Спрейное литье — новые возможности

Что такое спрейное литье и как оно работает

Спрейное литье (СЛ) — это целая группа передовых технологий, в основе которых лежит распыление расплавленного металла. Представьте себе процесс: жидкий металл разбивается на мельчайшие капли, которые с огромной скоростью летят к форме или подложке. Там они осаждаются, формируя готовое изделие.

На Западе эти методы известны как Spray Forming или Spray Casting. Главное отличие от традиционного литья — качество структуры материала получается на порядок выше. За одну операцию достигается сразу несколько целей: нужная форма детали, однородность состава, отсутствие макросегрегации и полная сплошность металла. Никаких традиционных литейных дефектов!

Процесс можно проводить в инертной среде — например, в аргоне — или даже в вакууме. Это особенно важно для активных металлов вроде титана.

Где уже применяют спрейное литье? Да практически везде, где нужны высококачественные заготовки:

• ✓ Наплавка нержавеющих сталей
• ✓ Производство дисков и колец для авиационных двигателей из никелевых суперсплавов
• ✓ Заготовки из инструментальных быстрорежущих сталей
• ✓ Подшипниковые стали высшего качества
• ✓ Сплавы систем Ti-Al, Al-Ag, Al-Nd, Al-Si, Al-5%Li
• ✓ Композиционные материалы Al-SiC, Al-Al2O3
• ✓ Катоды для нанесения PVD-покрытий
• ✓ Безволоконные металломатричные композиции

По всему миру работают установки спрейного литья. В Германии это Peak, в Японии — Sumitomo Light Metals, в Швейцарии — Swissmetall Boillat. Крупные игроки вроде General Electric, Howmet, Pratt and Whitney, Sandvik Steel давно оценили преимущества технологии.

Ключевые преимущества технологии распыления

Почему спрейное литье вызывает такой интерес у металлургов? Ответ прост — преимущества очевидны даже на первый взгляд.

Во-первых, стоимость и трудоемкость сравнительно низкие, а производительность при этом высокая. Экономия налицо.

Во-вторых, заготовки получаются с выраженной химической однородностью. Структура мелкозернистая, механические свойства — на высоте. Сегрегация зерен либо отсутствует полностью, либо минимальна.

В-третьих, можно работать с материалами, которые традиционными методами литья получить невозможно или крайне сложно. Интерметаллидные сплавы, материалы с низкими литейными свойствами — всё это теперь доступно.

В-четвертых, форма заготовок может быть практически любой: плоской, цилиндрической, фасонной, трубчатой, кольцевой. Ограничения минимальны.

Конструкция распылителей и газовых систем

Сердце установки спрейного литья — это распылитель. Именно он превращает струю расплава в облако мельчайших капель.

Инертный газ подается под высоким давлением. Обычно это азот или аргон. Давление достигает таких значений, что металл разбивается на частицы размером 10-100 микрометров. Поток капель направляется к поверхности формы или охлаждаемому коллектору. Перемещая коллектор, можно управлять распределением материала.

Современные машины обеспечивают точную фокусировку потока. Это критически важно для качества изделия.

Двухсопельная система распыления

Типовая конструкция распылителя включает два сопла для подачи газа. Как это работает?

Первичное сопло подает газ под давлением 2-4 бар. Поток движется параллельно струе расплава, стабилизируя её. Без этого струя была бы нестабильной, и качество распыления пострадало бы.

Вторичное сопло работает на более высоких параметрах: давление 6-10 бар, скорость газа 250-350 м/с. Газ воздействует на струю расплава под углом, разбивая её на капли. Формируется газо-металлическая струя с объемным соотношением газа к металлу 1,5-5,5.

Расход газа через распылитель обычно составляет около 5,5 кубометров в минуту. Газ из рабочей камеры откачивается насосной системой и подается повторно — экономия ресурсов.

Скорость потока распыленного металла — один из ключевых параметров процесса. Не менее важны:

• ★ Размеры капель
• ★ Скорость их охлаждения
• ★ Температура распыляющего газа
• ★ Температура подложки
• ★ Доля твердых частиц в потоке
• ★ Дистанция напыления

Интересный момент: в малых количествах могут использоваться добавки реактивных газов. Например, добавка 0,5-10% кислорода в азот обеспечивает оксидное упрочнение алюминиевых сплавов. Дисперсионное упрочнение — это серьезно!

Базовая схема процесса

Как выглядит типовая установка спрейного литья? В рабочей камере поддерживается постоянное давление. Расплавленный металл из индукционной печи подается в распылитель (атомизатор). Оттуда поток капель летит к форме или охлаждаемому коллектору.

Манипулятор перемещает форму или коллектор, обеспечивая равномерное распределение материала. Процесс построен так, что капли достигают подложки в полурасплавленном состоянии.

Высокая скорость охлаждения в потоке плюс генерация твердых частиц (центров кристаллизации) дают равномерную мелкозернистую структуру. Именно она определяет высокие прочностные свойства заготовок.

Производительность распыления обычно составляет 1-20 кг/мин. Но если использовать два и более распылителя одновременно, можно достичь скоростей до 200 кг/мин. Впечатляет, правда?

Производство слитков и сложнопрофильных изделий

Машины с газовыми распылителями используются для получения слитков — исходных заготовок для дальнейших металлургических переделов.

