Retningsbestemt størkning av enkeltkrystallblader under industrielle forhold ved bruk av den utviklede luftkjølte støpemetoden
I denne artikkelen ble effekten av gasskjøling på mikrostrukturforfining av enkeltkrystallblader produsert av DGCC-gasskjølingsstøpeprosessen studert. Den primære dendritarmavstanden (PDAS) når den høyeste verdien på bærebladet og den laveste verdien på bladplattformen. Men når Bridgmans metode brukes, endres PDAS-verdien langs bladet i motsatt retning. DGCC-gasskjøling-støpemetoden resulterer i en reduksjon på ca. 100 μm i PDAS-verdien i bladplattformen sammenlignet med konvensjonell strålingskjøling.
I prosessen med retningsbestemt størkning av nikkelbasert superlegering, foredles dendrittstrukturen ved å redusere den primære dendritarmavstanden (PDAS) og øke den aksiale temperaturgradienten ved størkningsfronten, for å forbedre driftstemperaturen og de mekaniske egenskapene til enkelt krystallblader. I Bridgman-metoden begrenser strålingsvarmeoverføringen mellom arbeidsstykket og ovnen effektiviteten av kjøling av formskall kraftig, og reduserer dermed temperaturgradienten og bidrar ikke til forfining av dendrittmikrostruktur. Derfor, for å forbedre enkeltkrystallkvaliteten og prosessutbyttet, har alternative metoder for retningsbestemt størkning blitt utviklet, slik som flytende metallkjøling (LMC), gasskjølingsstøping (GCC), nedadgående retningsbestemt størkning (DWDS) og kjøling med fluidisert karbon. metode (FCBC).
I de ovennevnte metodene, i tillegg til strålingskjøling, brukes konveksjonskjøling hovedsakelig for å forbedre varmeekstraksjonseffektiviteten til formskalloverflaten. I metoder for kjøling av flytende metaller (LMC) og kjøling med fluidisert karbonskikt (FCBC), nedsenkes formskallet i henholdsvis et kjølebad og et fluidisert sjikt. I metoder for gasskjølt støping (GCC) og nedadgående retningsbestemt størkning (DWDS), injiseres gass inn i skalloverflaten for å avkjøle støpegodset når det beveger seg fra ovnens varmesone. Den fortsatte utviklingen av bladproduksjonsmetoder ved bruk av inerte kjølegasser viser det store potensialet til disse metodene, da kostnadene er relativt lave sammenlignet med LMC flytende metall kjølemetoden, mens mikrostrukturen til arbeidsstykket er forbedret sammenlignet med Bridgman-metoden. Konter et al. demonstrerte en metode for å lage store gassturbinblader (IGT) ved bruk av inerte avkjølte gasser, mens Wang et al. brukte denne metoden til å produsere små flyturbinblader. Dette er nok til å bevise at bruk av inert kjølegass er en effektiv måte å effektivt forbedre temperaturgradienten og foredle dendrittstrukturen. Selv om disse metodene er effektive, kan de ha svært begrensede anvendelser i bladproduksjon i industriell skala, spesielt der flere støpegods plasseres samtidig i komplekse dysehus.
Å bruke et komplekst skall med mange komponenter kan gjøre tilpasningen av varmeskjoldet til skallets ytre profil svært komplisert. Dette fører til at gass potensielt strømmer oppover mellom komponentene, noe som ikke bidrar til å avkjøle formskallet som befinner seg i varmekammeret inne i ovnen. På sin side kan reposisjonering av dysen nedover mot den vannkjølte ringen redusere den termiske effekten av den inerte gassstrømmen på størkningen av pastaområdet til støpegodset. Den publiserte papiranalysen viser at retningsbestemte størkningsmetoder ved bruk av kjølegasser har høyt potensial. Imidlertid er det foreløpig ingen informasjon om anvendelsen av denne metoden på komplekse keramiske formproduksjonsblader med flere komponenter. Derfor forsøkte Sikovok å utvikle en retningsbestemt størkningsteknologi i industriell skala for nikkelbaserte turbinblader i superlegering ved bruk av inerte gasskjølingsformskall, kalt Developed Gas Cooling Casting (DGCC) avansert støpemetode for gasskjøling. I denne studien ble formskallet avkjølt ved å injisere inert gass ved supersoniske hastigheter fra flere dyser plassert under varmeskjoldet. Bruken av dyser med variabel vinkel kan rette strømmen av inert gass til overflaten av et komplekst skall med flere støpegods. Studien fant at bruken av gasskjøling bidro til å øke kjølehastigheten og redusere den primære dendritarmavstanden (PDAS) på enkeltkrystall-bladplattformen sammenlignet med konvensjonell strålingskjøling i Bridgman-metoden. De foreløpige resultatene viser at DGCC-gasskjøling-støpemetoden kan brukes i produksjon i industriell skala for å produsere høykvalitets enkrystall-superlegeringsblader for flymotorer.
Teststøpene av CMSX-4 nikkelbaserte superlegeringer ble retningsstivnet ved bruk av standard Bridgman og DGCC gasskjølestøping for å produsere simulerte blader. For dette formålet ble det laget to typer voksformkomponenter som grunnlag for å lage keramiske formskall [Figur 1(f) og (g)]. Voksformenhetene inkluderer en kjøleplatemodell med en diameter på 250 mm, et hellesystem, en hellekopp, åtte simulerte blader og krystallplukkere og løftere.
Bladene plasseres som vist i figur 1(f). Komponentene nedsenkes deretter i en keramisk slurry, etterfulgt av aluminiumoksydpartikler drysset i et fluidisert sjikt for å danne det første belegget av formskallet. Mullite ble brukt i det andre laget. De to ovennevnte trinnene ble gjentatt for å oppnå totalt ni strøk, med en gjennomsnittlig tykkelse på ca. 7 mm for skallveggen [Figur 1(g)].
Voksformen smelter fra innsiden av formskallet, som deretter forvarmes til 800 grader Celsius. Installer det forberedte formskallet på den kalde platen til kjølekammeret i ovnen [Figur 1(b)]. Det første trinnet med retningsbestemt størkning av enkeltkrystallblad ble utført ved hjelp av DGCC-gasskjølingsstøpemetoden i JetCaster vakuuminduksjonssmelteovn, og argongass ble tilsatt for å styrke formkjølingen. Ovnen består av et varme- og kjølekammer, et formskalltrekksystem med en bestemt hastighet, og er utstyrt med et system som kan strømme inerte gasser inn i kjølekammeret [Figur 1(a) til (c)]. Skallet installeres på kjøleplaten og flyttes til varmekammeret inne i ovnen, som forvarmes til 1520 grader Celsius ved hjelp av en dobbelsone induksjonsvarmer med en effekt på 125kw. Den oppvarmede formen fylles deretter med CMSX-4 smeltet nikkelbasert superlegering med samme temperatur og trekkes ut med forskjellige hastigheter fra ovnens varmesone til kjølesonen. Uttrekkshastigheten er 3 mm/min i starter- og velgerområdene, og 12 mm/min i bladområdet [Figur 1(k)]. I den kontinuerlige sonen (overgangssonen fra separatoren til bladet) øker uttakshastigheten gradvis.
