Opracowanie sk adu tworzywa do wytwarzania rdzeni opatek turbin gazowych i turbospr arek metod wtrysku niskoci nieniowego

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 2, (2011), Opracowanie sk adu tworzywa do wytwarzania rdzeni opatek turbin gazowych i turbospr arek metod wtrysku niskoci nieniowego M. GROMADA 1, R. NOWAK 1, M. KOSTECKI 2, A. T UCZEK 1, A. OLSZYNA 2 1 Instytut Energetyki, Oddzia Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, Boguchwa a 2 Politechnika Warszawska, Wydzia In ynierii Materia owej, Wo oska 141, Warszawa gromada@cerel.pl Streszczenie Zastosowanie rdzeni ceramicznych w procesie wytwarzania opatek turbin gazowych i turbospr arek spowodowa o wzrost ich sprawno ci, gdy uzyskane dzi ki temu wewn trzne kana y opatek pozwoli y na ich ch odzenie, a przez to umo liwi y prac w spalinach o wy szej temperaturze. W pracy przedstawiono opracowan technologi wytwarzania rdzeni opatek turbin gazowych i turbospr arek, wykorzystuj c metod wtrysku niskoci nieniowego. Tworzywo na rdzenie powinno cechowa si nast puj cymi w a ciwo ciami: mo liwo- ci formowania skomplikowanych kszta tów, ma skurczliwo ci podczas formowania i spiekania, wysok odporno ci na oddzia ywanie stopu oraz niskim wspó czynnikiem rozszerzalno ci cieplnej. Ponadto musi ono spe nia cz sto bardzo przeciwstawne wymagania jak na przyk ad wysoka wytrzyma o mechaniczna umo liwiaj ca monta rdzeni w formach odlewniczych przy porowato ci rdzeni si gaj cej 30 %, pozwalaj cej na stosunkowo atwe ich roztwarzanie za pomoc wodnych roztworów zasad. Aby sprosta tym wymaganiom opracowano receptur na tworzywo oparte na aktywowanym szkle kwarcowym i dodatkach mody kuj cych oraz dobrano termoplasty katory o niskiej temperaturze topnienia i skurczliwo ci krzepni cia. W celu zoptymalizowania otrzymanej receptury zosta y przeprowadzone prace badawcze obejmuj ce okre lenie wp ywu sk adu ziarnowego proszków krzemionkowych na formowalno i mo liwo usuwania lepiszcza oraz w a ciwo ci ko cowe rdzeni, a tak e wp ywu rodzaju niskokurczliwych termoplasty katorów na lepko masy, stopie wype niania ma ych przekrojów i skurczliwo na etapie formowania. Ponadto zbadano mo liwo zastosowania kompozycji ró nych termoplasty- katorów umo liwiaj cych stopniowy ich rozk ad w procesie usuwania lepiszcza oraz okre lono wp yw zasypki zastosowanej w procesie usuwania lepiszcza na deformacje i p kanie rdzeni. Dodatkowo okre lono wp yw szybko ci przyrostu temperatury i jej ko cowej warto- ci w procesie usuwania lepiszcza na deformacje oraz p kanie rdzeni, a w procesie wypalania w a ciwego na parametry ko cowe rdzeni. Sprawdzono mo liwo roztwarzania próbek w wodnych roztworach zasad. Do oceny w a ciwo ci mas ceramicznych i przydatno ci tworzywa na rdzenie pos u y y nast puj ce parametry: sk ad ziarnowy proszku u ytego do przygotowania masy wtryskowej, lepko masy w temperaturze wtryskiwania, g sto pozorna, porowato, nasi kliwo po wypaleniu, wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej, wytrzyma o na zginanie, chropowato powierzchni oraz mikrostruktura rdzeni. Otrzymane wyniki bada wskazuj, e uzyskano tworzywo do wtrysku niskoci nieniowego o odpowiednich w a ciwo ciach w zastosowaniu na rdzenie opatek. S owa kluczowe: rdze ceramiczny, wtrysk niskoci