике.
Существует два основных подхода изготовления керамических изделий — с применением восковых моделей и 3D-печать — не позволяют в достаточной степени регулировать свойства изделий. Это происходит из-за того, что процесс происходит 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.
Новая 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 разработки 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 было изучено несколько вариантов первичного связующего и выяснено, 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 были взяты коллоидные «растворы» оксидов кремния и алюминия на водной основе. Они состоят из малых размеров частиц и обладают хорошей текучестью, поэтому легко проникают в поры заготовки.
Чтобы проверить, насколько эффективна технология, были изготовлены образцы и разделены на группы — часть без дополнительной обработки, а остальные пропитали вторичным составом разными способами. Ученые 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. Отметим, 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. Благодаря новому методу можно избавится от 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 кандидат химических наук, доцент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Николай Углев.
В ходе исследования новую технологию проверили на других керамических изделиях в приборостроении. Для эксперимента были выбраны 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) делают из керамики.
«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 аспирант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Вячеслав Пунькаев.
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. Чувствительность выросла более чем в три раза. Причем такой результат достигнут без усложнения электронной схемы, а только за счет изменения конструкции керамического элемента (пеллистора), подчеркнули специалисты.
«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», — подытожил Николай Углев.
Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
