Usmjereno skrućivanje monokristalnih lopatica u industrijskim uvjetima korištenjem razvijene metode lijevanja zračnim hlađenjem
U ovom radu proučavan je učinak hlađenja plinom na finoću mikrostrukture lopatica monokristala proizvedenih DGCC postupkom lijevanja hlađenjem plinom. Primarni razmak krakova dendrita (PDAS) doseže najveću vrijednost na aeroprofilu, a najmanju vrijednost na platformi lopatice. Međutim, kada se koristi Bridgmanova metoda, PDAS vrijednost se mijenja uzduž oštrice u suprotnom smjeru. DGCC metoda hlađenja plinom rezultira smanjenjem od oko 100 μm vrijednosti PDAS u platformi lopatica u usporedbi s konvencionalnim hlađenjem zračenjem.
U procesu usmjerenog skrućivanja superlegure na bazi nikla, struktura dendrita je pročišćena smanjenjem razmaka krakova primarnog dendrita (PDAS) i povećanjem aksijalnog temperaturnog gradijenta na fronti skrućivanja, kako bi se poboljšala radna temperatura i mehanička svojstva pojedinačnog kristalne oštrice. U Bridgmanovoj metodi, prijenos topline zračenjem između obratka i peći ozbiljno ograničava učinkovitost hlađenja ljuske kalupa, čime se smanjuje temperaturni gradijent i ne doprinosi poboljšanju mikrostrukture dendrita. Stoga, kako bi se poboljšala kvaliteta monokristala i prinos procesa, razvijene su alternativne metode usmjerenog skrućivanja, kao što je hlađenje tekućim metalom (LMC), lijevanje s hlađenjem plinom (GCC), usmjereno skrućivanje prema dolje (DWDS) i hlađenje fluidiziranim ugljičnim slojem metoda (FCBC).
U gore navedenim metodama, uz hlađenje zračenjem, uglavnom se koristi konvekcijsko hlađenje za poboljšanje učinkovitosti ekstrakcije topline površine kalupa. U metodama hlađenja tekućim metalom (LMC) i fluidiziranog ugljičnog sloja (FCBC), ljuska kalupa se uranja u rashladnu kupelj, odnosno fluidizirani sloj. U metodama plinom hlađenog lijevanja (GCC) i usmjerenog skrućivanja prema dolje (DWDS), plin se ubrizgava u površinu ljuske kako bi se ohladio odljevak dok se kreće iz zone grijanja peći. Kontinuirani razvoj metoda proizvodnje oštrica korištenjem inertnih rashladnih plinova pokazuje veliki potencijal ovih metoda, budući da je cijena relativno niska u usporedbi s LMC metodom hlađenja tekućim metalom, dok je mikrostruktura izratka poboljšana u usporedbi s Bridgmanovom metodom. Konter i sur. demonstrirao je metodu za izradu velikih lopatica plinske turbine (IGT) korištenjem inertnih ohlađenih plinova, dok su Wang et al. koristio ovu metodu za proizvodnju lopatica turbina malih zrakoplova. Ovo je dovoljno da se dokaže da je upotreba inertnog rashladnog plina učinkovit način za učinkovito poboljšanje temperaturnog gradijenta i pročišćavanje strukture dendrita. Iako su ove metode učinkovite, one mogu imati vrlo ograničenu primjenu u proizvodnji oštrica u industrijskoj mjeri, posebno tamo gdje se više odljevaka stavlja istovremeno u složena kućišta kalupa.
