Проблеми вибору матеріалів керамічних форм для одержання фасонних виливків із титанових сплавів
Processy litʹâ, 2021, Tom 146, №4, p.55-65
DOI:
https://doi.org/10.15407/plit2021.04.055Ключові слова:
титанове литво, лиття в одноразові керамічні форми, взаємодія розплаву та формиАнотація
Надійшла 09.11.2021
УДК 621.74.045
Виробництво точного дрібносерійного або одиничного титанового литва є економічно і технологічно доцільним за умови використання одноразових керамічних ливарних форм. Надзвичайно важливим є вибір матеріалу внутрішнього контактного шару форми та забезпечення заданих технологічних характеристик – шорсткості, міцності, тощо. В ході аналізу, представленого в статті показано, що серед керамічних вогнетривів найкращу інертність до дії титанових сплавів демонструють оксид ітрію, цирконати кальцію та барію. Але через низькі технологічні властивості такі покриття не набули широкого застосування. Показано, що сполучні речовини також значною мірою впливають на інертність керамічних форм. Зменшення взаємодії титану з керамічними формами, які містять кремнезем у якості сполучної речовини, може бути досягнуто за рахунок введення мінімальної кількості SiO2. З екологічної точки зору замість етилсилікатів краще застосувати водні розчини кремнезолів. Перспективними сполучними матеріалами є також алюмозолі та золі цирконію. Визначено, що підвищення інертності корундових форм може бути досягнуто шляхом їх модифікування добавками дрібнодисперсного порошку титану, який при спіканні утворює захисний шар на поверхні форм, що зменшує взаємодію рідкого металу з керамічною формою. Відзначається, що механізм утворення реакційного (альфованого) шару на поверхні титанових виливків до цього часу точно не визначений. Міжфазні реакції між титаном та керамічною формою не можна передбачити лише термодинамічним розрахунком, а потрібно враховувати коефіцієнти змочування матеріалів, хімічний склад сплаву, кінетику процесів розчинення та випаровування вогнетривких оксидів.
Посилання
Бибиков Е. Л., Глазунов С. Г., Неуструев А. А. и др. Титановые сплавы. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. М.: Металлургия, 1983. 255 с. [Bibikov E. L., Glazunov S. G., Neustruev A. A. et al. (1983). Titanium alloys. Production of shaped castings from titanium alloys. M.: Metallurgy. 255 p.].
Производство отливок из сплавов цветных металлов: учебник / А. В. Курдюмов, В. Д. Белов, М. В. Пикунов и др.: под общ. ред. В. Д. Белова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Издат. Дом МИСиС. 2011. 615 с. [Kurdyumov A. V., Belov V. D., Pikunov M. V. et al. (2011). Production of castings from alloys of non-ferrous metals: a textbook / Edited by V. D. Belov. 3-d ed. M.: Published. MISiS House. 615 p.
Колотило Д. М., Челядинов Л. М. Углеродные литейные формы. Киев : Наукова думка. 1971. 158 с. [Kolotilo D. M., Chelyadinov L. M. (1971). Carbon molds. Kiev: Scientific opinion. 158 p.]
