Usmerjeno strjevanje monokristalnih rezil v industrijskih pogojih z uporabo razvite metode zračno hlajenega litja
V tem prispevku je bil preučen učinek hlajenja plina na izboljšanje mikrostrukture monokristalnih rezil, proizvedenih s postopkom litja s plinskim hlajenjem DGCC. Primarni razmik med rokami dendritov (PDAS) doseže najvišjo vrednost na aerodinamičnem profilu in najnižjo vrednost na ploščadi lopatice. Vendar pa se pri uporabi Bridgmanove metode vrednost PDAS spremeni vzdolž rezila v nasprotni smeri. Metoda ulivanja s plinskim hlajenjem DGCC povzroči zmanjšanje vrednosti PDAS za približno 100 μm v ploščadi z rezili v primerjavi z običajnim hlajenjem s sevanjem.
V procesu usmerjenega strjevanja superzlitine na osnovi niklja se struktura dendrita izboljša z zmanjšanjem razmika med kraki primarnega dendrita (PDAS) in povečanjem aksialnega temperaturnega gradienta na fronti strjevanja, da se izboljša delovna temperatura in mehanske lastnosti posameznega kristalna rezila. Pri Bridgmanovi metodi sevalni prenos toplote med obdelovancem in pečjo močno omejuje učinkovitost hlajenja lupine kalupa, s čimer se zmanjša temperaturni gradient in ne prispeva k izboljšanju mikrostrukture dendrita. Zato so bile za izboljšanje kakovosti monokristala in izkoristka postopka razvite alternativne metode usmerjenega strjevanja, kot so hlajenje s tekočimi kovinami (LMC), ulivanje s plinskim hlajenjem (GCC), strjevanje z usmerjenim strjevanjem navzdol (DWDS) in hlajenje z vrtinčeno plastjo ogljika. metoda (FCBC).
Pri zgoraj omenjenih metodah se poleg hlajenja s sevanjem uporablja predvsem konvekcijsko hlajenje za izboljšanje učinkovitosti odvajanja toplote s površine lupine kalupa. Pri metodah hlajenja s tekočo kovino (LMC) in hlajenja z zvrtinčeno ogljikom (FCBC) je lupina kalupa potopljena v hladilno kopel oziroma v zvrtinčeno plast. Pri metodah plinsko hlajenega litja (GCC) in strjevanja z usmerjenim strjevanjem navzdol (DWDS) se plin vbrizga v površino lupine, da ohladi ulitek, ko se premika iz območja ogrevanja peči. Nadaljnji razvoj metod izdelave rezil z uporabo inertnih hladilnih plinov kaže na velik potencial teh metod, saj so stroški relativno nizki v primerjavi z metodo hlajenja s tekočo kovino LMC, medtem ko je mikrostruktura obdelovanca izboljšana v primerjavi z metodo Bridgman. Konter et al. je prikazal metodo za izdelavo lopatic velikih plinskih turbin (IGT) z uporabo inertnih ohlajenih plinov, medtem ko je Wang et al. uporabil to metodo za izdelavo lopatic turbin za mala letala. To je dovolj za dokaz, da je uporaba inertnega hladilnega plina učinkovit način za učinkovito izboljšanje temperaturnega gradienta in izboljšanje strukture dendrita. Čeprav so te metode učinkovite, imajo lahko zelo omejeno uporabo pri izdelavi rezil v industrijskem obsegu, zlasti kadar je več ulitkov hkrati nameščenih v zapletena ohišja matrice.
