Расчет физико-химического взаимодействия титановых сплавов с материалами литейной формы

Abstract

Термохимическая инертность форм – одно из основных условий получения качественных отливок из титановых сплавов. Применяемые в литейном производстве огнеупорные формовочные и связующие материалы активно взаимодействуют с титаном. Поэтому термохимическая стойкость форм может быть повышена выбором наиболее инертных по отношению к титану исходных формовочных и связующих материалов и разработкой оптимального технологического процесса. Для оценки возможности взаимодействия титана при заливке в формы с формовочными материалами Al2O3, ZrO2, Y2O3 и связующими на основе SiO2 рассмотрены основные вероятные реакции и рассчитаны изменения изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса). Рассматривалось протекание реакций при температуре 1700 °С (температура плавления 1668 °С), при условии, что титан находится в жидком состоянии. Исходя из расчетных значений ΔZ (ΔG) рассмотренных реакций показано, что реакция восстановления титаном оксида иттрия, циркония и алюминия термодинамически невозможна. В условиях России экономически неоправданно использование в качестве формовочных материалов окислов иттрия и циркония для получения оболочковых форм при литье титановых сплавов. Появление же альфированного слоя на отливках титановых сплавов при использовании связующего на основе SiO2 вызвано, как показали термодинамические расчеты, протеканием реакций с образованием алюмосиликатов, ухудшающих химическую стойкость формы и ее огнеупорность. Для получения качественных отливок из титановых сплавов экономически целесообразно использование оболочковых форм на основе электрокорунда с обязательной заменой связующих на основе SiO2 на алюмозоли. Thermochemical inertness of molds is one of the principal conditions for obtaining high-quality castings in titanium alloys. Refractory and binder materials used in foundry molding actively interact with titanium. Therefore, thermochemical resistance of molds can be improved by selecting molding and binder materials the most inert to titanium and by development of optimum technological process. To assess the possibility of interaction of titanium when poured into molds with molding materials of Al2O3, ZrO2, Y2O3, and a binder based on SiO2 the main possible reactions are discussed and the changes of isobaric-isothermal potential (Gibbs energy) are calculated. The course of reactions was considered at 1700 °C (melting point 1668 °C), with the condition that titanium is in liquid state. Based on the calculated values of ΔZ (ΔG) it is shown that the reaction of reduction of yttrium, zirconium and aluminum oxides by titanium is thermodynamically impossible. In Russian conditions it is not economic to use yttrium and zirconium oxides as molding materials to produce shell molds for casting titanium alloys. The appearance of α layer on titanium alloy castings when using a SiO2 based binder is caused, as shown by thermodynamic calculations, by reactions forming aluminum silicates that worsen chemical resistance and refractoriness of the mold. To obtain high-quality castings of titanium alloys it is economically feasible to use shell molds based on fused alumina with the mandatory replacement of SiO2 based binders with aluminia sols.