Solidificació direccional de fulles de cristall simple en condicions industrials mitjançant el mètode de fosa refrigerat per aire desenvolupat
En aquest article, s'ha estudiat l'efecte del refredament de gas sobre el refinament de la microestructura de les fulles de cristall únic produïdes pel procés de fosa de refrigeració de gas DGCC. L'espaiat de braços de dendrita primari (PDAS) assoleix el valor més alt a la superfície aerodinàmica i el valor més baix a la plataforma de la fulla. Tanmateix, quan s'utilitza el mètode de Bridgman, el valor PDAS canvia al llarg de la fulla en la direcció oposada. El mètode de fosa de refrigeració de gas DGCC dóna com a resultat una reducció d'uns 100 μm del valor PDAS a la plataforma de la fulla en comparació amb la refrigeració radiant convencional.
En el procés de solidificació direccional del superaliatge a base de níquel, l'estructura de la dendrita es perfecciona disminuint l'espaiat del braç de la dendrita primària (PDAS) i augmentant el gradient de temperatura axial al front de solidificació, per tal de millorar la temperatura de funcionament i les propietats mecàniques de l'únic. fulles de cristall. En el mètode Bridgman, la transferència de calor radiant entre la peça de treball i el forn limita severament l'eficàcia del refredament de la closca del motlle, reduint així el gradient de temperatura i no propicia el refinament de la microestructura de la dendrita. Per tant, per tal de millorar la qualitat del cristall únic i el rendiment del procés, s'han desenvolupat mètodes alternatius de solidificació direccional, com ara el refredament de metall líquid (LMC), la fosa per refrigeració per gas (GCC), la solidificació direccional descendent (DWDS) i el refredament del llit de carboni fluiditzat. mètode (FCBC).
En els mètodes esmentats anteriorment, a més de la refrigeració per radiació, la refrigeració per convecció s'utilitza principalment per millorar l'eficiència d'extracció de calor de la superfície de la carcassa del motlle. En els mètodes de refrigeració de metall líquid (LMC) i refrigeració de llit de carboni fluiditzat (FCBC), la carcassa del motlle s'immereix en un bany de refrigeració i un llit fluiditzat, respectivament. En els mètodes de fosa refrigerada per gas (GCC) i solidificació direccional cap avall (DWDS), el gas s'injecta a la superfície de la closca per refredar la fosa a mesura que es mou des de la zona d'escalfament del forn. El desenvolupament continuat de mètodes de producció de fulles amb gasos de refrigeració inerts mostra el gran potencial d'aquests mètodes, ja que el cost és relativament baix en comparació amb el mètode de refrigeració de metall líquid LMC, mentre que la microestructura de la peça es millora en comparació amb el mètode Bridgman. Konter et al. van demostrar un mètode per fer pales grans de turbines de gas (IGT) utilitzant gasos refrigerats inerts, mentre que Wang et al. va utilitzar aquest mètode per produir petites pales de turbines d'aviació. Això és suficient per demostrar que l'ús de gas de refrigeració inert és una manera eficaç de millorar eficaçment el gradient de temperatura i perfeccionar l'estructura de la dendrita. Tot i que aquests mètodes són efectius, poden tenir aplicacions molt limitades en la fabricació de fulles a escala industrial, especialment quan es col·loquen múltiples peces de fosa simultàniament en carcasses de matriu complexes.
