ZB 11 Materiały lotnicze o zaawansowanej strukturze (monokryształ, kierunkowa krystalizacja)

ZB 11

Materiały lotnicze o zaawansowanej strukturzeMateriały lotnicze o zaawansowanej strukturze(monokryształ, kierunkowa krystalizacja)(monokryształ, kierunkowa krystalizacja)

Partnerzy:

Politechnika Śląska – prof. Jan Cwajna

Politechnika Warszawska – prof. Krzysztof J. Kurzydłowski

Politechnika Rzeszowska – dr hab. inż. Krzysztof Kubiak

UNIA EUROPEJSKAEUROPEJSKI FUNDUSZ

ROZWPJU REGIONALNEGO

INNOWACYJNA GOSPODARKANARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI

PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO

„Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego

Wytworzenie rdzeni ceramicznych przeznaczonych do rdzeniowanych monokrystalicznych odlewów ze stopów niklu. Analiza wpływu składu surowcowego oraz udziału masowego plastyfikatorów na właściwości fizyczne i mechaniczne wytworzonych rdzeni. Badania wytworzonych rdzeni ceramicznych.

Materiały na rdzenie:

-topiona krzemionka SiO2 – średnia średnica ziarna – 120 µm (120 mesh),

-krzemian cyrkonu – ZrSiO4 – średnia średnica ziarna – 48 µm (300 mesh),

- tlenek aluminium Al2O3 – średnia średnica ziarna – 44µm (325 mesh),

- szkło kwarcowe – skład chemiczny: SiO2 – 99,9%

- szkło boro-krzemianowe: SiO2 – 71,8%, B2O3 – 10,5%, Al2O3 – 6%, BaO – 2,8%, CaO – 0,8%, MgO – 0,2%, Na2O – 6,7%, K2O – 1,1%, Fe2O3 – 0,03%, TiO2 - śladowe






- wosk naturalny - Blayson - B0210, - wosk naturalny - Blayson - B0220, - parafina R56 - gęstość – 0,96 g/cm3, - wosk pszczeli - gęstość – 0,90 g/cm3, - wosk termoplastyczny - DEUREX MA7080 (mikronizowany), - wosk termoplastyczny - DEUREX MA7150 (mikronizowany), - wosk termoplastyczny - DEUREX A73 (granulowany).






Skład materiału „1-s” na rdzenie ceramiczneSzkło kwarcowe - Szkło borowe - łącznie 84,5% mas.Parafina R56 - 15,3% mas.Wosk pszczeli - 0,2% mas.

Skład materiału „1” na rdzenie ceramiczneSiO2 (120 mesh),

SiO2 (mielony) - łącznie 75,73% mas.

ZrSiO4 (300 mesh)

Al2O3 (325 mesh)

Parafina R56 – 24,12% mas.

Wosk pszczeli – 0,15% mas.






Skład materiału „2” na rdzenie ceramiczne SiO2 (120 mesh) SiO2 (mielony) ZrSiO4 (300 mesh)- łącznie 80,84% mas.Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 19,43% mas.Wosk pszczeli – 0,13% mas

Skład materiału „3” na rdzenie ceramiczne SiO2 (120 mesh) SiO2 (mielony) ZrSiO4 (300 mesh)- łącznie 82,34%Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 17,55% mas.Wosk pszczeli – 0,11% mas






Skład materiału „4” na rdzenie ceramiczneSiO2 (120 mesh) SiO2 (mielony) – łącznie 83,26 % mas.ZrSiO4 (300 mesh) Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 0,637 kg 16,57% mas.Wosk pszczeli – 0,004 kg 0,15% mas.

Wytwarzanie rdzeni ceramicznych:-mielenie szkła kwarcowego i borowego- uzyskano uziarnienie, w którym pozostałość na sicie o boku oczka 0,063 mm nie przekraczała 16% masowych,-wsypanie odważonej parafiny i wosku do konwektora ,-podgrzewanie do temperatury topnienia,- wsypanie szkła boro-krzemianowego i mieszanie w temperaturze termoplastyfikatorów wraz ze szkłem do ujednorodnienia,- wtryskiwanie masy do formy (uzyskano 30 rdzeni),- spiekanie w temperaturze 1060°C.











Rdzeń w stanie surowym Rdzeń w skrzyni do spiekania

Właściwości rdzeni z materiału „1s”:Nasiąkliwość wodą [%] - 22,20 (14 - 16)Gęstość pozorna [g/cm3] - 1,54 (1,8 – 1,9)Porowatość otwarta [%] - 31,14 (27 – 29)Wytrzymałość na zginanie [MPa] – 6,93






Linie pierwiastkowe

Udział masowy % Udział atomowy %

O K 53.11 66.33 Na K 1.40 1.22 Al K 3.19 2.36 Si K 42.30 30.09Total 100.00 100.00

Rdzeń „1s”






Z materiału o składzie chemicznym „1”, „2” i „3” wykonano po ok. 40 rdzeni ceramicznych. Wypalano je w temperaturze 1060-1300°C.Debinding prowadzono w piecu (zakupionym w ramach zadania).Wykonano obserwacje metodą SEM oraz analizy składu chemicznego.

