Directionele stolling van monokristallijne bladen onder industriële omstandigheden met behulp van de ontwikkelde luchtgekoelde gietmethode
In dit artikel werd het effect van gaskoeling op de verfijning van de microstructuur van monokristallijne bladen, geproduceerd door het DGCC-gietproces met gaskoeling, bestudeerd. De primaire dendrietarmafstand (PDAS) bereikt de hoogste waarde op het vleugelprofiel en de laagste waarde op het bladplatform. Wanneer echter de methode van Bridgman wordt gebruikt, verandert de PDAS-waarde langs het blad in de tegenovergestelde richting. De DGCC-gietmethode met gaskoeling resulteert in een reductie van ongeveer 100 μm in de PDAS-waarde in het bladplatform vergeleken met conventionele stralingskoeling.
In het proces van directionele stolling van op nikkel gebaseerde superlegeringen wordt de dendrietstructuur verfijnd door de afstand tussen de primaire dendrietarmen (PDAS) te verkleinen en de axiale temperatuurgradiënt aan het stollingsfront te vergroten, om de bedrijfstemperatuur en mechanische eigenschappen van enkele te verbeteren. kristallen messen. Bij de Bridgman-methode beperkt de stralingswarmteoverdracht tussen het werkstuk en de oven de effectiviteit van de koeling van de matrijsschaal ernstig, waardoor de temperatuurgradiënt wordt verminderd en dit niet bevorderlijk is voor de verfijning van de dendrietmicrostructuur. Om de kwaliteit van het éénkristal en de procesopbrengst te verbeteren, zijn daarom alternatieve methoden voor gerichte stolling ontwikkeld, zoals koeling met vloeibaar metaal (LMC), gaskoelinggieten (GCC), neerwaarts gerichte stolling (DWDS) en koeling met gefluïdiseerd koolstofbed. methode (FCBC).
Bij de hierboven genoemde methoden wordt, naast stralingskoeling, hoofdzakelijk convectiekoeling gebruikt om de warmte-extractie-efficiëntie van het matrijsschaaloppervlak te verbeteren. Bij koeling met vloeibaar metaal (LMC) en koeling met gefluïdiseerd koolstofbed (FCBC), wordt de vormschaal ondergedompeld in respectievelijk een koelbad en een gefluïdiseerd bed. Bij gasgekoeld gieten (GCC) en neerwaarts gerichte stollingsmethoden (DWDS) wordt gas in het schaaloppervlak geïnjecteerd om het gietstuk af te koelen terwijl het uit de verwarmingszone van de oven beweegt. De voortdurende ontwikkeling van methoden voor de productie van bladen met behulp van inerte koelgassen toont het grote potentieel van deze methoden aan, aangezien de kosten relatief laag zijn in vergelijking met de LMC-koelmethode met vloeibaar metaal, terwijl de microstructuur van het werkstuk is verbeterd in vergelijking met de Bridgman-methode. Konter et al. demonstreerden een methode voor het maken van grote gasturbinebladen (IGT-bladen) met behulp van inerte gekoelde gassen, terwijl Wang et al. gebruikte deze methode om kleine luchtvaartturbinebladen te produceren. Dit is voldoende om te bewijzen dat het gebruik van inert koelgas een effectieve manier is om de temperatuurgradiënt effectief te verbeteren en de dendrietstructuur te verfijnen. Hoewel deze methoden effectief zijn, kunnen ze zeer beperkte toepassingen hebben bij de productie van schoepen op industriële schaal, vooral wanneer meerdere gietstukken tegelijkertijd in complexe matrijsbehuizingen worden geplaatst.