Korištenje složene ljuske s mnogo komponenti može vrlo komplicirati usklađivanje toplinskog štita s vanjskim profilom ljuske. To uzrokuje potencijalno strujanje plina prema gore između komponenti, što nije pogodno za hlađenje ljuske kalupa koja se nalazi u komori za grijanje unutar peći. S druge strane, pomicanje mlaznice prema dolje prema prstenu hlađenom vodom može smanjiti toplinski učinak protoka inertnog plina na skrućivanje područja paste odljevka. Analiza objavljenog rada pokazuje da usmjerene metode skrućivanja pomoću rashladnih plinova imaju veliki potencijal. Međutim, trenutno nema podataka o primjeni ove metode na složene keramičke kalupe za proizvodnju oštrica s više komponenti. Stoga je Sikovok pokušao razviti tehnologiju usmjerenog skrućivanja u industrijskim razmjerima za turbinske lopatice od superlegure na bazi nikla koristeći ljuske kalupa za hlađenje inertnim plinom, nazvanu naprednom metodom lijevanja s hlađenjem plinom (DGCC). U ovoj studiji, ljuska kalupa hlađena je ubrizgavanjem inertnog plina nadzvučnom brzinom iz više mlaznica smještenih ispod toplinskog štita. Upotreba mlaznica s promjenjivim kutom može ispravno usmjeriti protok inertnog plina na površinu ljuske složenog oblika s više odljevaka. Studija je otkrila da je korištenje plinskog hlađenja pomoglo u povećanju brzine hlađenja i smanjenju razmaka između krakova primarnog dendrita (PDAS) na platformi jednokristalnih oštrica u usporedbi s konvencionalnim radijacijskim hlađenjem u Bridgmanovoj metodi. Preliminarni rezultati pokazuju da se DGCC metoda lijevanja plinskim hlađenjem može koristiti u industrijskoj proizvodnji za proizvodnju visokokvalitetnih lopatica od monokristalne superlegure za zrakoplovne motore.
Ispitni odljevci CMSX-4 superlegura na bazi nikla usmjereno su skrućeni korištenjem standardnog Bridgmanova i DGCC odljevka za hlađenje plinom kako bi se proizvele simulirane lopatice. U tu svrhu izrađene su dvije vrste komponenti voštanih kalupa kao osnova za izradu keramičkih ljuski kalupa [Slika 1(f) i (g)]. Sklopovi kalupa za vosak uključuju model ploče za hlađenje promjera 250 mm, sustav za izlijevanje, čašu za izlijevanje, osam simuliranih oštrica te sakupljače i podizače kristala.
Oštrice su postavljene kao što je prikazano na slici 1(f). Komponente se zatim uranjaju u keramičku kašu, nakon čega se čestice aluminijevog oksida posipaju u fluidiziranom sloju kako bi se stvorio prvi premaz ljuske kalupa. U drugom sloju korišten je mulit. Gornja dva koraka ponovljena su kako bi se dobilo ukupno devet slojeva, s prosječnom debljinom od oko 7 mm za stijenku školjke [Slika 1(g)].
Voštani kalup se topi iz unutrašnjosti ljuske kalupa, koja se zatim prethodno zagrijava na 800 stupnjeva Celzijusa. Ugradite pripremljenu ljusku kalupa na hladnu ploču rashladne komore u peći [Slika 1(b)]. Prvi korak usmjerenog skrućivanja monokristalne lopatice proveden je metodom lijevanja DGCC plinskim hlađenjem u JetCaster vakuumskoj indukcijskoj peći za taljenje, a plin argon dodan je kako bi se ojačalo hlađenje kalupa. Peć se sastoji od komore za grijanje i hlađenje, sustava za izvlačenje ljuske kalupa s određenom brzinom i opremljena je sustavom koji može strujati inertne plinove u komoru za hlađenje [Slika 1(a) do (c)]. Oplata se postavlja na rashladnu ploču i premješta u komoru za grijanje unutar peći, koja je prethodno zagrijana na 1520 stupnjeva Celzijusa pomoću dvozonskog indukcijskog grijača snage 125kw. Zagrijani kalup se zatim puni CMSX-4 rastaljenom superlegurom na bazi nikla iste temperature i povlači različitim brzinama iz zone grijanja peći u zonu hlađenja. Brzina izvlačenja je 3 mm/min u području pokretača i selektora, a 12 mm/min u području oštrice [Slika 1(k)]. U kontinuiranoj zoni (prijelazna zona od separatora do lopatice) brzina povlačenja se postupno povećava.
