Smerové tuhnutie monokryštálových čepelí v priemyselných podmienkach pomocou vyvinutej vzduchom chladenej metódy odlievania
V tomto článku bol študovaný vplyv chladenia plynu na zjemnenie mikroštruktúry monokryštálových lopatiek vyrobených procesom odlievania plynovým chladením DGCC. Primárny dendritický rozstup ramien (PDAS) dosahuje najvyššiu hodnotu na nosnej ploche a najnižšiu hodnotu na platforme lopatky. Pri použití Bridgmanovej metódy sa však hodnota PDAS mení pozdĺž čepele v opačnom smere. Metóda odlievania plynovým chladením DGCC má za následok zníženie hodnoty PDAS v lopatkovej platforme približne o 100 μm v porovnaní s konvenčným sálavým chladením.
V procese smerového tuhnutia superzliatiny na báze niklu sa štruktúra dendritu zjemňuje zmenšením vzdialenosti primárnych dendritových ramien (PDAS) a zvýšením axiálneho teplotného gradientu na čele tuhnutia, aby sa zlepšila prevádzková teplota a mechanické vlastnosti jednotlivých krištáľové čepele. Pri Bridgmanovej metóde prenos sálavého tepla medzi obrobkom a pecou výrazne obmedzuje účinnosť chladenia plášťa formy, čím sa znižuje teplotný gradient a neprispieva k zjemneniu mikroštruktúry dendritu. Preto, aby sa zlepšila kvalita monokryštálu a výťažok procesu, boli vyvinuté alternatívne metódy smerového tuhnutia, ako je chladenie tekutým kovom (LMC), odlievanie s chladením plynom (GCC), smerové tuhnutie smerom nadol (DWDS) a chladenie fluidným uhlíkovým lôžkom. metóda (FCBC).
Vo vyššie uvedených spôsoboch sa okrem radiačného chladenia používa hlavne konvekčné chladenie na zlepšenie účinnosti extrakcie tepla povrchu plášťa formy. Pri metódach chladenia tekutým kovom (LMC) a chladenia s fluidným uhlíkovým lôžkom (FCBC) je škrupina formy ponorená do chladiaceho kúpeľa, respektíve do fluidného lôžka. Pri metódach odlievania chladeného plynom (GCC) a smerového tuhnutia smerom nadol (DWDS) sa plyn vstrekuje do povrchu plášťa na ochladenie odliatku pri jeho pohybe zo zóny ohrevu pece. Pokračujúci vývoj metód výroby čepelí pomocou inertných chladiacich plynov ukazuje veľký potenciál týchto metód, pretože náklady sú relatívne nízke v porovnaní s metódou chladenia tekutým kovom LMC, pričom mikroštruktúra obrobku je v porovnaní s Bridgmanovou metódou vylepšená. Konter a kol. demonštrovali spôsob výroby lopatiek veľkých plynových turbín (IGT) pomocou inertných chladených plynov, zatiaľ čo Wang a kol. použil túto metódu na výrobu malých lopatiek leteckých turbín. To stačí na preukázanie, že použitie inertného chladiaceho plynu je účinný spôsob, ako efektívne zlepšiť teplotný gradient a zjemniť štruktúru dendritu. Hoci sú tieto spôsoby účinné, môžu mať veľmi obmedzené použitie pri výrobe čepelí v priemyselnom meradle, najmä tam, kde sa do zložitých puzdier lisovníkov súčasne umiestňuje viacero odliatkov.