nieniowy, turbina gazowa, turbospr arka DEVELOPMENT OF MATERIAL COMPOSITION FOR LOW PRESSURE INJECTION MOULDING OF BLADE CORES OF GAS TURBINES AND TURBOCOMPRESSORS Application of ceramic cores in the manufacture process of blades caused an increase in ef ciency of gas turbines and turbo compressors because internal channels obtained in such a way allowed the blades to be cooled, and as a result to work at a higher temperature of combustion gases. In this paper, a manufacture technology of the cores for the gas turbine and turbo compressor blades by low pressure injection moulding is presented. Material for the cores should be characterised by the following properties: possibility to form the complicated shapes, small shrinkage during the forming and sintering processes, high resistance to the alloy impact and low coef cient of thermal expansion. Moreover, it often must satisfy very opposing requirements as for example high mechanical strength which enables to assemble the cores in casting moulds and simultaneously core porosity up to 30 % needed for easy leaching the cores with a base in water solution. In order to satisfy these requirements, a recipe for the material was worked out which based on activated silica glass and modifying additives, and thermoplasticizers of low both melting temperature and solidi cation shrinkage were selected. In order to optimize the recipe, research and development works were carried out, including the determination of in uence of the particle size distribution of silica powders on their formability, binder removal and nal properties of the cores. The in uence of low shrinkage thermoplasticizers on mass viscosity, state of lling small sections and shrinkage during forming was also studied. Moreover, the application of compositions of different thermoplasticizers enabling their gradual removal during the debinding process was investigated, and the in uence of a mould powder used for the debinding process on deformation and fracture of the cores was determined. Additionally, effects of heating rate and nal temperature on deformation and fracture of the cores were studied during the debinding process, and characterised during the sintering process with respect to nal properties of the cores. Finally, the possibility of leaching the samples with a basic aqueous solution was checked. For an assessment of the ceramic material properties and the usability of core masses for the injection, the following parameters were determined: particle size distribution of the powder used for the feedstock preparation, material viscosity at the injection temperature, density, porosity and water absorbability after sintering, coef cient of thermal expansion, bending strength, surface roughness and core microstructure. The obtained results point out getting the low pressure injection moulding material of the appropriate properties applicable for the blade cores. Keywords: Ceramic core, Low pressure injection moulding, gas turbine, turbo compressor 337