Kim, M. G., Kim, S. K., & Kim, Y. J. (2002). Effect of mold material and binder on metal-mold interfacial reaction for investment castings of titanium alloys. Materials Transactions, 43(4), 745-750. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans.43.745
Guilin, Y., Nan, L., Yousheng, L., & Yining, W. (2007).The effects of different types of investments on the alpha-case layer of titanium castings. The Journal of prosthetic dentistry, 97(3), 157-164.DOI: https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2007.01.005
Yu, G. L., Li, N., Li, Y. S., & Wang, Y. N. (2010). Study on surface reaction layer of titanium cast with Al2O3-based investment materials. In Advanced Materials Research (Vol. 97, pp. 1029-1032). DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.97-101.102
Cui, Y., Tang, X., Gao, M., Ma, L., & Hu, Z. (2013). Interactions between TiAl alloy and different oxide moulds under high-temperature and long-time. High Temperature Materials and Processes, 32(3), 295-302.DOI: 10.1515/htmp-2012-0120
Cheng, X., Yuan, C., Green, N. R., &Withey, P. A. (2014).The study of the oxidation of a Ti–45Al–2Nb–2Mn–0.2B alloy in the investment casting using an yttria face coat mould Oxidation of metals, 81(1), 287-298. DOI: 10.1007/s11085-013-9460-5
Neto, R. L., Duarte, T. P., Alves, J. L., & Barrigana, T. G. (2017). The influence of face coat material on reactivity and fluidity of the Ti6Al4V and TiAl alloys during investment casting. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 231(1-2), 38-48. DOI: https://doi.org/10.1177/1464420716681824
Barbosa, J., Puga, H., Ribeiro, C. S., Teodoro, O. M. N. D., &Monteiro, A. C. (2006). Characterisation of metal/mould interface on investment casting of γ-TiAl. International Journal of Cast Metals Research, 19(6), 331-338. DOI: https://doi.org/10.1179/136404606X163497
Cheng, X., Yuan, C., Blackburn, S., & Withey, P. A. (2014). Influence of Al2O3 concentration in yttria based face coats for investment casting Ti–45Al–2Mn–2Nb–0· 2TiB alloy. Materials Science and Technology, 30 (14), 1758-1764. DOI: https://doi.org/10.1179/174328471 3Y.0000000467
Cheng, X., Yuan, C., Blackburn, S. et al. A Comparison of the Chemical Inertness of Two Y2O3- Al2O3-ZrO2 and Y2O3-Al2O3 Face Coat Materials Through Sessile Drop and Investment Casting Methods. Metall Mater Trans A 45, 3116–3124 (2014). DOI: https://doi.org/10.1007/ s11661-014-2261-x
Chang, Y. W., & Lin, C. C. (2010). Compositional dependence of phase formation mechanisms at the interface between titanium and calcia‐stabilized zirconia at 1550° C. Journal of the American Ceramic Society, 93(11), 3893-3901. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2010.03946.x
Lin, K. F., & Lin, C. C. (1999). Interfacial reactions between Ti-6Al-4V alloy and zirconia mold during casting. Journal of materials science, 34(23), 5899-5906. DOI: https://doi. org/10.1023/A:1004791125373
6. Jia, Q., Cui, Y. Y., & Yang, R. (2004). Intensified interfacial reactions between gamma titanium aluminide and CaO stabilised ZrO2. International Journal of Cast Metals Research, 17(1), 23-28. DOI: 10.1179/136404604225014800
Sun, S. C., Zhao, E. T., Hu, C., Yu, J. R., An, Y. K., & Guan, R. G. (2020). Characteristics of interfacial reactions between Ti-6Al-4V alloy and ZrO2 ceramic mold. China Foundry, 17(6), 409-415. DOI: https://doi.org/10.1007/s41230-020-0106-3
Chamorro, X., Herrero-Dorca, N., Rodríguez, P. P., Andrés, U., &Azpilgain, Z. (2017).α-Case formation in Ti-6Al-4V investment casting using ZrSiO4 and Al2O3 moulds. Journal of Materials Processing Technology, 243, 75-81. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.12.007
Aihui, L., Bangsheng, L., Hai, N., Yanwei, S., Jingjie, G., &Hengzhi, F. (2008). Study of interfacial reaction between TiAl alloys and four ceramic molds. Rare metal materials and engineering, 37(6), 956-959.DOI: 10.1016/S1875-5372(09)60028-X
Kim M.G., Sung S.Y., Kim Y. J. Microstructure, metal-mold reaction and fluidity of investment cast-TiAl alloys. Materials transactions. 2004. Vol. 45, № 2. Р. 536-541. DOI: https://doi. org/10.2320/matertrans.45.536
Klotz, U.E., Legner, C., Bulling, F., Freitag, L., Faßauer, C., Schafföner, S., & Aneziris, C.G. (2019). Investment casting of titanium alloys with calcium zirconate moulds and crucibles. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 103(1), 343-353. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-019-03538-z
