Egykristály lapátok irányított megszilárdítása ipari körülmények között a kifejlesztett léghűtéses öntési módszerrel
Ebben a cikkben a gázhűtés hatását tanulmányozták a DGCC gázhűtéses öntési eljárással előállított egykristály lapátok mikroszerkezet-finomítására. Az elsődleges dendrit kartávolság (PDAS) a legmagasabb értéket a légszárnyon éri el, és a legalacsonyabb értéket a pengeplatformon. Ha azonban Bridgman módszerét alkalmazzuk, a PDAS értéke a penge mentén az ellenkező irányba változik. A DGCC gázhűtéses öntési módszer körülbelül 100 μm-rel csökkenti a PDAS értékét a pengeplatformban a hagyományos sugárzó hűtéshez képest.
A nikkel alapú szuperötvözet irányított megszilárdítása során a dendrit szerkezetét az elsődleges dendrit kartávolság (PDAS) csökkentésével és a megszilárdulási front axiális hőmérsékleti gradiensének növelésével finomítják, hogy javítsák az egyes anyagok működési hőmérsékletét és mechanikai tulajdonságait. kristály pengék. A Bridgman-módszerben a munkadarab és a kemence közötti sugárzó hőátadás erősen korlátozza a formahéj hűtésének hatékonyságát, így csökkenti a hőmérsékleti gradienst, és nem segíti elő a dendrit mikrostruktúra finomodását. Ezért az egykristály minőségének és hozamának javítása érdekében alternatív irányszilárdítási módszereket fejlesztettek ki, mint például a folyékony fémhűtés (LMC), a gázhűtéses öntés (GCC), a lefelé irányuló szilárdítás (DWDS) és a fluidizált szénágyas hűtés. módszer (FCBC).
A fent említett eljárásokban a sugárzásos hűtés mellett főként a konvekciós hűtést alkalmazzák a formahéjfelület hőelvonási hatékonyságának javítására. A folyékony fémhűtés (LMC) és a fluidizált szénágyas hűtés (FCBC) módszereiben a formahéjat hűtőfürdőbe, illetve fluidágyba merítik. A gázhűtéses öntvény (GCC) és a lefelé irányú megszilárdítási (DWDS) módszereknél gázt fecskendeznek be a héj felületébe, hogy lehűtsék az öntvényt, ahogy az a kemence fűtési zónájából kimozdul. Az inert hűtőgázokat használó pengegyártási eljárások folyamatos fejlesztése jól mutatja ezekben a módszerekben rejlő nagy lehetőségeket, hiszen az LMC folyékony fémhűtési módszerhez képest a költség viszonylag alacsony, míg a munkadarab mikroszerkezete javul a Bridgman-módszerhez képest. Konter et al. módszert mutattak be nagy gázturbinák (IGT) lapátok előállítására inert hűtött gázok felhasználásával, míg Wang et al. Ezzel a módszerrel kisméretű repülőgép-turbina-lapátokat gyártottak. Ez elegendő annak bizonyítására, hogy az inert hűtőgáz alkalmazása hatékony módja a hőmérsékleti gradiens hatékony javításának és a dendritszerkezet finomításának. Bár ezek a módszerek hatékonyak, nagyon korlátozottan alkalmazhatók az ipari méretű pengegyártásban, különösen akkor, ha több öntvényt helyeznek el egyidejűleg összetett szerszámházakban.