Uporaba zapletenega ohišja s številnimi komponentami lahko povzroči zelo zapleteno ujemanje toplotnega ščita z zunanjim profilom ohišja. To povzroči, da plin morebiti teče navzgor med komponentami, kar ne prispeva k hlajenju lupine kalupa, ki se nahaja v grelni komori znotraj peči. Po drugi strani pa lahko prestavljanje šobe navzdol proti vodno hlajenemu obroču zmanjša toplotni učinek toka inertnega plina na strjevanje območja paste v ulitku. Objavljena analiza prispevka kaže, da imajo metode usmerjenega strjevanja z uporabo hladilnih plinov velik potencial. Vendar trenutno ni informacij o uporabi te metode za kompleksne rezila za proizvodnjo keramičnih kalupov z več komponentami. Zato je Sikovok poskušal razviti tehnologijo usmerjenega strjevanja v industrijskem obsegu za turbinske lopatice iz superzlitine na osnovi niklja z uporabo lupin kalupov za inertno hlajenje plina, imenovano napredna metoda litja s hlajenjem s plinom (DGCC). V tej študiji je bila lupina kalupa ohlajena z vbrizgavanjem inertnega plina pri nadzvočnih hitrostih iz več šob, nameščenih pod toplotnim ščitom. Uporaba šob s spremenljivim kotom lahko pravilno usmeri tok inertnega plina na površino lupine kompleksne oblike z več ulitki. Študija je pokazala, da je uporaba plinskega hlajenja pripomogla k povečanju hitrosti hlajenja in zmanjšanju razmika med kraki primarnega dendrita (PDAS) na enokristalni ploščadi v primerjavi z običajnim radiacijskim hlajenjem pri Bridgmanovi metodi. Preliminarni rezultati kažejo, da se lahko metoda ulivanja s plinskim hlajenjem DGCC uporablja v industrijski proizvodnji za izdelavo visokokakovostnih rezil iz enokristalne superzlitine za letalske motorje.
Preskusni ulitki superzlitin na osnovi niklja CMSX-4 so bili usmerjeno strjeni z uporabo standardnega ulitka s plinskim hlajenjem Bridgman in DGCC, da so bile izdelane simulirane lopatice. V ta namen sta bili izdelani dve vrsti sestavnih delov voščenih kalupov kot osnova za izdelavo keramičnih lupin kalupov [Slika 1(f) in (g)]. Sestavi kalupov za vosek vključujejo model hladilne plošče s premerom 250 mm, sistem za izlivanje, skodelico za izlivanje, osem simuliranih rezil ter pobirala in dvigala kristalov.
Rezila so nameščena, kot je prikazano na sliki 1(f). Komponente so nato potopljene v keramično brozgo, čemur sledijo delci aluminijevega oksida, potreseni v vrtinčeno plast, da tvorijo prvo prevleko lupine kalupa. V drugi plasti je bil uporabljen mulit. Zgornja dva koraka smo ponovili, da smo dobili skupno devet nanosov s povprečno debelino približno 7 mm za steno lupine [slika 1(g)].
Voščeni kalup se stopi iz notranjosti lupine kalupa, ki se nato predhodno segreje na 800 stopinj Celzija. Pripravljeno lupino kalupa namestite na hladno ploščo hladilne komore v peči [slika 1(b)]. Prvi korak usmerjenega strjevanja enokristalnega rezila je bil izveden z metodo ulivanja s plinskim hlajenjem DGCC v vakuumski indukcijski talilni peči JetCaster, za okrepitev hlajenja kalupa pa je bil dodan plin argon. Peč je sestavljena iz ogrevalne in hladilne komore, sistema za vlečenje lupine kalupa z določeno hitrostjo in je opremljena s sistemom, ki lahko dovaja inertne pline v hladilno komoro [Slika 1 (a) do (c)]. Lupina je nameščena na hladilno ploščo in pomaknjena v grelno komoro znotraj peči, ki je predgreta na 1520 stopinj Celzija z dvoconskim indukcijskim grelnikom moči 125kw. Ogret kalup se nato napolni s CMSX-4 staljeno superzlitino na osnovi niklja enake temperature in se z različnimi hitrostmi umakne iz območja ogrevanja peči v območje hlajenja. Hitrost izvleka je 3 mm/min v območju zaganjalnika in izbirnika ter 12 mm/min v območju rezila [slika 1(k)]. V neprekinjenem območju (območje prehoda od separatorja do rezila) se hitrost izvleka postopoma povečuje.
