В энергетике, авиакосмической и оборонной промышленности требуются материалы, сохраняющие свою стойкость при высоких температурах и агрессивных средах. Поэтому надежность и долговечность применяемых металлических сплавов имеют первостепенное значение. Один из ключевых этапов их производства — это очистка расплава для удаления различных примесей и загрязнений. В основном для этого используют пенокерамические фильтры — пористый материал, который задерживает ненужные твердые компоненты расплавленного металла. Ученые Пермского Политеха выяснили, что они могут также забирать и полезные элементы из сплава и отдавать ему новые, тем самым создавая в его составе нежелательные соединения и ухудшая свойства материала. Результаты исследования позволят оптимизировать процесс фильтрации промышленных жаропрочных никелевых сплавов и повысить качество конечной продукции.
Статья с подробными результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение», 2025 год. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Пенокерамические фильтры — это пористые материалы с ячеистой структурой, похожие на губку. Они используются для фильтрации расплавленных металлов перед выплавлением заготовок будущей промышленной детали. Это необходимо для снижения дефектов (трещин и пустот) и для очистки сплава от примесей — твердых частиц (оксидов, шлака, пыли), ухудшающих качество металла. Также такая фильтрация влияет на равномерное распределение в расплаве легирующих (улучшающих) элементов, таких как хром и титан.
Очистка происходит в основном за счет адгезии (прилипания) примесных компонентов к материалу фильтра. Поэтому он должен быть адаптирован не только к загрязнениям, но и к компонентам сплавов. Обычно их изготавливают из огнеупорных материалов: диоксида циркония, оксида алюминия, циркона и других химических добавок. Однако, помимо известного очищающего эффекта, состав фильтра может значительно влиять на структуру и свойства сплава за счет попадания в него нежелательных компонентов.
Ученые Пермского Политеха провели масштабное исследование и определили, как именно пенокерамические фильтры влияют на микроструктуру жаропрочных никелевых сплавов ВХ4Л-ВИ и ЧС70-ВИ, применяемых в критически важных деталях авиадвигателей и турбин. Для этого провели эксперимент по очистке металла с использованием двух широко известных промышленных фильтров марок FCF-1Z и Selee.
Сначала политехники изучили фазовый состав поверхности фильтров. Так, в марке FCF-1Z преобладают циркон, фосфат, оксид магния и малая часть диоксида циркония, а поверхность марки Selee в основном состоит из диоксида циркония и небольшой части циркона. Оба фильтра использовали для очистки расплавов при температурах около 1050 градусов в вакууме. После изучали элементный состав металла с помощью сканирующего электронного микроскопа.
— Вблизи фильтров обоих типов мы обнаружили повышенную концентрацию оксидов титана и алюминия. При этом в основном сплаве количество титана снижено. Кроме этого, фильтр марки FCF-1Z вызывает образование нитридов титана и ниобия, а также интерметаллидов — химических соединений вольфрама, молибдена и хрома, которые могут снижать качество металла, так как часть полезных элементов переходит к ним. Фильтр Selee не вызывает таких изменений, — рассказывает Светлана Порозова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.
Для минимизации негативных эффектов политехники рекомендуют уменьшить контакт воздуха с фильтром FCF-1Z во время производства, чтобы избежать нежелательных изменений в структуре сплава.
Исследование ученых ПНИПУ показало, что выбор правильного пенокерамического фильтра может существенно повлиять на характеристики металла, а значит, и на качество будущих изделий. Результаты позволят оптимизировать процесс фильтрации никелевых сплавов, улучшая их микроструктуру и эксплуатационные свойства. А также поспособствуют развитию и разработке улучшенных отечественных фильтров для промышленного использования.