Skład

Nasiąkliwość

wodą

[%]

Gęstość

pozorna

[g/cm3]

Porowatość

otwarta

[%]

Wytrzymałość

na zginanie

[MPa]

Skurcz

spiekania

[%]

I 23,41 1,52 35,70 6,54 2,30

II 20,07 1,60 32,05 8,52 1,63

III 19,85 1,61 32,02 5,73 0,67






Wnioski1.Dobrano wstępne składy surowców ceramicznych.

2. Przebadano i dobrano odpowiedni skład parafiny i wosku jako spoiwa organicznego.

3. Opracowano proces odprowadzania spoiwa (debindowania) oraz wypalania rdzeni ceramicznych wykonanych metodą wtrysku niskociśnieniowego.

4.Uzyskano rdzenie o mikronowych rozmiarach porów oraz jednorodnej mikrostrukturze, małym skurczu spiekania (1,64% w 1350°C dla składu nr IV) oraz bez deformacji oraz uszkodzeń.

5. Wytworzono rdzenie ceramiczne metodą wtrysku niskociśnieniowego.

6. Wytworzone próbki metodą prasowania termoplastycznego z wykorzystaniem wosków firmy Blayson posiadają dobre właściwości fizyczne, małe deformacje po prasowaniu oraz nie posiadają wad powierzchniowych.






Plan dalszych badań1.Zaprojektowanie i wykonanie formy do wtrysku niskociśnieniowego na rdzenie ceramiczne o kształcie zapewniającym stabilne mocowanie w formie ceramicznej (belka poprzeczna o podstawie kwadratu).2. Zastosowanie do wytwarzania rdzeni metodą wtrysku niskociśnieniowego składu o zwiększonym udziale masowym składników ogniotrwałych tj. tlenku glinu oraz krzemianu cyrkonu.3. Zaprojektowanie i wykonanie formy do wtrysku wysokociśnieniowego na rdzenie ceramiczne o kształcie pozwalającym na zbadanie struktury stopu w zależności od odległości od krawędzi oraz płaszczyzny rdzenia.4. Zastosowanie do wykonywania rdzeni nowego rodzaju wosków termoplastycznych.






Opracowanie metodyki wytwarzania rdzeniowanych elementów i modeli woskowych. Wykonanie rdzeniowanych modeli woskowychWykonanie modelu wzorcowego

Model 3D-CAD rdzenia Model 3D-CAD wzorca do wykonania formy silikonowej






Sposób umieszczenia rdzenia w modelu woskowym

Modele wzorcowe wykonane metodą SLA






Wykonanie form i matryc silikonowych

Modele wzorcowe w pojemnikach

Rozcięta forma z usuniętym modelem wzorcowym






Forma silikonowa z rdzeniem ceramicznym






Zalewanie formy ciekłym woskiem






Modele woskowe z rdzeniem ceramicznym

Rdzeniowany woskowy zestaw modelowy






Wykonanie form ceramicznych

Materiały: tlenek aluminium, mulit, spoiwo - Ludox AM-30. Nałożono 12 warstw: 1-sza i 2-ga - tlenek aluminium #80, pozostałe 10 warstw wykonano z mulitu.

Suszenie - 48 h w temperaturze 22oC i wilgotności 43%. Usunięcie wosku w autoklawie pod ciśnieniem 6 bar i temperaturze około 170oC. Wyżarzanie w temperaturze 760oC przez 2 h.






Wykonanie rdzeniowanych odlewów monokrystalicznych

Zalanie formy ciekłym stopem CSMX-4. Operację wykonano w piecu ALD w próżni 10-4 Tr w temperaturze 1520°C. Formy wyciągano z obszaru grzejnego pieca z prędkością 3mm/min. Wystudzoną formę poddano operacji usunięcia masy ceramicznej i czyszczenia odlewu.






Plany na III i IV kwartał 2010

1.Usunięcie rdzeni z odlewów – trawienie.2.Ocena geometrii, mikrostruktury, orientacji odlewów.3.Projekt form metalowych do wtryskiwania wosku z rdzeniami.






Dziękuję za uwagę

ZB 11 Materiały lotnicze o zaawansowanej strukturze (monokryształ, kierunkowa krystalizacja)

Documents

Transcript of ZB 11 Materiały lotnicze o zaawansowanej strukturze (monokryształ, kierunkowa krystalizacja)