L'ús d'una carcassa complexa amb molts components pot complicar molt la combinació de l'escut tèrmic amb el perfil exterior de la carcassa. Això fa que el gas flueixi potencialment cap amunt entre els components, cosa que no afavoreix el refredament de la carcassa del motlle situada a la cambra de calefacció dins del forn. Al seu torn, reposicionar el broquet cap avall cap a l'anell refrigerat per aigua pot reduir l'efecte tèrmic del flux de gas inert sobre la solidificació de la regió de pasta de la fosa. L'anàlisi del document publicat mostra que els mètodes de solidificació direccional que utilitzen gasos de refrigeració tenen un gran potencial. Tanmateix, actualment no hi ha informació sobre l'aplicació d'aquest mètode a fulles complexes de producció de motlles ceràmics amb múltiples components. Per tant, Sikovok va intentar desenvolupar una tecnologia de solidificació direccional a escala industrial per a pales de turbines de superaliatge a base de níquel mitjançant carques de motlle de refrigeració de gas inert, anomenada mètode avançat de fosa de refrigeració de gas desenvolupada (DGCC). En aquest estudi, la carcassa del motlle es va refredar injectant gas inert a velocitats supersòniques des de múltiples broquets situats a sota de l'escut tèrmic. L'ús de broquets d'angle variable pot dirigir correctament el flux de gas inert a la superfície d'una carcassa de forma complexa amb múltiples peces de fosa. L'estudi va trobar que l'ús de refrigeració per gas va ajudar a augmentar la velocitat de refredament i reduir l'espaiat del braç de la dendrita primària (PDAS) a la plataforma de fulla d'un sol cristall en comparació amb el refredament radiatiu convencional del mètode Bridgman. Els resultats preliminars mostren que el mètode de fosa de refrigeració de gas DGCC es pot utilitzar en la producció a escala industrial per produir fulles de superaliatge d'un sol cristall d'alta qualitat per a motors aerodinàmics.
Les peces de fosa de prova de superaliatges basats en níquel CMSX-4 es van solidificar direccionalment mitjançant la fosa estàndard de refrigeració de gas Bridgman i DGCC per produir fulles simulades. Amb aquest propòsit, es van fabricar dos tipus de components de motlle de cera com a base per a la fabricació de closques de motlle de ceràmica [Figura 1 (f) i (g)]. Els conjunts de motlle de cera inclouen un model de placa de refrigeració de 250 mm de diàmetre, un sistema d'abocament, una tassa d'abocament, vuit fulles simulades i recol·lectors i elevadors de cristall.
Les fulles es col·loquen tal com es mostra a la figura 1 (f). A continuació, els components s'immergen en un purín ceràmic, seguit de partícules d'alúmina ruixades en un llit fluiditzat per formar el primer recobriment de la closca del motlle. La mullita es va utilitzar a la segona capa. Els dos passos anteriors es van repetir per obtenir un total de nou capes, amb un gruix mitjà d'uns 7 mm per a la paret de la closca [Figura 1 (g)].
El motlle de cera es fon des de l'interior de la closca del motlle, que després s'escalfa a 800 graus centígrads. Instal·leu la carcassa del motlle preparada a la placa freda de la cambra de refrigeració del forn [Figura 1 (b)]. El primer pas de solidificació direccional de la fulla d'un sol cristall es va dur a terme mitjançant el mètode de fosa per refrigeració de gas DGCC al forn de fusió per inducció al buit JetCaster i es va afegir gas argó per reforçar la refrigeració del motlle. El forn consta d'una cambra d'escalfament i refrigeració, un sistema d'extracció de la carcassa del motlle amb una velocitat específica i està equipat amb un sistema que pot fluir gasos inerts a la cambra de refrigeració [Figura 1 (a) a (c)]. La carcassa s'instal·la a la placa de refrigeració i es trasllada a la cambra de calefacció dins del forn, que s'escalfa prèviament a 1520 graus centígrads mitjançant un escalfador d'inducció de doble zona amb una potència de 125 kW. A continuació, el motlle escalfat s'omple amb superaliatge basat en níquel fos CMSX-4 de la mateixa temperatura i es retira a diferents velocitats des de la zona d'escalfament del forn fins a la zona de refrigeració. La velocitat d'extracció és de 3 mm/min a les regions d'arrencada i selector, i de 12 mm/min a la regió de la fulla [Figura 1 (k)]. A la zona contínua (la zona de transició del separador a la fulla), la velocitat de retirada augmenta gradualment.