2 M. GROMADA, R. NOWAK, M. KOSTECKI, A. T UCZEK, A. OLSZYNA 1. Wprowadzenie Tworzywo na rdzenie ceramiczne opatek turbin gazowych i turbospr arek powinno charakteryzowa si nast puj cymi w a ciwo ciami: mo liwo ci formowania skomplikowanych kszta tów, ma skurczliwo ci podczas formowania i spiekania, wysok odporno ci na oddzia ywanie stopu oraz niskim wspó czynnikiem rozszerzalno ci cieplnej. Musi te spe nia cz sto bardzo przeciwstawne wymagania obejmuj ce na przyk ad wysok wytrzyma o mechaniczna umo liwiaj c monta rdzeni w formach odlewniczych przy porowato ci rdzeni si gaj cej 30 %, pozwalaj cej na stosunkowo atwe ich roztwarzanie za pomoc wodnych roztworów zasad. Aby sprosta powy szym wymaganiom rdzenie ceramiczne do odwzorowywania wewn trznych kana ów opatek turbin gazowych i turbospr arek musz by wytwarzane ze specjalnie opracowanego tworzywa metod pozwalaj c na uformowanie ich skomplikowanych kszta tów. W dost pnej literaturze dotycz cej tego zagadnienia mo na znale interesuj ce rozwi zania, ale cz sto ze wzgl du na wysoki stopie ich skomplikowania, technologie te nie mog zosta wdro one do masowej produkcji. Dla przyk adu w pracy [1] przygotowano zawiesin ceramiczn z o on z korundu, glinu i roztworu spoiwa polimeryzuj cego, któr wt oczono pod niskim ci nieniem do zamkni tej matrycy w celu uformowania elowej wypraski. Ogrzewanie wypraski w atmosferze tlenowej spowodowa o, e zawarty w niej glin wszed w reakcj z tlenem, a powsta y w wyniku tego tlenek glinu zwi kszy obj to wypraski, co przeciwdzia a o efektowi skurczliwo ci. Z kolei spoiwo polimeryzuj ce zwi za o si z tlenkiem glinu i po ogrzaniu wodnego sk adnika tego spoiwa wyparowa o, a pozosta e sk adniki polimeru wytworzy y gaz zostawiaj c pory w wyprasce. Pozwoli o to na przenikanie tlenu przez wyprask, co umo liwi o utlenianie glinu. Natomiast wypalenie wypraski spowodowa o otrzymanie dok adnego rdzenia ceramicznego odpowiedniego do precyzyjnego odlewania nadstopów. Równie skomplikowana metoda wytwarzania rdzeni ceramicznych zosta a przedstawiona w pracy [2], w której autorzy rozwin li metod rapid prototyping cz c stereolitogra z odlewaniem elowym (gel casting). Przy czym za pomoc metody stereolitogra i zosta a wytworzona forma z ywicy, a metoda odlewania elowego pos u y a do uformowania rdzeni ceramicznych poprzez polimeryzacj wodnych zawiesin ceramicznych. Metoda ta dodatkowo wymaga zastosowania suszenia sublimacyjnego kszta tki rdzenia w formie ywicznej, a skurcz wypalania rdzeni ceramicznych musi by kontrolowany dodatkiem proszku tlenku magnezu i wprowadzeniem z o onego procesu wypalania. W przypadku wykonywania pojedynczych rdzeni o mniej skomplikowanych kszta tach wykorzystuje si stosunkowo prost metod prasowania. W publikacji [3] wykorzystano t metod do formowania rdzeni nanokompozytowych opartych na korundzie z dodatkiem roztworu koloidalnego krzemionki. Mody kacja sk adu tworzywa na rdzenie w oparciu o topion krzemionk, krystobalit i m czk cyrkonow zosta a przedstawiona w pracy [4]. Zastosowanie topionej krzemionki umo liwi o atwe roztworzenie rdzeni, a zapewnienie stabilno ci termicznej w temperaturze zalewania stopem nast pi o w wyniku zast pienia cz ci krzemionki jej faz krystaliczn, czyli krystobalitem. Tak e w publikacji [5] zosta o opracowane tworzywo na rdzenie oparte na topionej krzemionce, które formowano metod wtrysku wysokoci nieniowego. Metoda ta pozwala formowa wyroby o z o onych kszta tach, ale ze wzgl du na wysoki koszt matrycy i skomplikowany proces wytwarzania