Yuan, C., Cheng, X., & Withey, P. A. (2015). Investigation into the use of CaZrO3 as a facecoat material in the investment casting of TiAl alloys. Materials Chemistry and Physics, 155, 205- 210. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.02.026
Schafföner, S., Bach, M., Jahn, C., Freitag, L., &Aneziris, C. G. (2019). Advanced refractories for titanium metallurgy based on calcium zirconate with improved thermomechanical properties. Journal of the European Ceramic Society, 39(14), 4394-4403. DOI: 10.1016/j. jeurceramsoc.2019.06.007
Lan, B., Chen, G., Xiao, Y., Feng, Q., Lu, X., & Li, C. (2020). Phase and microstructural evolution of BaZrO3‐CaZrO3 refractory and its interaction with titanium alloy melt. International Journal of Applied Ceramic Technology, 17(5), 2193-2201. DOI: https://doi.org/10.1111/ijac.13541
Li, C., Li, M., Zhang, H., Ali, W., Qin, Z., Wang, H., & Lu, X. (2017). Fabrication of Y2O3 doped BaZrO3 coating on Al2O3 applied to solidification of titanium alloy. Surface and Coatings Technology, 320, 146-152. DOI:10.1016/j.surfcoat.2017.01.079
Frueh, C., Poirier, D.R. & Maguire, M.C. The effect of silica-containing binders on the titanium/ face coat reaction. Metall Mater Trans B28, 919–926 (1997). DOI: https://doi.org/10.1007/ s11663-997-0019-1
Wei, Y.M., Hu, K.H., Lu, Z. G. (2018). Effect of SiO2 concentration in silica sol on interface reaction during titanium alloy investment casting. China Foundry. 15(1):23. DOI: https:// doi.org/10.1007/s41230-018-7066-x
Wei, Y. M., Lu, Z. G., Wu, G. P., & Long, X. Q. (2016). Reaction between Ti–6Al–4V and Y2O3– SiO2 based faceshell for investment casting. Rare Metals, 35(12), 901-908. DOI: https:// doi.org/10.1007/s12598-016-0803-7
Farsani, M. A., &Gholamipour, R. (2020).Silica-Free Zirconia-Based Primary Slurry for Tita- nium Investment Casting. International Journal of Metalcasting, 14(1), 92-97. DOI: 10.1007/ s40962-019-00335-y
Ertuan, Z., Fantao, K., Yanfei, C., Ruirun, C., & Yuyong, C. (2012). Characterization of zir- conia-based slurries with different binders for titanium investment casting. China Foundry 9(2):125-130
Cheng, X., Yuan, C., Blackburn, S., Withey, P. (2014).The study of the influence of binder systems in an Y2O3–ZrO2 facecoat material on the investment casting slurries and shells properties. Journal of The European Ceramic Society. 34. 3061-3068. DOI: https://doi. org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.03.005
Yuan, C., Cheng, X., Holt, G. S., Shevchenko, D., & Withey, P. A. (2015). Investment casting of Ti–46Al–8Nb–1B alloy using moulds with CaO-stabilized zirconia face coat at various mould pre-heat temperatures. Ceramics International, 41(3), 4129-4139.
Varfolomeev, M. S., Moiseev, V. S., & Shcherbakova, G. I. (2018). Perspective ceramic composite materials based on aluminum-yttrium binder composition. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1121, No. 1, p. 012032.
Jia, Y., Xiao, S. L., Wang, X. P., Tian, J., Chen, Y. Y., Xu, L. J., ... & Cao, S. Z. (2015). Interactions between TiAl alloy and AZC/AMT binder systems in investment casting. China Foundry. 12 (6), 391-397. DOI: 1672-6421(2015)06-391-07
Guo, X., Wei, Y. M., & Lu, Z. G. (2017). Reaction of titanium investment castings made by Zr(CH3COO)2-Y2O 3 shell. Rare Metals, 36(6), 465-471. DOI: https://doi.org/10.1007/ s12598-017-0920-y
Freitag, L., Schafföner, S., Lippert, N., Faßauer, C., Aneziris, C.G., Legner, C., & Klotz, U.E. (2017). Silica-free investment casting molds based on calcium zirconate. Ceramics International, 43(9), 6807-6814. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.02.098
Лашнева В. В., Максюта И. И., Квасницкая Ю. Г., Михнян Е. В., Нейма А. В. Комплексное модифицирование керамики на основе оксида алюминия для повышения качества литых изделий медицинского назначения. Современные проблемы физического материаловедения. 2015. Вып. 24. С. 58–63. [Lashneva V. V., Maksiuta I. I., Kvasnytska Yu. G., Mykhnian E. V., Neima A. V. (2015). Coplex modification of ceramics based on aluminum oxide to improve the quality of cast medical products. Modern problems of physical materials science. Iss. 24, p. 58-63.]
