III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” ZB 11 Materiały lotnicze o zaawansowanej strukturze (monokryształ, kierunkowa krystalizacja) Partnerzy: Politechnika Śląska – prof. Jan Cwajna Politechnika Warszawska – prof. Krzysztof J. Kurzydłowski Politechnika Rzeszowska – dr hab. inż. Krzysztof Kubiak

III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Wytworzenie rdzeni ceramicznych przeznaczonych do rdzeniowanych monokrystalicznych odlewów ze stopów niklu. Analiza wpływu składu surowcowego oraz udziału masowego plastyfikatorów na właściwości fizyczne i mechaniczne wytworzonych rdzeni. Badania wytworzonych rdzeni ceramicznych. Materiały na rdzenie: topiona krzemionka SiO2 – średnia średnica ziarna – 120 µm (120 mesh), krzemian cyrkonu – ZrSiO4 – średnia średnica ziarna – 48 µm (300 mesh), - tlenek aluminium Al2O3 – średnia średnica ziarna – 44µm (325 mesh), - szkło kwarcowe – skład chemiczny: SiO2 – 99,9% - szkło boro-krzemianowe: SiO2 – 71,8%, B2O3 – 10,5%, Al2O3 – 6%, BaO – 2,8%, CaO – 0,8%, MgO – 0,2%, Na2O – 6,7%, K2O – 1,1%, Fe2O3 – 0,03%, TiO2 - śladowe

III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” - wosk naturalny - Blayson - B0210, - wosk naturalny - Blayson - B0220, - parafina R56 - gęstość – 0,96 g/cm3, - wosk pszczeli - gęstość – 0,90 g/cm3, - wosk termoplastyczny - DEUREX MA7080 (mikronizowany), - wosk termoplastyczny - DEUREX MA7150 (mikronizowany), - wosk termoplastyczny - DEUREX A73 (granulowany).

Skład materiału „1” na rdzenie ceramiczne III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Skład materiału „1-s” na rdzenie ceramiczne Szkło kwarcowe - Szkło borowe - łącznie 84,5% mas. Parafina R56 - 15,3% mas. Wosk pszczeli - 0,2% mas. Skład materiału „1” na rdzenie ceramiczne SiO2 (120 mesh), SiO2 (mielony) - łącznie 75,73% mas. ZrSiO4 (300 mesh) Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 24,12% mas. Wosk pszczeli – 0,15% mas.

III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Skład materiału „2” na rdzenie ceramiczne SiO2 (120 mesh) SiO2 (mielony) ZrSiO4 (300 mesh)- łącznie 80,84% mas. Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 19,43% mas. Wosk pszczeli – 0,13% mas Skład materiału „3” na rdzenie ceramiczne SiO2 (120 mesh) SiO2 (mielony) ZrSiO4 (300 mesh)- łącznie 82,34% Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 17,55% mas. Wosk pszczeli – 0,11% mas

Wytwarzanie rdzeni ceramicznych: III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Skład materiału „4” na rdzenie ceramiczne SiO2 (120 mesh) SiO2 (mielony) – łącznie 83,26 % mas. ZrSiO4 (300 mesh) Al2O3 (325 mesh) Parafina R56 – 0,637 kg 16,57% mas. Wosk pszczeli – 0,004 kg 0,15% mas. Wytwarzanie rdzeni ceramicznych: -mielenie szkła kwarcowego i borowego- uzyskano uziarnienie, w którym pozostałość na sicie o boku oczka 0,063 mm nie przekraczała 16% masowych, wsypanie odważonej parafiny i wosku do konwektora , podgrzewanie do temperatury topnienia, wsypanie szkła boro-krzemianowego i mieszanie w temperaturze termoplastyfikatorów wraz ze szkłem do ujednorodnienia, wtryskiwanie masy do formy (uzyskano 30 rdzeni), spiekanie w temperaturze 1060°C.

Właściwości rdzeni z materiału „1s”: III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Rdzeń w stanie surowym Rdzeń w skrzyni do spiekania Właściwości rdzeni z materiału „1s”: Nasiąkliwość wodą [%] - 22,20 (14 - 16) Gęstość pozorna [g/cm3] - 1,54 (1,8 – 1,9) Porowatość otwarta [%] - 31,14 (27 – 29) Wytrzymałość na zginanie [MPa] – 6,93

Rdzeń „1s” III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Linie pierwiastkowe Udział masowy % Udział atomowy % O K 53.11 66.33 Na K 1.40 1.22 Al K 3.19 2.36 Si K 42.30 30.09 Total 100.00 Rdzeń „1s”