obejmuj cy etap przygotowania tworzywa, wtrysku wysokoci nieniowego, odprowadzania lepiszcza i wypalania ko cowego jest op acalna tylko przy masowej produkcji rdzeni. Z tego wzgl du w niniejszej publikacji do wytwarzania rdzeni opatek turbin o mniejszych wymaganiach kszta towo-wymiarowych zaproponowano ta sz technologi wtrysku niskoci nieniowego i jako cel przyj to opracowanie receptury na tworzywo oparte na aktywowanym szkle kwarcowym i dodatkach mody kuj cych oraz dobranie termoplasty katorów o niskiej temperaturze topnienia i skurczliwo ci krzepni cia. 2. Badania do wiadczalne Proces opracowywania sk adu tworzywa na rdzenie obejmowa zaprojektowanie i wytworzenie zestawu pi ciu mas, w których zastosowano surowce w postaci szk a kwarcowego, borowego, gliny Hyplast i Dru kowskiej, dolomitu, w glanu baru, m czki kwarcowej, krzemianu cyrkonu i tlenku glinu. Dobrano tak e termoplasty katory o niskiej temperaturze topnienia i stosunkowo ma ej skurczliwo ci krzepni cia w postaci para ny i wosku pszczelego. Tworzywa do wtrysku przygotowywano w podgrzewanym mieszadle, a próbne rdzenie i belki do bada formowano wykorzystuj c wtryskark niskoci nieniow CU-300. Odprowadzanie lepiszcza i wypalanie uzyskanych próbek odbywa o si w zasypce tlenku glinu. Nast pnie okre lono podstawowe w a ciwo ci tworzyw, czyli g sto, nasi kliwo i porowato po wypaleniu, wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej, wytrzyma o na zginanie, chropowato powierzchni, sk ad fazowy, mikrostruktur oraz wyst powanie p kni w próbnych rdzeniach. Analiza uzyskanych wyników pozwoli a wy oni tworzywo o optymalnym sk adzie surowcowym w postaci szk a kwarcowego i borowego. Wybór tego tworzywa ma równie uzasadnienie w wysokiej temperaturze topnienia szk a kwarcowego oraz niskim wspó czynniku rozszerzalno ci cieplnej, a dodatek szk a borowego u atwia spiekanie ziaren przy zachowaniu wymaganej porowato ci. Dalsze prace badawcze obejmowa y sze zada i mia y na celu zoptymalizowanie otrzymanej receptury. Pierwsze zadanie polega o na okre- leniu wp ywu rozk adu ziarnowego proszków krzemionkowych na formowalno i mo liwo usuwania lepiszcza oraz w a ciwo ci ko cowe rdzeni. W ramach tego zadania wytworzono trzy proszki o ró nym sk adzie ziarnowym oraz przygotowano belki do bada metod wtrysku niskoci nieniowego. Odprowadzanie lepiszcza z po owy belek nast powa o w temperaturze 700 C, a drug po ow wypalono w temperaturze docelowej 1060 C. Okre lono podstawowe w a- ciwo ci uzyskanych tworzyw: g sto, porowato, nasi kliwo, wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej, wytrzyma- o na zginanie i chropowato powierzchni. Drugie zadanie obejmowa o zbadanie wp ywu rodzaju niskokurczliwych termoplasty katorów na lepko masy, stopie wype niania ma ych przekrojów i skurczliwo na etapie formowania. W trakcie jego realizacji wytypowano dwa niskokurczliwe termoplasty katory i przy ich u yciu wykonano tworzywa do wtrysku, wyznaczono lepko masy w temperaturze 338 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 2, (2011)

