Usmjereno skrućivanje monokristalnih lopatica u industrijskim uvjetima korištenjem razvijene metode livenja hlađenom zrakom
U ovom radu je proučavan uticaj hlađenja gasom na prečišćavanje mikrostrukture monokristalnih lopatica proizvedenih DGCC postupkom livenja gasnim hlađenjem. Primarni razmak krakova dendrita (PDAS) dostiže najveću vrijednost na aeroprofilu i najnižu vrijednost na platformi lopatice. Međutim, kada se koristi Bridgmanova metoda, PDAS vrijednost se mijenja duž oštrice u suprotnom smjeru. Metoda livenja DGCC gasnim hlađenjem rezultira smanjenjem od oko 100 μm PDAS vrednosti na platformi lopatica u poređenju sa konvencionalnim radijacionim hlađenjem.
U procesu usmjerenog skrućivanja superlegure na bazi nikla, struktura dendrita se rafinira smanjenjem razmaka primarnog dendrita (PDAS) i povećanjem aksijalnog temperaturnog gradijenta na frontu skrućivanja, kako bi se poboljšala radna temperatura i mehanička svojstva pojedinačnih kristalne oštrice. U Bridgmanovoj metodi, prijenos topline zračenja između radnog komada i peći ozbiljno ograničava učinkovitost hlađenja ljuske kalupa, čime se smanjuje temperaturni gradijent i ne pogoduje prečišćavanju mikrostrukture dendrita. Stoga, kako bi se poboljšao kvalitet monokristala i prinos procesa, razvijene su alternativne metode usmjerenog skrućivanja, kao što su hlađenje tekućim metalom (LMC), livenje plinskim hlađenjem (GCC), usmjereno skrućivanje prema dolje (DWDS) i hlađenje fluidiziranim ugljičnim slojem metoda (FCBC).
U gore navedenim metodama, osim hlađenja zračenjem, konvekcijsko hlađenje se uglavnom koristi za poboljšanje efikasnosti ekstrakcije topline površine ljuske kalupa. U metodama hlađenja tekućim metalom (LMC) i fluidiziranog ugljičnog sloja (FCBC), omotač kalupa je uronjen u rashladnu kupku, odnosno u fluidizirani sloj. U metodama hlađenja plinom (GCC) i očvršćavanja usmjerenog prema dolje (DWDS), plin se ubrizgava u površinu ljuske da ohladi odljevak dok se kreće iz zone grijanja peći. Kontinuirani razvoj metoda proizvodnje oštrica korištenjem inertnih rashladnih plinova pokazuje veliki potencijal ovih metoda, jer je cijena relativno niska u odnosu na LMC metodu hlađenja tekućim metalom, dok je mikrostruktura radnog komada poboljšana u odnosu na Bridgman metodu. Konter i dr. demonstrirali metodu za izradu velikih lopatica gasne turbine (IGT) korišćenjem inertnih hlađenih gasova, dok je Wang et al. koristio ovu metodu za proizvodnju malih lopatica avionske turbine. Ovo je dovoljno da se dokaže da je upotreba inertnog rashladnog gasa efikasan način da se efikasno poboljša temperaturni gradijent i poboljša struktura dendrita. Iako su ove metode efikasne, mogu imati vrlo ograničenu primjenu u proizvodnji oštrica u industrijskoj skali, posebno kada se više odljevaka postavlja istovremeno u složena kućišta matrice.
