W jaki sposób odlewa się wirniki i koła kierujące ze stopów tytanu?

Wirniki i koła kierujące ze stopów tytanu odlewa się w próżni z ochroną procesu topienia i wypełniania formy, ponieważ ciekły tytan łatwo reaguje z gazami i wieloma materiałami formierskimi. W przypadku wirnika stosuje się grafitową powłokę do odlewania metodą traconego wosku oraz odlewanie odśrodkowe; w przypadku koła kierującego — obrobioną formę grafitową i próżniowe napełnianie odśrodkowe. Omówiono odlewnicze stopy tytanu Ti-6Al-4V i Ti-5Al-2.5Sn; reprezentatywny skład i właściwości Ti-6Al-4V podano poniżej.

Skład i właściwości odlewanego stopu tytanu Ti-6Al-4V

Uwaga: Stop ten zazwyczaj zawiera również niewielkie ilości węgla (C), tlenu (O), azotu (N) i wodoru (H), a pozostałą część stanowi tytan.

Odlewanie stopów tytanu jest trudne. Temperatury topnienia wynoszą zazwyczaj powyżej 1700 °C, a tytan jest wysoce reaktywny. Powyżej 500 °C wchodzi w reakcję z wieloma materiałami, a stopiony tytan może reagować z niemal wszystkimi materiałami ogniotrwałymi, a także z tlenem, wodorem i azotem. Charakteryzuje się również słabą płynnością. Dlatego też materiały formierskie, proces topienia oraz wypełnianie formy wymagają specjalnych środków kontroli. Materiały formierskie muszą charakteryzować się wysoką ogniotrwałością i stabilnością termiczną oraz nie mogą wchodzić w reakcję z stopem. Obecnie stosowane systemy formierskie obejmują formy z ubitego grafitu, skorupy do odlewania precyzyjnego, formy ceramiczne oraz formy z piasku cyrkonowego.

Ze względu na tę reaktywność topienie wlewków przy użyciu elektrod zużywalnych oraz odlewanie tytanu muszą odbywać się w próżni lub w atmosferze gazu obojętnego, w tyglu z wymuszonym chłodzeniem. W produkcji powszechnie stosuje się próżniowy piec do topienia wlewków.

Wirnik tytanowy odlewany metodą traconego wosku w powłoce grafitowej

W tym wirniku zastosowano powłokę odlewniczą. W systemie powłoki jako spoiwo wykorzystano żywicę fenolową, a jako wypełniacz ogniotrwały i zaprawę – proszek grafitowy oraz piasek o różnej wielkości ziaren. Wytrzymałość powłoki wynosi 5,7–6,8 MPa. Formy do wirników i wirników wentylatorów mają wymiary zewnętrzne 350 mm × 350 mm × 350 mm. Formę umieszcza się w środku stołu obrotowego w pionowej odlewnicy odśrodkowej, a komorę próżniową zamyka się w celu opróżnienia i stopienia materiału.

Po stopieniu materiału piec z komorą odlewniczą przechyla się automatycznie w celu wylania odlewu. Prędkość formy podczas wylewania wynosi 200–400 obr./min. Powstałe odlewy mogą mieć minimalną grubość ścianki wynoszącą 1,5–2 mm oraz chropowatość powierzchni Ra 3,2–6,3 μm.

Tytanowe koło kierujące odlewane w formie grafitowej

Koło prowadzące ma maksymalną średnicę 363,5 mm i 18 równomiernie rozmieszczonych łopatek. Ścianka na końcu łopatki ma grubość 4 mm, tolerancja grubości łopatki wynosi mniej niż 0,2 mm, a błąd łuku łopatki jest mniejszy niż 0,15 mm. Powierzchnie łopatek muszą mieć chropowatość Ra 6,3 μm, natomiast obrabiane powierzchnie koła prowadzącego mają naddatek na obróbkę wynoszący 2–3 mm.

Wszystkie łopatki formowane są z jednego pierścieniowego rdzenia, co ułatwia kontrolowanie ich wymiarów i położenia. Rdzeń łopatki, górne i dolne rdzenie konturowe oraz sekcja wylewki są montowane wewnątrz formy zewnętrznej. Gotowe formy i rdzenie grafitowe często zawierają wilgoć i wymagają obróbki w wysokiej temperaturze. Formę należy umieścić w piecu próżniowym, opróżnić z powietrza, powoli podgrzać do 950°C, utrzymać tę temperaturę przez około 4 godziny, a następnie schłodzić wraz z piecem. Obrabianą formę należy jak najszybciej wykorzystać do odlewania, aby ograniczyć ponowne wchłanianie gazów.

Odlewanie przeprowadza się w próżniowym piecu czaszkowym z elektrodami jednorazowego użytku, z napełnianiem odśrodkowym w próżni. Na podstawie średniego promienia należy zastosować współczynnik grawitacyjny G równy 15 oraz prędkość obrotową formy wynoszącą 350 obr./min. Po wlaniu odlew należy schłodzić w próżni.