3 OPRACOWANIE SK ADU TWORZYWA DO WYTWARZANIA RDZENI OPATEK TURBIN GAZOWYCH... wtryskiwania oraz przygotowano belki i wyroby o skomplikowanych kszta tach metod wtrysku niskoci nieniowego, a tak e wyznaczono skurczliwo ci na zaformowanych belkach. Trzecie zadanie polega o na zbadaniu mo liwo ci zastosowania kompozycji ró nych termo-plasty katorów pozwalaj cych na stopniowy ich rozk ad w procesie usuwania lepiszcza. Etap ten obejmowa wytworzenie trzech tworzyw o ró nej kompozycji termoplasty katorów, przygotowanie belek i odprowadzenie z nich lepiszcza w temperaturze 700 C oraz wyznaczenie podstawowych w a ciwo ci tworzyw. Kolejne zadanie obejmowa o okre lenie wp ywu zasypki zastosowanej w procesie usuwania lepiszcza na deformacj i p kanie rdzeni. Podczas realizacji tego zadania wytypowano trzy proszki na zasypki i okre lono ich sk ad ziarnowy, a tak- e przygotowano siedem rodzajów tworzyw, ró nych pod wzgl dem sk adu ziarnowego proszków oraz zastosowanych termoplasty katorów o uzupe niaj cych si temperaturach topnienia. Przygotowane belki wypalono w temperaturze docelowej 1060 C w trzech ró nych zasypkach, a nast pnie okre lono podstawowe w a ciwo ci tworzyw. Pi te zadanie polega o na okre leniu wp ywu szybko ci przyrostu temperatury i jej ko cowej warto ci w procesie usuwania lepiszcza na deformacje oraz p kanie rdzeni a tak e w procesie wypalania w a ciwego na parametry ko cowe rdzeni. W pierwszej cz ci tego etapu wytypowano tworzywa do bada i przygotowano belki metod wtrysku niskoci- nieniowego. Kolejno odprowadzono z nich lepiszcze w temperaturach 600 C i 700 C z ró nymi przyrostami temperatury i okre lono podstawowe parametry uzyskanych tworzyw. Nast pnie wypalono belki w temperaturze 1060 C i ponownie scharakteryzowano otrzymane tworzywa. Druga cz etapu pi tego obejmowa a wypalanie belek w temperaturach 1000 C i 1100 C z ró nymi przyrostami temperatury oraz okre lenie podstawowych w a ciwo ci uzyskanych tworzyw. Ostatnie zadanie polega o na sprawdzeniu mo liwo ci roztwarzania próbek w wodnych roztworach zasad. Etap ten obejmowa przygotowanie roztworu wodorotlenku potasu oraz roztwarzanie w nim wypalonych belek w temperaturze 110 C z pomiarem czasu ca kowitego roztworzenia lub ubytku masy po ustalonym czasie. Analiza wyników wszystkich przedstawionych w tym rozdziale bada pozwoli a na wybór technologii umo liwiaj cej uzyskanie rdzeni o najlepszych w a ciwo ciach. 3. Wyniki bada W rozdziale tym przedstawiono rezultaty otrzymane dla tworzywa 4 wykonanego wed ug optymalnej technologii. Jednak w celu porównania uzyskanych parametrów zestawiono wyniki dla wszystkich siedmiu tworzyw wykonanych w pracy badawczej, a ró ni cych si sk adem ziarnowym proszków oraz zastosowanymi termoplasty katorami. Udzia wagowy poszczególnych sk adników tworzywa 4 wynosi 83 % szk a kwarcowego (dostawca Huta szk a Juropol ) i 3 % szk a borowego (dostawca TEW) oraz po 7 % wosku A73 i MA7150 (dostawca Cie lar). Sk ad ziarnowy proszków wykorzystanych w procesie optymalizacji tworzywa na rdzenie zamieszczono na Rys. 1, gdzie wyró niono proszek 1, z którego otrzymano tworzywo o najlepszych w a ciwo ciach. Tworzywo 4 o optymalnych w a ciwo ciach powsta- o z proszku najbardziej gruboziarnistego (proszek 1) spo- Udzia, % Proszek 1 Proszek 2 Proszek < Frakcja, m Rys. 1. Sk ad ziarnowy proszków wyj ciowych na tworzywa rdzeni. Fig. 1. Particle size distribution of powders for core materials. ród wszystkich wykorzystanych w badaniach. Nale y tak e zwróci uwag, i udzia