Choi, B. J., Lee, S., & Kim, Y. J. (2011). Alpha-case Interfacial Reaction Behavior of Al2O3 Mold Containing Interstitial and Substitutional Compounds for Titanium Investment Casting. Korean Journal of Metals and Materials, 49(7), 577-582. DOI: 10.3365/KJMM.2011.49.7.577
Choi, BJ., Kim, YJ. (2013). Effect of reacted compounds in Al2O3+Ti investment mold on alpha-case formation for Ti casting. Met. Mater. Int., 19, 439–444. DOI: https://doi. org/10.1007/s12540-013-3009-7
Lee, S., Jeon, J.E., & Kim, Y. J. (2016). Interfacial Reaction between Liquid Titanium and Oxide Mold Contained Alpha-case Formation Phase during Investment Casting. In Proceedings of the 13th World Conference on Titanium. p. 387. DOI: 10.1002/9781119296126.ch60
Choi, B. J., Lee, S., & Kim, Y. J. (2013). Influence of TiO2 on alpha case reaction of Al2O3 mould in Ti investment casting. Materials Science and T
Lee, S., & Kim, Y. J. (2017). Evaluation of the α-Case with TiO2 in Mold for Titanium Investment Casting. International Journal of Metalcasting, 11(1), 71-76. DOI: https://doi.org/10.1007/ s40962-016-0093-8
Sung, S. Y., Han, B. S., & Kim, Y. J. (2012). Formation of alpha case mechanism on titanium investment cast parts. Titanium Alloys-Towards Achieving Enhanced Properties for Diver- sified Applications. 29-42. DOI: https://doi.org/10.5772/35496
Choi, B. J., Lee, S., & Kim, Y. J. (2014). Alpha-case reduction mechanism of titanium powder-added investment molds for titanium casting. Journal of materials engineering and performance, 23(4), 1415-1423. DOI: 10.1007/s11665-013-0859-6
Cheng, X., Chai, L., Wu, G., Wang, H., & Nan, H. (2016). Evaluation of Interfacial Interactions Between Ti-6Al-4V and Mold Use Ti-Added Backup Coat in Investment Casting. Metallurgical and Materials Transactions A, 47(5), 2313-2318. DOI: https://doi.org/10.1007/s11661- 016-3393-y
Saha, R. L., & Jacob, K. T. (1986). Casting of Titanium and its Alloys. Defence Science Journal, 36(2), 121-141.
Sung, S. Y., & Kim, Y. J. (2005). Alpha-case formation mechanism on titanium investment castings. Materials Science and Engineering: A, 405(1-2), 173-177. DOI: 10.1016/j. msea.2005.05.092
Wei, Y., Lu, Z., Li, X. et al. (2019). Interface reaction during titanium alloys investment casting by residue gas in ceramic mold. Rare Met., 38, 327–335. DOI: https://doi.org/10.1007/ s12598-018-1138-3
Altindis, M., Hagemann, K., Polaczek, A.B., & Krupp, U. (2011). Investigation of the Effects of Different Types of Investments on the Alpha‐Case Layer of Ti6Al7Nb Castings. Advanced Engineering Materials, 13(4), 319-324. DOI: 10.1002/adem.201000264
Schafföner, S. (2020). Reactions of alkaline earth zirconate refractories with titanium alloys. The 14th World Conference on Titanium. MATEC Web of Conferences. Vol. 321, p. 10012. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/202032110012
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 П. Б. Калюжний, О. В. Михнян, М. М. Ворон, А. М. Тимошенко, О. В. Нейма
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