Современное оборудование позволяет производить изделия диаметром свыше 600 миллиметров. В конструкции таких установок распыляющие головки поворачиваются на 5-10 градусов с частотой до 25 Гц. Это отклоняет распыленный поток синхронно с вращением формируемого изделия.

Зачем это нужно? Чтобы управлять формой отливок и обеспечить её повторяемость. Без такой системы точность была бы ниже.

Точные сложнопрофильные изделия

Газовые распылители применяют для спрейного литья в изложницы. Результат — точные сложнопрофильные изделия. Например, для штамповой и литьевой оснастки.

Сложные фасонные заготовки получают на оборудовании с ЧПУ. Пятикоординатный манипулятор обеспечивает необходимые движения распыляющей головки относительно формы. Современное технологическое оборудование обеспечивает производительность литья 50-200 кг/мин.

Листовые заготовки

Спрейным литьем с вальцеванием получают листовые заготовки. Материал переносится струей к рабочим валкам, где формируется в лист. Поддерживающие ролики обеспечивают стабильность процесса.

Перспективны технологии СЛ для получения трубчатых и дисковых заготовок. Напыление металлов и сплавов на вращающиеся оправы — это работает!

Центробежное литье: инновационный подход

Одна из разновидностей спрейного литья заслуживает отдельного внимания — центробежное спрейное литье.

Принцип работы кардинально отличается от газовой атомизации. Струя расплава падает на вращающийся диск (чашу). Частота вращения — более 20 000 оборотов в минуту! За счет центробежных сил металл распыляется. Ускоренные расплавленные капли переносятся к кольцевой поверхности формы.

Размеры капель составляют 20-1000 микрометров. Управление вертикальным перемещением обеспечивает равномерность осаждения металла. Можно задать и определенный закон осаждения для получения требуемой формы и размера внутренней поверхности заготовки.

Главное преимущество: для распыления и переноса металла не требуется газ. Процесс может выполняться в вакууме. Это повышает качество материала заготовки.

Почему это важно? Для титановых и некоторых других активных металлов, способных растворять кислород и другие газы. Растворенные газы снижают механические свойства — это факт.

По этой технологии можно получать заготовки дисков. В исследовательском центре NAVY получают диски с наружным диаметром 1100 мм и внутренним диаметром 700 мм. Технология считается весьма перспективной для получения заготовок кольцевых деталей газотурбинных двигателей.

Недостатки и способы их устранения

Будем откровенны: идеальных технологий не существует. У спрейного литья тоже есть свои недостатки.

Потери материала

До 30% материала может разбрызгиваться, не попадая в заготовку, или отскакивать от неё. Звучит плохо, но есть нюанс: этот материал можно использовать как порошковый после соответствующей сортировки. Или повторно в процессе СЛ. Так что потери не такие критичные.

Сложность управления

Процесс характеризуется множеством взаимосвязанных параметров:

• ✗ Температура расплава, вытекающего из печи
• ✗ Давление распыляющего газа
• ✗ Расход и скорость газа
• ✗ Расстояние от сопла до подложки
• ✗ Условия охлаждения распыленного материала при полете
• ✗ Условия охлаждения на подложке

Не всё так просто, согласитесь. Этот недостаток частично компенсируется применением датчиков контроля с использованием обратных связей и адаптивных систем управления.

Пористость заготовок

Типичные значения пористости составляют 1-2% в зависимости от материала и параметров процесса. Иногда это вынуждает использовать дополнительную обработку:

Обработка давлением или горячее изостатическое прессование (ГИП) решают проблему. Например, детали роторов газовых турбин для обеспечения усталостной прочности должны иметь нулевую пористость. Без ГИП не обойтись.

Перспективы развития в России и мире

В нашей стране технологиям спрейного литья до настоящего времени не уделяется должного внимания. Это факт, который сложно игнорировать.

А ведь с их использованием могут быть получены не только качественные заготовки из традиционных материалов, но и специальные сплавы, которые невозможно или сложно получить традиционными способами.

Что впереди? Новые исследования направлены на получение:

• ☑ Многослойных композиционных материалов
• ☑ Функционально-градиентных материалов
• ☑ Металломатричных композиционных материалов

Без этих материалов невозможно создание техники новых поколений. Это серьёзно.

Мировой опыт показывает: спрейное литье — это не просто альтернатива традиционному литью, это качественный скачок в металлургии. Мелкозернистая структура, высокая однородность, возможность работы с труднодеформируемыми сплавами — всё это открывает новые горизонты.

Возможно, пришло время обратить на эту технологию более пристальное внимание? Решать вам.

А. Г. Бойцов, В. Б. Дудаков
ОАО «ВНИИАЛМАЗ»

Литература

1. Unal A. Effect of Processing Variables on Particle Size in Gas Atomization of Rapidly Solidified Aluminium Powders. Materials Science and Technology. 1987| 3:1029–1039.
2. Kevin M. McHugh, Volker Uhlenwikel, Nils Ellendt. Density of Spray-formed Materials. World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials, June 2008
3. Kim M and Jones H. Effect of Process Variables in Gas-Jet Atomization and Production of Multilayer Deposits. In: Proceedings of the 4th International Conference on Rapidly Quenched Metals| 1981| Sendai. Japan Institute of Metals| 1981. p.85–88.