frakcji drobnej w zakresie od 0 do 10 m powinien by jak najmniejszy, gdy u atwia to formowanie rdzeni metod wtrysku niskoci nieniowego oraz eliminuje powstawanie p kni podczas wypalania. Kolejnym parametrem charakteryzuj cym tworzywo jest wspó czynnik lepko ci dynamicznej w temperaturze wtryskiwania, czyli w 110 C. Stanowi on istotn informacj o mo liwo ci formowania skomplikowanych kszta tów i wype niania ma ych przekrojów. Uzyskane wyniki wspó czynnika lepko ci dynamicznej w temperaturze wtryskiwania tworzyw mo na podzieli na dwie grupy. Warto poni ej 2, Pa s uzyskano dla tworzyw 1 oraz 5, 6 i 7, natomiast dla tworzyw 2, 3 i 4 wspó czynnik lepko ci dynamicznej mie ci si w zakresie od Pa s do prawie Pa s. Przy czym tworzywo 4 o optymalnych w a ciwo ciach cechuje si prawie najwy szym wspó czynnikiem lepko ci dynamicznej, ale mimo to umo liwia zaformowanie do skomplikowanych kszta tów wyrobu. Wynika z tego, e lepko wszystkich przygotowanych do bada tworzyw jest odpowiednia do wype niania stosunkowo ma ych przekrojów. Dodatkowo bardzo korzystna jest ma a warto skurczliwo ci tworzywa 4 podczas formowania wynosz ca poni ej 0,7 %. W procesie uzyskiwania wymaganych w a ciwo ci rdzeni istotne znaczenie odgrywa etap wypalania, który w przypadku pó wyrobów z termoplasty katorami podzielony jest na dwie fazy: odprowadzanie lepiszcza i wypalanie w a ciwe. Ustalenie temperatury docelowej oraz szybko ci jej przyrostu i ch odzenia ma wp yw na uzyskanie rdzeni o okre lonych w a ciwo ciach zycznych i mechanicznych, wolnych od p kni. Prace nad optymalizacj procesu wypalania pozwoli y na opracowanie krzywej, dzi ki której odprowadzanie lepiszcza i wypalanie w a ciwe nast puje w jednym cyklu temperaturowym, co czyni ten proces bardziej ekonomicznym. Zgodnie z wynikami maksymalna temperatura wypalania wynosi 1060 C, gdzie przyrost temperatury do 700 C ma warto 40 C/h, a nast pnie 120 C/h, czas przebywania w temperaturze maksymalnej to 2 h, a pr dko ch odzenia wynosi 50 C /h. W procesie wypalania wa n rol pe ni zasypka, która umo liwia stopniowe odprowadzanie lepiszcza z rdzeni i ich spiekanie przy zachowaniu pierwotnego kszta tu. Rozk ad ziarnowy wykorzystanych w trakcie bada zasypek zosta przedstawiony na Rys. 2, gdzie wy- MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 2, (2011) 339

4 M. GROMADA, R. NOWAK, M. KOSTECKI, A. T UCZEK, A. OLSZYNA Alodur Martoxid Nabalox Udzia, % ,250 >1,250 a) Frakcja, m Rys. 2. Sk ad ziarnowy zastosowanych zasypek. Fig. 2. Particle size distribution of mould powders applied. ró niono proszek o nazwie Alodur, przy wykorzystaniu którego rdzenie uzyskiwa y najlepsze parametry. Przeprowadzone badania wykaza y, e optymalna zasypka (Alodur) powinna by jak najbardziej drobnoziarnista, gdy przy zastosowaniu dwóch pozosta ych w przypadku tworzyw 5-7 nast pi o ich przyklejanie do wypalanych rdzeni. W przypadku tworzywa 5 mo na to zjawisko wi za z zastosowaniem przy jego przygotowaniu trzech termoplasty katorów o niskich temperaturach topnienia. W procesie wypalania w niskiej temperaturze nast puje powstanie znacznej ilo ci ciek ego plasty katora, której gruboziarniste zasypki nie by y w stanie wyprowadzi na zewn trz rdzeni i zasypka przywar- a do powierzchni tworzywa. Natomiast w przypadku