Retningsbestemt størkning af enkeltkrystalblade under industrielle forhold ved hjælp af den udviklede luftkølede støbemetode
I dette papir blev effekten af gaskøling på mikrostrukturforfining af enkeltkrystalblade fremstillet ved DGCC gaskølingsstøbeproces undersøgt. Den primære dendritarmafstand (PDAS) når den højeste værdi på bærefladen og den laveste værdi på vingeplatformen. Men når Bridgmans metode bruges, ændres PDAS-værdien langs bladet i den modsatte retning. DGCC gaskølingsstøbemetoden resulterer i en reduktion på omkring 100 μm i PDAS-værdien i vingeplatformen sammenlignet med konventionel strålingskøling.
I processen med retningsbestemt størkning af nikkelbaseret superlegering raffineres dendritstrukturen ved at reducere den primære dendritarmsafstand (PDAS) og øge den aksiale temperaturgradient ved størkningsfronten for at forbedre driftstemperaturen og de mekaniske egenskaber af enkeltstående krystal klinger. I Bridgman-metoden begrænser strålingsvarmeoverførslen mellem emnet og ovnen i høj grad effektiviteten af afkøling af formskal, hvilket reducerer temperaturgradienten og er ikke befordrende for dendritmikrostrukturforfining. For at forbedre enkeltkrystalkvaliteten og procesudbytte er der derfor udviklet alternative metoder til retningsbestemt størkning, såsom flydende metalkøling (LMC), gaskølingsstøbning (GCC), nedadgående retningsbestemt størkning (DWDS) og fluidiseret carbonbed-køling metode (FCBC).
I de ovennævnte metoder, ud over strålingskøling, bruges konvektionskøling hovedsageligt til at forbedre varmeekstraktionseffektiviteten af formskallens overflade. I metoder til afkøling af flydende metal (LMC) og fluidized carbon bed cooling (FCBC) metoder nedsænkes formskallen i henholdsvis et kølebad og en fluid bed. I gaskølet støbning (GCC) og nedadgående retningsbestemt størkning (DWDS) metoder, sprøjtes gas ind i skaloverfladen for at afkøle støbegodset, når det bevæger sig fra ovnens varmezone. Den fortsatte udvikling af vingeproduktionsmetoder ved brug af inerte kølegasser viser det store potentiale i disse metoder, da omkostningerne er relativt lave sammenlignet med LMC flydende metal kølemetoden, mens mikrostrukturen af emnet er forbedret i forhold til Bridgman metoden. Konter et al. demonstrerede en metode til fremstilling af store gasturbinevinger (IGT) ved hjælp af inerte afkølede gasser, mens Wang et al. brugte denne metode til at producere små luftturbinevinger. Dette er nok til at bevise, at brugen af inert kølegas er en effektiv måde til effektivt at forbedre temperaturgradienten og forfine dendritstrukturen. Selvom disse metoder er effektive, kan de have meget begrænsede anvendelser i vingefremstilling i industriel skala, især hvor flere støbeemner placeres samtidigt i komplekse matricehuse.
Brug af en kompleks skal med mange komponenter kan gøre tilpasningen af varmeskjoldet til skallens ydre profil meget kompliceret. Dette får gas til at strømme opad mellem komponenterne, hvilket ikke er befordrende for afkøling af formskallen, der er placeret i varmekammeret inde i ovnen. Til gengæld kan genplacering af dysen nedad mod den vandkølede ring reducere den termiske effekt af den inerte gasstrøm på størkningen af støbningens pastaområde. Den offentliggjorte papiranalyse viser, at retningsbestemte størkningsmetoder ved hjælp af kølegasser har et højt potentiale. Der er dog i øjeblikket ingen information om anvendelsen af denne metode til komplekse keramiske formproduktionsblade med flere komponenter. Derfor forsøgte Sikovok at udvikle en retningsbestemt størkningsteknologi i industriel skala til nikkel-baserede turbineblade i superlegering ved hjælp af inerte gaskølingsformskaller, kaldet Developed Gas Cooling Casting (DGCC) avanceret gaskølingsstøbemetode. I denne undersøgelse blev formskallen afkølet ved at injicere inert gas ved supersoniske hastigheder fra flere dyser placeret under varmeskjoldet. Brugen af dyser med variabel vinkel kan rette strømmen af inert gas korrekt til overfladen af en kompleks formskal med flere støbegods. Undersøgelsen viste, at brugen af gaskøling hjalp med at øge kølehastigheden og reducere den primære dendritarmafstand (PDAS) på enkeltkrystalbladsplatformen sammenlignet med konventionel strålingskøling i Bridgman-metoden. De foreløbige resultater viser, at DGCC-gaskølingsstøbemetoden kan bruges i produktion i industriel skala til fremstilling af højkvalitets enkrystal-superlegeringsblade til flymotorer.
Teststøbningerne af CMSX-4 nikkel-baserede superlegeringer blev retningsbestemt størknet ved brug af standard Bridgman og DGCC gaskølingsstøbning for at producere simulerede vinger. Til dette formål blev der fremstillet to slags voksformkomponenter som grundlag for fremstilling af keramiske formskaller [Figur 1(f) og (g)]. Voksformsamlingerne inkluderer en køleplademodel med en diameter på 250 mm, et hældesystem, en hældekop, otte simulerede blade og krystalplukkere og løftere.
Bladene placeres som vist i figur 1(f). Komponenterne nedsænkes derefter i en keramisk opslæmning, efterfulgt af aluminiumoxidpartikler drysset i et fluidiseret leje for at danne den første belægning af formskallen. Mullite blev brugt i det andet lag. Ovenstående to trin blev gentaget for at opnå i alt ni lag med en gennemsnitlig tykkelse på ca. 7 mm for skalvæggen [Figur 1(g)].
Voksformen smelter fra indersiden af formskallen, som derefter forvarmes til 800 grader Celsius. Installer den forberedte formskal på den kolde plade i kølekammeret i ovnen [Figur 1(b)]. Det første trin af retningsbestemt størkning af enkeltkrystalblad blev udført ved DGCC gaskølingsstøbemetode i JetCaster vakuuminduktionssmelteovn, og argongas blev tilsat for at styrke formafkølingen. Ovnen består af et opvarmnings- og kølekammer, et formskalstræksystem med en bestemt hastighed og er udstyret med et system, der kan strømme inaktive gasser ind i kølekammeret [Figur 1(a) til (c)]. Skallen installeres på kølepladen og flyttes til varmekammeret inde i ovnen, som forvarmes til 1520 grader Celsius ved hjælp af en dobbeltzone induktionsvarmer med en effekt på 125kw. Den opvarmede form fyldes derefter med CMSX-4 smeltet nikkel-baseret superlegering af samme temperatur og trækkes ud med forskellige hastigheder fra ovnens varmezone til kølezonen. Udtrækshastigheden er 3 mm/min i starter- og vælgerområderne og 12 mm/min i klingeområdet [Figur 1(k)]. I den kontinuerlige zone (overgangszonen fra udskilleren til bladet) øges tilbagetrækningshastigheden gradvist.