A sok komponensből álló összetett héj használata nagyon bonyolulttá teheti a hőpajzs illesztését a héj külső profiljához. Emiatt a gáz felfelé áramolhat az alkatrészek között, ami nem kedvez a kemence belsejében lévő fűtőkamrában található formahéj hűtésének. A fúvóka lefelé, a vízhűtéses gyűrű irányába történő áthelyezése viszont csökkentheti az inert gázáramnak az öntvény paszta tartományának megszilárdulására gyakorolt hőhatását. A publikált tanulmány elemzése azt mutatja, hogy a hűtőgázokat alkalmazó irányított szilárdítási módszerek nagy potenciállal rendelkeznek. Jelenleg azonban nincs információ ennek a módszernek a több komponensből álló, összetett kerámia szerszámgyártó pengék esetében történő alkalmazásáról. Ezért Sikovok megpróbált kifejleszteni egy ipari méretű irányított szilárdítási technológiát nikkel alapú szuperötvözet turbinalapátokhoz inert gázhűtő formahéjak felhasználásával, az úgynevezett Developed Gas Cooling Casting (DGCC) fejlett gázhűtéses öntési módszert. Ebben a vizsgálatban a formahéjat úgy hűtötték le, hogy a hőpajzs alatt elhelyezett több fúvókából szuperszonikus sebességgel inert gázt fecskendeztek be. A változtatható szögű fúvókák használatával az inert gáz áramlása megfelelően irányítható egy összetett alakú, több öntvényből álló héj felületére. A tanulmány megállapította, hogy a gázhűtés növelte a hűtési sebességet és csökkentette a primer dendrit kartávolságot (PDAS) az egykristály penge platformon a Bridgman-módszerben alkalmazott hagyományos sugárzásos hűtéshez képest. Az előzetes eredmények azt mutatják, hogy a DGCC gázhűtéses öntési módszer ipari méretű gyártásban használható kiváló minőségű egykristály szuperötvözet pengék előállítására repülőgép-hajtóművekhez.
A CMSX{0}} nikkel alapú szuperötvözetek próbaöntvényeit szabványos Bridgman és DGCC gázhűtőöntvény segítségével irányítottan szilárdították meg, hogy szimulált pengéket állítsanak elő. Erre a célra a kerámia formahéjak készítésének alapjául kétféle viaszforma komponens készült [1(f) és (g) ábra]. A viaszforma szerelvények egy 250 mm átmérőjű hűtőlemez modellt, egy kiöntőrendszert, egy kiöntőcsészét, nyolc szimulált pengét, valamint kristályszedőket és emelőket tartalmaznak.
A késeket az 1(f) ábra szerint kell elhelyezni. A komponenseket ezután kerámia szuszpenzióba merítik, majd az alumínium-oxid részecskéket fluidágyba szórják, hogy kialakítsák a formahéj első bevonatát. A második rétegben mullitot használtak. A fenti két lépést megismételtük, hogy összesen kilenc réteget kapjunk, amelyek átlagos vastagsága körülbelül 7 mm volt a héjfal esetében [1(g) ábra].
A viaszforma a formahéj belsejéből kiolvad, amit ezután 800 Celsius fokra előmelegítenek. Szerelje fel az előkészített formahéjat a kemencében lévő hűtőkamra hideg lemezére [1(b) ábra]. Az egykristályos penge irányított megszilárdításának első lépése DGCC gázhűtéses öntési módszerrel történt JetCaster vákuum-indukciós olvasztókemencében, és argongázt adagoltunk a formahűtés erősítésére. A kemence egy fűtő- és hűtőkamrából, egy meghatározott sebességű formahéj-lehúzó rendszerből áll, és olyan rendszerrel van felszerelve, amely inert gázokat tud a hűtőkamrába áramolni [1(a)-c) ábra]. A héjat a hűtőlemezre szerelik és a kemence belsejében lévő fűtőkamrába helyezik, amelyet 125 kW teljesítményű duplazónás indukciós fűtőberendezéssel 1520 Celsius fokra előmelegítenek. A felhevített formát ezután megtöltik azonos hőmérsékletű CMSX-4 olvadt nikkel alapú szuperötvözettel, és különböző sebességgel szívják ki a kemence fűtőzónájából a hűtőzónába. A kihúzási sebesség 3 mm/perc az indító és választó tartományban, és 12 mm/perc a lapát tartományban [1(k) ábra]. A folyamatos zónában (az elválasztótól a pengéhez vezető átmeneti zóna) a kihúzási sebesség fokozatosan növekszik.