Het gebruik van een complexe schaal met veel componenten kan het afstemmen van het hitteschild op het buitenprofiel van de schaal erg ingewikkeld maken. Dit zorgt ervoor dat gas mogelijk naar boven stroomt tussen de componenten, wat niet bevorderlijk is voor het afkoelen van de matrijsschaal die zich in de verwarmingskamer in de oven bevindt. Op zijn beurt kan het naar beneden verplaatsen van het mondstuk in de richting van de watergekoelde ring het thermische effect van de inerte gasstroom op het stollen van het pastagebied van het gietstuk verminderen. De gepubliceerde papieren analyse laat zien dat gerichte stollingsmethoden met behulp van koelgassen een groot potentieel hebben. Er is momenteel echter geen informatie over de toepassing van deze methode op complexe productiebladen voor keramische matrijzen met meerdere componenten. Daarom probeerde Sikovok een directionele stollingstechnologie op industriële schaal te ontwikkelen voor op nikkel gebaseerde turbinebladen van superlegeringen met behulp van inerte gaskoelingsvormschalen, de zogenaamde Developed Gas Cooling Casting (DGCC) geavanceerde gaskoelingsgietmethode. In dit onderzoek werd de malschaal gekoeld door inert gas met supersonische snelheden te injecteren vanuit meerdere mondstukken onder het hitteschild. Het gebruik van mondstukken met variabele hoek kan de stroom inert gas correct naar het oppervlak van een complex gevormde schaal met meerdere gietstukken leiden. Uit de studie bleek dat het gebruik van gaskoeling hielp de koelsnelheid te verhogen en de primaire dendrietarmafstand (PDAS) op het monokristallijne bladplatform te verkleinen in vergelijking met conventionele stralingskoeling volgens de Bridgman-methode. De voorlopige resultaten laten zien dat de DGCC-gietmethode met gaskoeling kan worden gebruikt bij productie op industriële schaal om hoogwaardige monokristallijne superlegeringsbladen voor vliegtuigmotoren te produceren.
De testgietstukken van CMSX-4 superlegeringen op nikkelbasis werden gericht gestold met behulp van standaard Bridgman- en DGCC-gietstukken met gaskoeling om gesimuleerde bladen te produceren. Voor dit doel zijn twee soorten wasvormonderdelen gemaakt als basis voor het maken van keramische vormschalen [Figuur 1(f) en (g)]. De wasvormconstructies omvatten een koelplaatmodel met een diameter van 250 mm, een schenksysteem, een schenkbeker, acht gesimuleerde messen en kristalplukkers en -heffers.
De bladen worden geplaatst zoals weergegeven in figuur 1(f). De componenten worden vervolgens ondergedompeld in een keramische slurry, gevolgd door aluminiumoxidedeeltjes die in een gefluïdiseerd bed worden gestrooid om de eerste coating van de malschaal te vormen. In de tweede laag is Mulliet gebruikt. De bovenstaande twee stappen werden herhaald om in totaal negen lagen te verkrijgen, met een gemiddelde dikte van ongeveer 7 mm voor de schaalwand [Figuur 1 (g)].
De wasmal smelt vanuit de binnenkant van de malschaal, die vervolgens wordt voorverwarmd tot 800 graden Celsius. Installeer de voorbereide vormschaal op de koude plaat van de koelkamer in de oven [Figuur 1 (b)]. De eerste stap van gerichte stolling van het eenkristalblad werd uitgevoerd door de DGCC-gietmethode met gaskoeling in een JetCaster vacuüm-inductiesmeltoven, en argongas werd toegevoegd om de matrijskoeling te versterken. De oven bestaat uit een verwarmings- en koelkamer, een systeem voor het trekken van de vormschalen met een specifieke snelheid, en is uitgerust met een systeem dat inerte gassen in de koelkamer kan laten stromen [Figuur 1(a) tot (c)]. De schaal wordt op de koelplaat geïnstalleerd en naar de verwarmingskamer in de oven verplaatst, die wordt voorverwarmd tot 1520 graden Celsius met behulp van een inductieverwarmer met dubbele zone met een vermogen van 125 kW. De verwarmde mal wordt vervolgens gevuld met CMSX-4 gesmolten superlegering op nikkelbasis van dezelfde temperatuur en met verschillende snelheden uit de verwarmingszone van de oven naar de koelzone getrokken. De uittreksnelheid is 3 mm/min in de starter- en selectorregio's, en 12 mm/min in de mesregio [Figuur 1(k)]. In de continue zone (de overgangszone van de afscheider naar het blad) neemt de terugtreksnelheid geleidelijk toe.