tworzyw 6 i 7 do ich wytwarzania zastosowano drobniejszy proszek (odpowiednio proszek 2 i 3). W wyniku tego, aby zapewni wystarczaj c lejno tworzyw, konieczne by o zwi kszenie ilo ci termoplasty katorów, co w procesie wypalania skutkowa o brakiem mo liwo ci odci gni cia roz o onego termoplasty katora przez gruboziarniste zasypki i spowodowa o przyklejenie zasypki do rdzeni. W celu potwierdzenia osi gni cia zak adanych w a ciwo ci tworzyw zosta y wykonane podstawowe badania wypalonych belek i rdzeni. Ich wyniki zamieszczono w Tabeli 1. Na podstawie wyników zestawionych w Tabeli 1 mo na stwierdzi, e g sto ci uzyskanych tworzyw na rdzenie s do siebie bardzo zbli one. Tworzywo 4 posiada jedn z wy szych warto ci g sto ci, a jego porowato jest bliska 30 %, b) Rys. 3. Mikrostruktura rdzeni z tworzywa 4: a) pow. 250x, b) pow. 500x. Fig. 3. The microstructure of cores made from the 4 material: a) 250x mag., b) 500x mag. co jest zgodne z oczekiwaniami. Ponadto tworzywo 4 cechuje si drug w kolejno ci za tworzywem 3 wytrzyma o ci na zginanie. Z ca pewno ci wytrzyma o ta umo liwi monta rdzeni w formach odlewniczych. Dodatkowo tworzywo 4 zajmuje drug po tworzywie 1 warto chropowato ci powierzchni, co w zupe no ci powinno zapewni dobre odwzorowanie wewn trznego kana u opatek po ich odlaniu. Natomiast tworzywo 4 posiada najni sz warto wspó czynnika rozszerzalno ci cieplnej, co zapewni odporno na wstrz sy cieplne oraz stabilno wymiarow rdzeni w temperaturach zalewania rdzeni ciek ymi stopami. Bardzo korzystna jest równie ma a warto skurczliwo ci tworzywa 4 po wypaleniu wynosz ca poni ej 1,5 %. Tabela 1. Podstawowe w a ciwo ci tworzyw na rdzenie opatek. Table 1. Basic properties of materials for blade cores. Tworzywo Nasi kliwo [%] G sto [g/cm 3 ] Porowato [%] Wytrzyma o na zginanie [MPa] Chropowato powierzchni [ m] Wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej, [K -1 ] 1 20,71 1,53 31,66 6,82 2,4 4, ,64 1,60 28,27 14,37 3,3 4, ,11 1,59 28,79 17,12 3,1 4, ,04 1,57 29,82 14,99 2,6 3, ,24 1,59 28,96 14,44 3,2 3, ,42 1,56 30,26 12,59 2,6 4, ,01 1,50 32,88 8,69 3,5 4, MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 2, (2011)

5 OPRACOWANIE SK ADU TWORZYWA DO WYTWARZANIA RDZENI OPATEK TURBIN GAZOWYCH... Oprócz wyznaczenia g sto ci, porowato ci i nasi kliwo- ci wypalonych tworzyw na rdzenie konieczne jest sprawdzenie uzyskanej mikrostruktury rdzeni, gdy ma ona wp yw na proces ich roztwarzania po odlaniu opatki. Na Rys. 3 zamieszczono zdj cia mikrostruktury rdzeni w dwóch powi kszeniach. Na zdj ciach mikrostruktury tworzywa 4 mo na wyró ni du e cz stki o wielko ci od 3 do 100 m oraz osnow sk adaj c si z drobnych cz stek o rozmiarach poni ej 1 m. Rozk ad cz stek du ych jest jednorodny, a widoczne pustki oraz pory s efektem niepe nego zag szczenia materia u. Zatem rdzenie o uzyskanej mikrostrukturze powinny wykazywa atwo roztwarzania, co potwierdza przeprowadzona próba ich roztwarzania. W zak adach produkcyjnych proces roztwarzania rdzeni po odlaniu opatki wykonuje si w autoklawie w temperaturze powy ej 150 C pod ci nieniem oko- o 900 kpa. W warunkach laboratoryjnych wobec braku autoklawu zosta wyznaczony ubytek masy rdzeni po 5 godzinach roztwarzania w temperaturze 110 C w wodnym roztworze wodorotlenku potasu (stosunek 1:1). Najwcze niej, bo ju po 85 minutach ca kowicie zosta o roztworzone tworzywo 7. Kolejny wynik uzyskano dla tworzywa 4, dla którego po 5 godzinach roztwarzania ubytek masy wynosi 99,5 %. Nieco gorszy rezultat odnotowano dla tworzyw 1 i 5, dla których ubytek masy wynosi 99,3 %. Natomiast najgorsze w a- ciwo ci roztwarzania wykazywa y tworzywa 2 i 3, w przypadku których ubytek wagi po 5 godzinach roztwarzania nie przekroczy granicy 80 %. Uzyskane wyniki wskazuj, e tworzywo o opracowanym sk adzie ma odpowiednie w a ciwo ci do zastosowania na rdzenie opatek turbin gazowych i turbospr arek. Przeprowadzone badania wykaza y, e tworzywo o optymalnych parametrach powsta o z najbardziej gruboziarnistego proszku szk a kwarcowego i borowego, a dodatek dwóch niskoskurczliwych wosków spowodowa osi gni cie znikomej warto ci skurczliwo ci podczas formowania. Ponadto uzyskane tworzywo pozwoli o na zaformowanie wyrobu o do skomplikowanych kszta tach. Natomiast opracowana krzywa wypalania umo liwi a przeprowadzenie procesu odprowadzania lepiszcza i wypalania w a ciwego w jednym cyklu temperaturowym. Dodatkowo wskazano, e wybór drobnoziarnistej zasypki zapobiega jej przyklejaniu do rdzeni, co te ma pozytywny wp yw na jako powierzchni zewn trznej. Jednocze nie wyniki g sto ci, nasi kliwo ci i porowato ci tworzywa wraz z uzyskan mikrostruktur i wynikami roztwarzania w po czeniu z wytrzyma o ci na zginanie potwierdzaj przydatno rdzeni do odlewania wewn trznych kana ów opatek i atwego ich usuwania z odlewów. Natomiast najni sza warto wspó czynnika rozszerzalno ci cieplnej i prawie najni sza warto chropowato ci powierzchni tworzywa zapewnia dobre odwzorowanie kszta tu wewn trznego kana u opatki. W dalszej pracy badawczej zostanie opracowany sk ad tworzywa na rdzenie opatek turbin gazowych i turbospr - arek wytwarzanych metod wtrysku wysokoci nieniowego, która umo liwi formowanie rdzeni o bardziej skomplikowanych kszta tach i wi kszej dok adno ci wymiarowej. Ponadto zostan dobrane termoplasty katory do wtrysku wysokoci nieniowego spo ród tradycyjnych termplasty katorów woskowych oraz rozpuszczalnych w wodzie, których zastosowanie eliminuje u ycie zasypki w procesie wypalania rdzeni. Podzi kowania Publikacja zosta a s nansowana przez Narodowe Centrum Bada i Rozwoju w ramach projektu badawczego rozwojowego nr N R Literatura [1] Klug F. J., Giddings R. A.: Core compositions and articles with improved performance for use in castings for gas turbine application, Patent US B1, (2002). [2] Haihua W., Dichen L., Yiping T., Bo S., Dongyang X.: Rapid fabrication of alumina-based ceramic cores for gas turbine blades by stereolithography and gelcasting, J. Mater. Proc. Techn., 209, (2009), [3] Qin Y., Pan W.: Effect of silica sol on the properties of alumina-based ceramic core composites, Mater. Sci. Eng. A, 508, (2009), 71. [4] Robb R. R., Yaker C., Burd L.: Ceramic cores for manufacturing hollow metal casting, Patent US , (1980). [5] Ling-Yi W., Min-Hsiung H.: The Effect of Cristobalite Seed on the Crystallization of Fused Silica Based Ceramic Core - A Kinetic Study, Ceram. Int., 21, (1995), 187. Otrzymano 3 wrze nia 2010; zaakceptowano 12 listopada Podsumowanie MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 2, (2011) 341