Wytrzymałość na zginanie [MPa] III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Z materiału o składzie chemicznym „1”, „2” i „3” wykonano po ok. 40 rdzeni ceramicznych. Wypalano je w temperaturze 1060-1300°C. Debinding prowadzono w piecu (zakupionym w ramach zadania). Wykonano obserwacje metodą SEM oraz analizy składu chemicznego. Skład Nasiąkliwość wodą [%] Gęstość pozorna [g/cm3] Porowatość otwarta Wytrzymałość na zginanie [MPa] Skurcz spiekania [%] I 23,41 1,52 35,70 6,54 2,30 II 20,07 1,60 32,05 8,52 1,63 III 19,85 1,61 32,02 5,73 0,67

Dobrano wstępne składy surowców ceramicznych. III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Wnioski Dobrano wstępne składy surowców ceramicznych. Przebadano i dobrano odpowiedni skład parafiny i wosku jako spoiwa organicznego. Opracowano proces odprowadzania spoiwa (debindowania) oraz wypalania rdzeni ceramicznych wykonanych metodą wtrysku niskociśnieniowego. Uzyskano rdzenie o mikronowych rozmiarach porów oraz jednorodnej mikrostrukturze, małym skurczu spiekania (1,64% w 1350°C dla składu nr IV) oraz bez deformacji oraz uszkodzeń. Wytworzono rdzenie ceramiczne metodą wtrysku niskociśnieniowego. Wytworzone próbki metodą prasowania termoplastycznego z wykorzystaniem wosków firmy Blayson posiadają dobre właściwości fizyczne, małe deformacje po prasowaniu oraz nie posiadają wad powierzchniowych.

III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Plan dalszych badań Zaprojektowanie i wykonanie formy do wtrysku niskociśnieniowego na rdzenie ceramiczne o kształcie zapewniającym stabilne mocowanie w formie ceramicznej (belka poprzeczna o podstawie kwadratu). Zastosowanie do wytwarzania rdzeni metodą wtrysku niskociśnieniowego składu o zwiększonym udziale masowym składników ogniotrwałych tj. tlenku glinu oraz krzemianu cyrkonu. Zaprojektowanie i wykonanie formy do wtrysku wysokociśnieniowego na rdzenie ceramiczne o kształcie pozwalającym na zbadanie struktury stopu w zależności od odległości od krawędzi oraz płaszczyzny rdzenia. Zastosowanie do wykonywania rdzeni nowego rodzaju wosków termoplastycznych.

Wykonanie modelu wzorcowego III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Opracowanie metodyki wytwarzania rdzeniowanych elementów i modeli woskowych. Wykonanie rdzeniowanych modeli woskowych Wykonanie modelu wzorcowego  Model 3D-CAD wzorca do wykonania formy silikonowej Model 3D-CAD rdzenia

Sposób umieszczenia rdzenia w modelu woskowym III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Sposób umieszczenia rdzenia w modelu woskowym Modele wzorcowe wykonane metodą SLA

Wykonanie form i matryc silikonowych III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Wykonanie form i matryc silikonowych Modele wzorcowe w pojemnikach Rozcięta forma z usuniętym modelem wzorcowym  

Forma silikonowa z rdzeniem ceramicznym III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Forma silikonowa z rdzeniem ceramicznym

Zalewanie formy ciekłym woskiem III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Zalewanie formy ciekłym woskiem

Modele woskowe z rdzeniem ceramicznym III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Modele woskowe z rdzeniem ceramicznym Rdzeniowany woskowy zestaw modelowy

Wykonanie form ceramicznych III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Wykonanie form ceramicznych Materiały: tlenek aluminium, mulit, spoiwo - Ludox AM-30. Nałożono 12 warstw: 1-sza i 2-ga - tlenek aluminium #80, pozostałe 10 warstw wykonano z mulitu. Suszenie - 48 h w temperaturze 22oC i wilgotności 43%. Usunięcie wosku w autoklawie pod ciśnieniem 6 bar i temperaturze około 170oC. Wyżarzanie w temperaturze 760oC przez 2 h.

Wykonanie rdzeniowanych odlewów monokrystalicznych III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Wykonanie rdzeniowanych odlewów monokrystalicznych Zalanie formy ciekłym stopem CSMX-4. Operację wykonano w piecu ALD w próżni 10-4 Tr w temperaturze 1520°C. Formy wyciągano z obszaru grzejnego pieca z prędkością 3mm/min. Wystudzoną formę poddano operacji usunięcia masy ceramicznej i czyszczenia odlewu.

Plany na III i IV kwartał 2010 III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Plany na III i IV kwartał 2010 Usunięcie rdzeni z odlewów – trawienie. Ocena geometrii, mikrostruktury, orientacji odlewów. Projekt form metalowych do wtryskiwania wosku z rdzeniami.

Dziękuję za uwagę III KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Dziękuję za uwagę