Насочено втвърдяване на монокристални лопатки при индустриални условия, използвайки разработения метод за леене с въздушно охлаждане
В тази статия е изследван ефектът от газовото охлаждане върху усъвършенстването на микроструктурата на монокристални лопатки, произведени чрез процеса на леене с газово охлаждане DGCC. Разстоянието между основните дендритни рамена (PDAS) достига най-високата стойност на аеродинамичния профил и най-ниската стойност на платформата на лопатката. Въпреки това, когато се използва методът на Бриджман, стойността на PDAS се променя по дължината на острието в обратна посока. Методът за отливане с газово охлаждане DGCC води до намаляване с около 100 μm на стойността на PDAS в платформата на лопатките в сравнение с конвенционалното лъчисто охлаждане.
В процеса на насочено втвърдяване на суперсплав на базата на никел, дендритната структура се усъвършенства чрез намаляване на разстоянието между първичните дендритни рамена (PDAS) и увеличаване на аксиалния температурен градиент на фронта на втвърдяване, така че да се подобрят работната температура и механичните свойства на единичния кристални остриета. При метода на Бриджман лъчистият топлопренос между детайла и пещта силно ограничава ефективността на охлаждането на корпуса на формата, като по този начин намалява температурния градиент и не благоприятства усъвършенстването на дендритната микроструктура. Ето защо, за да се подобри качеството на единичния кристал и добива на процеса, са разработени алтернативни методи за насочено втвърдяване, като охлаждане с течен метал (LMC), леене с газово охлаждане (GCC), насочено надолу втвърдяване (DWDS) и охлаждане с кипящ въглероден слой метод (FCBC).
В гореспоменатите методи, в допълнение към радиационното охлаждане, конвекционното охлаждане се използва главно за подобряване на ефективността на извличане на топлина от повърхността на корпуса на формата. При методите за охлаждане с течен метал (LMC) и охлаждане с кипящ въглероден слой (FCBC), обвивката на матрицата се потапя съответно в охлаждаща баня и кипящ слой. При методите за леене с газово охлаждане (GCC) и насочено надолу втвърдяване (DWDS), газ се инжектира в повърхността на корпуса, за да охлади отливката, докато се движи от зоната на нагряване на пещта. Продължаващото развитие на методите за производство на остриета, използващи инертни охлаждащи газове, показва големия потенциал на тези методи, тъй като цената е относително ниска в сравнение с метода за охлаждане с течен метал LMC, докато микроструктурата на детайла е подобрена в сравнение с метода на Бриджман. Konter и др. демонстрира метод за производство на големи газови турбини (IGT) с помощта на инертни охладени газове, докато Wang et al. използва този метод за производство на лопатки на малки авиационни турбини. Това е достатъчно, за да докаже, че използването на инертен охлаждащ газ е ефективен начин за ефективно подобряване на температурния градиент и усъвършенстване на дендритната структура. Въпреки че тези методи са ефективни, те могат да имат много ограничени приложения в производството на остриета в индустриален мащаб, особено когато множество отливки се поставят едновременно в сложни корпуси на матрици.
Използването на сложна обвивка с много компоненти може да направи съвпадението на топлинния щит с външния профил на обвивката много сложно. Това води до евентуално протичане на газ нагоре между компонентите, което не е благоприятно за охлаждане на корпуса на формата, разположен в нагревателната камера вътре в пещта. На свой ред препозиционирането на дюзата надолу към водоохлаждания пръстен може да намали топлинния ефект на потока инертен газ върху втвърдяването на областта на пастата на отливката. Публикуваният анализ на хартия показва, че методите за насочено втвърдяване, използващи охлаждащи газове, имат висок потенциал. Въпреки това, понастоящем няма информация за приложението на този метод за сложни остриета за производство на керамични форми с множество компоненти. Поради това Sikovok се опита да разработи технология за насочено втвърдяване в промишлен мащаб за турбинни лопатки от суперсплави на основата на никел, използвайки черупки на матрицата с инертно охлаждане с газ, наречена усъвършенстван метод за леене с охлаждане с газ (DGCC). В това изследване обвивката на формата беше охладена чрез инжектиране на инертен газ със свръхзвукова скорост от множество дюзи, разположени под топлинния щит. Използването на дюзи с променлив ъгъл може правилно да насочи потока от инертен газ към повърхността на черупка със сложна форма с множество отливки. Проучването установи, че използването на газово охлаждане е помогнало за увеличаване на скоростта на охлаждане и намаляване на разстоянието между първичните дендритни рамена (PDAS) на платформата с монокристални остриета в сравнение с конвенционалното радиационно охлаждане в метода на Бриджман. Предварителните резултати показват, че методът за леене с газово охлаждане на DGCC може да се използва в промишлено производство за производство на висококачествени лопатки от монокристална суперсплав за авиационни двигатели.
Тестовите отливки на суперсплави на базата на никел CMSX-4 бяха насочено втвърдени с помощта на стандартна отливка с газово охлаждане на Bridgman и DGCC, за да се произведат симулирани остриета. За тази цел бяха направени два вида компоненти на восъчни форми като основа за изработване на черупки на керамични форми [Фигура 1(f) и (g)]. Сглобките на восъчните форми включват модел на охлаждаща плоча с диаметър 250 mm, система за изливане, чаша за изливане, осем симулирани остриета и устройства за събиране и повдигане на кристали.
Остриетата се поставят, както е показано на фигура 1(f). След това компонентите се потапят в керамична суспензия, последвана от частици алуминиев оксид, поръсени в кипящ слой, за да се образува първото покритие на корпуса на формата. Във втория слой е използван мулит. Горните две стъпки бяха повторени, за да се получат общо девет слоя със средна дебелина от около 7 mm за стената на корпуса [Фигура 1(g)].
Восъчната форма се топи от вътрешността на обвивката на формата, която след това се загрява предварително до 800 градуса по Целзий. Монтирайте подготвената обвивка на матрицата върху студената плоча на охладителната камера в пещта [Фигура 1(b)]. Първата стъпка на насочено втвърдяване на монокристална лопатка беше извършена чрез метода за леене с газово охлаждане DGCC във вакуумна индукционна топилна пещ JetCaster и беше добавен газ аргон, за да се засили охлаждането на формата. Пещта се състои от нагревателна и охлаждаща камера, система за издърпване на обвивката на формата със специфична скорост и е оборудвана със система, която може да подава инертни газове в охлаждащата камера [Фигура 1(a) до (c)]. Обвивката се монтира върху охлаждащата плоча и се премества в нагревателната камера вътре в пещта, която е предварително загрята до 1520 градуса по Целзий с помощта на двузонов индукционен нагревател с мощност 125kw. След това нагрятата форма се пълни с CMSX-4 разтопена суперсплав на базата на никел със същата температура и се изтегля с различни скорости от нагревателната зона на пещта към охлаждащата зона. Скоростта на издърпване е 3 mm/min в зоните на стартера и селектора и 12 mm/min в областта на острието [Фигура 1(k)]. В непрекъснатата зона (преходната зона от сепаратора към острието) скоростта на изтегляне постепенно се увеличава.