Upotreba složenog omotača sa mnogo komponenti može učiniti usklađivanje toplotnog štita sa vanjskim profilom školjke vrlo komplikovanim. To dovodi do potencijalnog strujanja plina između komponenti, što nije pogodno za hlađenje omotača kalupa koji se nalazi u komori za grijanje unutar peći. Zauzvrat, premještanje mlaznice prema dolje prema vodenom hlađenom prstenu može smanjiti toplinski učinak toka inertnog plina na stvrdnjavanje područja paste odljevka. Analiza objavljenog rada pokazuje da metode usmjerene očvršćavanja korištenjem rashladnih plinova imaju veliki potencijal. Međutim, trenutno nema informacija o primjeni ove metode na složene noževe za proizvodnju keramičkih kalupa s više komponenti. Stoga je Sikovok pokušao razviti tehnologiju usmjerenog skrućivanja u industrijskoj mjeri za lopatice turbine od superlegure na bazi nikla koristeći školjke kalupa za hlađenje inertnog plina, nazvanu Developed Gas Cooling Casting (DGCC) napredna metoda hlađenja plina. U ovoj studiji, omotač kalupa je hlađen ubrizgavanjem inertnog plina nadzvučnim brzinama iz više mlaznica smještenih ispod toplinskog štita. Upotreba mlaznica s promjenjivim uglom može ispravno usmjeriti tok inertnog plina na površinu školjke složenog oblika s više odljevaka. Studija je otkrila da je korištenje plinskog hlađenja pomoglo da se poveća brzina hlađenja i smanji razmak primarnog dendrita (PDAS) na platformi s jednokristalnim lopaticama u poređenju sa konvencionalnim radijacijskim hlađenjem u Bridgman metodi. Preliminarni rezultati pokazuju da se DGCC metoda hlađenja plinom može koristiti u industrijskoj proizvodnji za proizvodnju visokokvalitetnih lopatica od monokristalne superlegure za avio motore.
Ispitni odljevci CMSX-4 superlegura na bazi nikla su usmjereni učvršćeni korištenjem standardnog Bridgman i DGCC plinskog hlađenja odljevaka za proizvodnju simuliranih oštrica. U tu svrhu izrađene su dvije vrste komponenti voštanog kalupa kao osnova za izradu keramičkih kalupa [Slika 1(f) i (g)]. Sklopovi kalupa za vosak uključuju model ploče za hlađenje prečnika 250 mm, sistem za izlivanje, čašu za izlivanje, osam simuliranih noževa i sakupljače i podizače kristala.
Oštrice su postavljene kao što je prikazano na slici 1(f). Komponente se zatim potapaju u keramičku suspenziju, a zatim čestice glinice posipaju u fluidiziranom sloju kako bi se formirao prvi premaz ljuske kalupa. U drugom sloju je korišten mulit. Gornja dva koraka su ponovljena kako bi se dobilo ukupno devet slojeva, sa prosječnom debljinom od oko 7 mm za stijenku školjke [Slika 1(g)].
Kalup za vosak se topi sa unutrašnje strane ljuske kalupa, koji se zatim zagreva na 800 stepeni Celzijusa. Ugradite pripremljenu školjku kalupa na hladnu ploču rashladne komore u peći [Slika 1(b)]. Prvi korak usmjerenog očvršćavanja lopatice od monokristala izveden je metodom livenja DGCC gasnim hlađenjem u JetCaster vakuumskoj indukcijskoj peći za topljenje, a dodat je plin argon radi pojačanog hlađenja kalupa. Peć se sastoji od komore za grijanje i hlađenje, sistema za izvlačenje ljuske kalupa sa određenom brzinom i opremljena je sistemom koji može strujati inertne plinove u rashladnu komoru [Slika 1(a) do (c)]. Školjka se ugrađuje na rashladnu ploču i pomiče u komoru za grijanje unutar peći, koja se prethodno zagrije na 1520 stepeni Celzijusa pomoću dvozonskog indukcijskog grijača snage 125kw. Zagrijani kalup se zatim puni CMSX-4 rastopljenom superlegurom na bazi nikla iste temperature i povlači se različitim brzinama iz zone grijanja peći u zonu hlađenja. Brzina izvlačenja je 3 mm/min u regijama startera i selektora i 12 mm/min u području oštrice [Slika 1(k)]. U kontinuiranoj zoni (prijelazna zona od separatora do oštrice) brzina povlačenja se postepeno povećava.