Použitie zložitého plášťa s mnohými komponentmi môže veľmi skomplikovať prispôsobenie tepelného štítu vonkajšiemu profilu plášťa. To spôsobuje, že plyn môže potenciálne prúdiť smerom nahor medzi komponentmi, čo neprispieva k ochladzovaniu plášťa formy umiestnenej v ohrievacej komore vo vnútri pece. Na druhej strane, premiestnenie dýzy nadol smerom k vodou chladenému prstencu môže znížiť tepelný účinok prúdu inertného plynu na tuhnutie pastovej oblasti odliatku. Z publikovanej analýzy vyplýva, že metódy smerového tuhnutia využívajúce chladiace plyny majú vysoký potenciál. V súčasnosti však neexistujú žiadne informácie o aplikácii tejto metódy na zložité čepele na výrobu keramických foriem s viacerými komponentmi. Preto sa Sikovok pokúsil vyvinúť priemyselnú technológiu smerového tuhnutia pre turbínové lopatky zo superzliatiny na báze niklu s použitím plášťov foriem na chladenie inertným plynom, nazývanej pokročilá metóda odlievania chladením plynom (Developed Gas Cooling Casting, DGCC). V tejto štúdii bol plášť formy chladený vstrekovaním inertného plynu nadzvukovou rýchlosťou z viacerých trysiek umiestnených pod tepelným štítom. Použitie dýz s variabilným uhlom môže správne nasmerovať tok inertného plynu na povrch škrupiny zložitého tvaru s viacerými odliatkami. Štúdia zistila, že použitie chladenia plynom pomohlo zvýšiť rýchlosť ochladzovania a znížiť vzdialenosť primárnych dendritových ramien (PDAS) na platforme s jednoduchým kryštálom v porovnaní s konvenčným sálavým chladením pri Bridgmanovej metóde. Predbežné výsledky ukazujú, že metóda odlievania plynovým chladením DGCC sa môže použiť vo výrobe v priemyselnom meradle na výrobu vysokokvalitných lopatiek z monokryštálovej superzliatiny pre letecké motory.
Skúšobné odliatky zo superzliatin na báze niklu CMSX{0}} boli smerovo tuhnuté pomocou štandardného odlievania Bridgman a DGCC s chladením plynom, aby sa vyrobili simulované čepele. Na tento účel boli vyrobené dva druhy komponentov voskových foriem ako základ na výrobu keramických škrupín foriem [obrázok 1(f) a (g)]. Zostavy voskových foriem zahŕňajú model chladiacej dosky s priemerom 250 mm, nalievací systém, nalievaciu nádobu, osem simulovaných čepelí a zberače a zdvíhače kryštálov.
Čepele sú umiestnené tak, ako je znázornené na obrázku 1(f). Komponenty sa potom ponoria do keramickej kaše, potom sa častice oxidu hlinitého rozprášia do fluidného lôžka, aby sa vytvoril prvý povlak plášťa formy. V druhej vrstve bol použitý mullit. Vyššie uvedené dva kroky sa opakovali, aby sa získalo celkovo deväť vrstiev s priemernou hrúbkou steny plášťa asi 7 mm [obrázok 1(g)].
Vosková forma sa roztaví z vnútra plášťa formy, ktorý sa následne predhreje na 800 stupňov Celzia. Nainštalujte pripravenú škrupinu formy na studenú platňu chladiacej komory v peci [Obrázok 1(b)]. Prvý krok smerového tuhnutia čepele monokryštálu sa uskutočnil metódou odlievania plynovým chladením DGCC vo vákuovej indukčnej taviacej peci JetCaster a na posilnenie chladenia formy sa pridal plynný argón. Pec pozostáva z ohrievacej a chladiacej komory, systému ťahania plášťa formy so špecifickou rýchlosťou a je vybavená systémom, ktorý môže prúdiť inertné plyny do chladiacej komory [obrázok 1(a) až (c)]. Plášť sa inštaluje na chladiacu platňu a presunie sa do ohrievacej komory vnútri pece, ktorá je predhriata na 1520 stupňov Celzia pomocou dvojzónového indukčného ohrievača s výkonom 125kw. Zahriata forma sa potom naplní CMSX-4 roztavenou superzliatinou na báze niklu s rovnakou teplotou a odoberá sa rôznymi rýchlosťami z ohrievacej zóny pece do chladiacej zóny. Rýchlosť vyťahovania je 3 mm/min v oblasti štartéra a voliča a 12 mm/min v oblasti čepele [obrázok 1(k)]. V kontinuálnej zóne (zóna prechodu od separátora k lopatke) sa rýchlosť odťahu postupne zvyšuje.
