Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

д.т.н. Кулаков Б.А., д.т.н. Дубровин В.К.,

к.т.н. Карпинский А.В., асп. Чесноков А.А.

Южно-Уральский государственный университет (Россия, г. Челябинск)

Оксиды алюминия и иттрия, как огнеупорные материалы для получения отливок из интерметаллидных титановых сплавов

В настоящее время перспективным материалом для производства литых деталей авиационно-космической техники являются интерметаллидные титан-алюминиевые сплавы. Они обладают комплексом уникальных свойств – низкой плотностью, высоким сопротивлением окислению, ползучести, высокой удельной прочностью и модулем упругости, сохраняющимся до температур порядка 850 °С.

Однако, получение литых деталей сопряжено с определенными технологическими трудностями, в частности, в расплавленном состоянии титан является химически весьма активным элементом и его сплавы активно взаимодействуют с большинством огнеупорных материалов форм и тиглей.

При изготовлении форм для литья титановых сплавов в качестве огнеупорного наполнителя форм и тиглей давно и успешно используется оксид алюминия – Al₂O₃ (электрокорунд). В последнее время европейские производители огнеупоров предлагают к использованию в качестве огнеупорной составляющей тиглей и форм оксид иттрия – Y₂O₃.

На кафедре металлургии и литейного производства ЮУрГУ были проведены исследования с целью выявления преимуществ и недостатков этих огнеупорных материалов.

Дать сравнительную оценку стойкости огнеупорных оксидов можно по давлению паров и скорости их испарения в вакууме, а устойчивости к взаимодействию с компонентами сплава по изменению энергии Гиббса реакций взаимодействия.

Результаты расчета давлений паров над оксидами алюминия и иттрия и максимальных потоков их испарения в зависимости от температуры и приведены в табл. 1.

Таблица 1

Давление паров и скорости испарения оксидов

Обозначение показателей	Единицы измерения	Значения показателей при температурах формы, °С
		1400	1500	1600	1700	1800
	10^–5 Па	0,104	1,27	11,8	90,1	538,9
при Рвн
1 атм	10^–^11 кг/м^2·с	0,0006	0,0062	0,066	0,114	1,525
1,3 Па	10^–^11 кг/м^2·с	0,51	5,28	56,3	323,1	7328,4
0,1 Па	10^–^11 кг/м^2·с	3,37	35,14	375,1	2148,8	48710,9
	10^–6 Па	0,0783	1,26	15,06	140,37	1033,3
при Рвн
1 атм	10^–^18 кг/м^2·с	0,00046	0,032	1,38	415,7	12386,0
1,3 Па	10^–^18 кг/м^2·с	0,058	3,977	174,18	52438	59549,4
0,1 Па	10^–^18 кг/м^2·с	0,109	7,478	327,51	98600	3958140

Полученные данные свидетельствуют о том, что оба рассмотренных оксида достаточно устойчивы к испарению и термической диссоциации в вакууме в условиях плавки и литья титановых сплавов, так как даже при максимальных температурах тигля 1800 °С давление их паров на два-три порядка ниже возможного остаточного давления в плавильно-заливочных установках (0,13...1,3 Па).

Для оценки возможности взаимодействия при плавке компонентов интерметаллидного титан-алюминиевого сплава с огнеупорными оксидами были рассмотрены вероятные реакции и рассчитаны изменение изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса):

Ti +Al2O3 → TiO + 2AlO, 1/2Ti +Al2O3 → 1/2TiO2 + 2AlO, Ti +Al2O3 → TiO2 + Al2O, Ti +Al2O3 → 2TiO + Al2O, Al +Al2O3 → 3Al2O, Nb +Al2O3 → 2NbO + Al2O, Ti +Y2O3 → TiO + 2Y + O2, 2Аl +Y2O3 → Al2O + 2Y + O2,

ΔG = 1129599-215,67·T; ΔG = 1171039,5-208,39·T; ΔG = 577553-198,79·T; ΔG = 1574188-528,55·T; ΔG = 1175446-473,35·T; ΔG = 712954-212,35·T; ΔG = 1948500-369·T; ΔG = 1749179-341,1·T.

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

Расчетные значения ΔG по представленным реакциям представлены в таблице 2.

Таблица 2

Энергия Гиббса реакций взаимодействия компонентов сплава с оксидами,

ΔG, кДж/моль

Номер реакции	Т, °С
	1500	1600	1700	1800
9	747,2	725,6	704,1	682,5
10	801,6	780,7	759,9	739,1
11	225,1	205,2	185,3	165,5
12	637,1	584,2	531,4	478,5
13	336,2	288,9	241,5	194,2
14	336,4	312,2	294,0	272,7
15	1294,3	1257,4	1220,4	1183,5
16	1144,4	1110,3	1076,2	1042,1

Таким образом, термодинамический анализ показал, что оксиды алюминия и иттрия являются устойчивыми к взаимодействию с компонентами интерметаллидного титан-алюминиевого сплава, так как энергия Гиббса возможных реакций имеет положительные значения порядка нескольких сотен кДж. Однако при изготовления тиглей и, особенно, форм важную роль играют и технологические характеристики огнеупорного дисперсного материала – размер основной фракции, однородность частиц материала и т.д.

Были изучены свойства спеченного порошкообразного оксида иттрия фракций 325 mesh и 125-250 mesh промышленно выпускаемого и предлагаемого фирмами-производителями для изготовления форм и тиглей.

Исследование порошка оксида иттрия зернистостью 325 mesh (рис. 1а) показало, что в нем наблюдается значительный разброс по фракционному составу с большой долей пылевидной составляющей, снижающей технологичность суспензии и требующей значительного количества в суспензии дисперсионной среды (связующего). Исследование порошка оксида иттрия зернистостью 125-250 mesh (рис. 1б) показало, что данный материал обладает крупной зернистостью для материала суспензии, что способно привести к низкому качеству поверхности. Вместе с тем, данный материал имеет недостаточный размер зерна, чтобы использовать его в качестве обсыпки.

На рис. 4а и 4б для сравнения представлены, соответственно, микропорошки электрокорунда зернистостью М5 и М40, успешно используемые для изготовления форм.

а) б)

Рис. 2. Порошок оксида иттрия зернистостью 325 mesh (а) и 125-250 mesh (б)

а) б)

Рис. 4. Микропорошок электрокорунда М5 (а) и М40 (б)

Таким образом, проведенные исследования показали, что, и оксид алюминия, и оксид иттрия, как огнеупорные материалы для литья интерметаллидных титановых сплавов, обладают комплексом необходимых свойств. В то же время, с учетом низкого качества фракционного состава и высокой стоимости, порошки оксида иттрия в настоящее время уступают электрокорунду, как наполнители при изготовлении форм и тиглей.