Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН Хабаровского федерального исследовательского центра, Комсомольск-на-Амуре, Россия

А. В. Ткачева, старший научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: 4nansi4@mail.ru
А. А. Евстигнеева, инженер, эл. почта: annka.ewstic@mail.ru
А. Н. Евстигнеев, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: iss@knastu.ru

Представлено исследование температурных напряжений, возникающих в материале керамической сферической оболочковой формы в первые секунды после заливки металла. В качестве испытуемых сплавов выбраны широко используемые в производстве АЛ22, БрА9Ж3Л и ВТ14Л. Изучено влияние, оказываемое на напряженно-деформированное состояние материала оболочки предварительной температурой прогрева формы, которая способствует снижению температурного градиента в момент заливки, а значит, и понижению значений максимальных напряжений, приводящих к разрушению формы. Выполнен анализ влияния опорного наполнителя на напряженное состояние оболочковой формы. Для этих целей решены температурная и механическая задачи. Принято, что керамическая оболочковая форма либо находится со свободными внешними стенками, либо полностью погружена в опорный наполнитель, а воронка, в которую заливают металл, не оказывает влияния на напряженно-деформированное состояние, поэтому температурная и механическая задачи сведены к одномерной. Температура установлена из решения уравнения теплопроводности Фурье совместно с граничными условиями, задающими равенство тепловых потоков и температур на границах разделов жидкой и твердой фаз металла и внутренней поверхности оболочковой формы, и условиями взаимосвязи между потоком тепла за счет теплопроводности от внешней стенки и тепловым потоком из окружающей среды. Решение температурной задачи находят методом прогонки по неявной схеме. В рамках теории термоупругости для малых деформаций напряжения и перемещений найдено аналитическое решение путем интегрирования уравнения равновесия. Установлено, что максимальное напряжение имеет сжимающий характер и образуется непосредственно в момент заливки жидкого металла на внутренней поверхности керамической оболочковой формы, а их зависимость от температуры прокалки является линейной. Уникальность полученного результата заключается в том, что для трех сплавов нормированная зависимость температуры прокалки и максимальных напряжений практически сливается в одну прямую.

Работа выполнена в рамках государственного задания ХФИЦ ДВО РАН.

1. Kanyo J. E. et al. An overview of ceramic molds for investment casting of nickel super-alloys // Journal of the European Ceramic Society. 2020. Vol. 40, Iss. 15. P. 4955–4973. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.013
2. Hao Zhang, Jianbo Yu, Chunxia Lin, Fan Yang, Liang Liu, Zhigang Yang, Jiang Wang, Zhongming Ren. Effect of Al2O3 fibers mixing methods and in-situ formed SiC nanowires on the properties of silica-sol ceramic shells for investment casting // Ceramics International. 2023. Vol. 49, Iss. 22. P. 36391–36404. DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.08.323
3. Hao Zhang, Yifan Zhang, Liang Liu, Jianbo Yu, Zhigang Yang, Beiyue Ma, Baojun Wang, Zhongming Ren. Effect of sintering temperature and silicone resin content on in-situ formed SiC nanowire reinforced ceramic shells // Journal of Alloys and Compounds. 2024. Vol. 991. 174476. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.174476
4. Yung-Chun Wang, Chia-Yu Kao, Chen-Ming Chen, Cheng-Fu Huang, Yu-Chen Liu, Sheng-Chan Lee, Chien-Wei Chan, Yiin-Kuen Fuh. Effects of Al2O3 and SiC micro-scale powder addition on mechanical, thermal and physical properties of reinforced shell for investment casting // Ceramics International. 2025. Vol. 51, Iss. 6. P. 7217–7228. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.12.156
5. Zhihui Li, Dawei Guan, Ya Tan , Xin Hao, Yunsong Zhao, Zhenqiang Wu, Weijie Xing, Sichen Li, Heng Gu, Yaozhong Zhang, Baode Sun, Fei Li. Enhanced crack resistance in ceramic shells fabricated with photosensitive resin models printed by stereolithography through buffer layer integration // Ceramics International. 2025. Vol. 51, Iss. 3. P. 3987–3995. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.11.378
6. Venkata Y., Singha S., Dasa D. K., Pandeyb A. K. Effect of fine alumina in improving refractoriness of ceramic shell moulds used for aeronautical grade Ni-base superalloy castings // Ceramics International. 2018. Vol. 44. P. 12030–12035. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.03.197
7. Rui-zhe Dong, Wen-hu Wang, Kang Cui, Yuan-bin Wang, Zi-chun Wang, Kai-yu Kang, Ruisong Jiang. An investigation of ceramic shell thickness uniformity and its impact on precision in turbine blade investment casting // Journal of Manufacturing Processes 2024. Vol. 131, Iss. 12. P. 507–522. DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.09.006
8. Song Q., Zha X., Ou M., Lu C., Li J., Ma Y. High-temperature flexural strength of aluminosilicate ceramic shells for the investment casting of nickel-based superalloy // International Journal of Metalcasting. 2024. Vol. 18. P. 962–974. DOI: 10.1007/s40962-023-01061-2
9. Alok Singh Chauhan, Boddapati Anirud, Satyanarayana A., Pradyumna Rallapalli. FEA optimization of injection parameters in ceramic core development for investment casting of a gas turbine blade // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 26, Iss. 2. P. 2190–2199. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.02.477
10. Мусинова Е. С., Акутин А. А., Шатульский А. А. Определение охлаждения фронта потока алюминиево-кремниевого расплава в тонкой вертикальной полости керамической оболочковой формы при верхнем подводе // Заготовительные производства в машиностроении. 2022. Т. 20, № 1. С. 3–8. DOI: 10.36652/1684-1107-2022-20-1-3-8

11. Писарев И. Е. Исследования процесса формирования свойств оболочковых форм, изготовленных по выплавляемым моделям, при безопочном прокаливании и заливке: автореферат дис. … канд. техн. наук. – Москва, 1972. – 14 с.
12. Никитина А. А., Баженов В. Е., Колтыгин А. В., Белов В. Д. Влияние температуры оболочковой керамической формы перед заливкой и температуры заливки на дефекты в отливке «корпус внутренний камеры сгорания» из никелевого жаропрочного сплава ВЖЛ14Н-ВИ // Цветные металлы. 2024. № 1. С. 79–85.
13. Ткачева А. В., Евстигнеева А. А. Об оценке влияния степени охвата опорным наполнителем сферической керамической оболочки и предварительной прокалки на уровень напряжений в материале формы при заливке и затвердевании в ней отливки // Вестник ЧГПУ им. И. Я. Яковлева. Серия «Механика предельного состояния». 2024. № 2. С. 134–144. DOI: 10.37972/ chgpu.2024.60.2.002
14. Пат. 2827773 РФ. Способ подготовки к прокаливанию и заливке металлом многослойной керамической оболочковой формы для изготовления металлических сферических отливок по выплавляемым моделям / Одиноков В. И., Евстигнеев А. И., Дмитриев Э. А., Евстигнеева А. А., Чернышова Д. В., Ткачева А. В. ; заявл. 10.06.2024 ; опубл. 01.10.2024, Бюл. № 28.
15. Галдин Н. М., Чернега Д. Ф., Иванчук Д. Ф. и др. Цветное литье: справочник / Под общ. ред. Н. М. Галдина. – М. : Машиностроение, 1989. – 528с.
16. Пивинский Ю. Е., Ромашкин А. Г. Кварцевая керамика. – М. : Металлургия, 1974. – 246 с.