انجماد جهتی تیغه های تک کریستال در شرایط صنعتی با استفاده از روش ریخته گری توسعه یافته با هوا خنک
در این مقاله، اثر خنکسازی گاز بر پالایش ریزساختار تیغههای تک کریستالی تولید شده توسط فرآیند ریختهگری خنککننده گاز DGCC مورد بررسی قرار گرفت. فاصله بازوی دندریت اولیه (PDAS) به بالاترین مقدار در ایرفویل و کمترین مقدار در سکوی تیغه می رسد. با این حال، هنگامی که از روش بریگمن استفاده می شود، مقدار PDAS در طول تیغه در جهت مخالف تغییر می کند. روش ریخته گری خنک کننده گاز DGCC منجر به کاهش حدود 100 میکرومتر در مقدار PDAS در پلت فرم تیغه در مقایسه با خنک کننده تابشی معمولی می شود.
در فرآیند انجماد جهت سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل، ساختار دندریت با کاهش فاصله بازوی دندریت اولیه (PDAS) و افزایش گرادیان دمای محوری در جبهه انجماد، تصفیه میشود تا دمای عملیاتی و خواص مکانیکی تک را بهبود بخشد. تیغه های کریستالی در روش بریگمن، انتقال حرارت تابشی بین قطعه کار و کوره به شدت کارایی خنکسازی پوسته قالب را محدود میکند، بنابراین گرادیان دما را کاهش میدهد و برای پالایش ریزساختار دندریت مفید نیست. بنابراین، به منظور بهبود کیفیت تک کریستال و بازده فرآیند، روشهای جایگزین انجماد جهتدار، مانند خنکسازی فلز مایع (LMC)، ریختهگری خنککننده گاز (GCC)، انجماد جهت رو به پایین (DWDS) و خنکسازی بستر کربن سیال ایجاد شدهاند. روش (FCBC).
در روش های ذکر شده در بالا، علاوه بر خنک سازی تابشی، خنک کننده همرفت عمدتاً برای بهبود راندمان استخراج حرارتی سطح پوسته قالب استفاده می شود. در روش خنکسازی فلز مایع (LMC) و خنکسازی بستر کربن سیال (FCBC)، پوسته قالب به ترتیب در یک حمام خنککننده و یک بستر سیال غوطهور میشود. در روشهای ریختهگری گاز خنک (GCC) و انجماد جهتدار رو به پایین (DWDS)، گاز به سطح پوسته تزریق میشود تا ریختهگری در حین حرکت از ناحیه گرمایش کوره خنک شود. توسعه مداوم روشهای تولید تیغه با استفاده از گازهای خنککننده بیاثر، پتانسیل بالای این روشها را نشان میدهد، زیرا هزینه آن در مقایسه با روش خنکسازی فلز مایع LMC نسبتاً کم است، در حالی که ریزساختار قطعه کار در مقایسه با روش بریگمن بهبود یافته است. کنتر و همکاران روشی را برای ساخت پرههای توربین گازی بزرگ (IGT) با استفاده از گازهای خنکشده بیاثر نشان دادند، در حالی که وانگ و همکارانش. از این روش برای تولید پره های کوچک توربین هوانوردی استفاده کرد. این برای اثبات این نکته کافی است که استفاده از گاز خنک کننده بی اثر روشی موثر برای بهبود مؤثر گرادیان دما و اصلاح ساختار دندریت است. اگرچه این روش ها موثر هستند، اما ممکن است کاربردهای بسیار محدودی در تولید تیغه در مقیاس صنعتی داشته باشند، به ویژه در مواردی که چند ریخته گری به طور همزمان در قالب های پیچیده قرار می گیرند.
استفاده از یک پوسته پیچیده با اجزای زیاد می تواند تطبیق محافظ حرارتی با مشخصات بیرونی پوسته را بسیار پیچیده کند. این باعث می شود که گاز به طور بالقوه بین اجزاء به سمت بالا جریان یابد، که برای خنک کردن پوسته قالب واقع در محفظه گرمایش داخل کوره مناسب نیست. به نوبه خود، تغییر موقعیت نازل به سمت پایین به سمت حلقه خنک شده با آب می تواند اثر حرارتی جریان گاز بی اثر را بر انجماد منطقه خمیر ریخته گری کاهش دهد. تجزیه و تحلیل مقاله منتشر شده نشان می دهد که روش های انجماد جهت دار با استفاده از گازهای خنک کننده پتانسیل بالایی دارند. با این حال، در حال حاضر هیچ اطلاعاتی در مورد کاربرد این روش برای تیغه های تولید قالب سرامیکی پیچیده با اجزای متعدد وجود ندارد. بنابراین، Sikovok تلاش کرد تا یک فناوری انجماد جهتدار در مقیاس صنعتی برای پرههای توربین سوپرآلیاژی مبتنی بر نیکل با استفاده از پوستههای قالب خنککننده گاز بیاثر، به نام روش ریختهگری پیشرفته گاز خنککننده (DGCC) توسعه دهد. در این مطالعه، پوسته قالب با تزریق گاز بی اثر با سرعت مافوق صوت از نازل های متعدد واقع در زیر سپر حرارتی خنک شد. استفاده از نازل های زاویه متغیر می تواند به درستی جریان گاز بی اثر را به سطح یک پوسته پیچیده با ریخته گری های متعدد هدایت کند. این مطالعه نشان داد که استفاده از خنککننده گازی به افزایش سرعت خنکسازی و کاهش فاصله بازوی دندریت اولیه (PDAS) روی پلتفرم تیغهای تک کریستالی در مقایسه با خنککننده تابشی معمولی در روش بریگمن کمک کرد. نتایج اولیه نشان میدهد که روش ریختهگری خنککننده گازی DGCC میتواند در تولید در مقیاس صنعتی برای تولید تیغههای سوپرآلیاژ تک کریستال با کیفیت بالا برای موتورهای هوا استفاده شود.
ریختهگریهای آزمایشی سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل CMSX-4 با استفاده از ریختهگری خنککننده گازی بریجمن و DGCC استاندارد جهت تولید تیغههای شبیهسازی شده جامد شدند. برای این منظور، دو نوع از اجزای قالب مومی به عنوان پایه ای برای ساخت پوسته های قالب سرامیکی ساخته شد [شکل 1(f) و (g)]. مجموعه های قالب مومی شامل مدل صفحه خنک کننده با قطر 250 میلی متر، سیستم ریختن، فنجان ریختن، هشت تیغه شبیه سازی شده و جمع کننده و بالابر کریستال می باشد.
تیغه ها همانطور که در شکل 1 (f) نشان داده شده است قرار می گیرند. سپس اجزاء در یک دوغاب سرامیکی غوطه ور می شوند و به دنبال آن ذرات آلومینا در یک بستر سیال پاشیده می شوند تا اولین پوشش پوسته قالب را تشکیل دهند. در لایه دوم از مولایت استفاده شد. دو مرحله بالا برای به دست آوردن 9 لایه، با ضخامت متوسط حدود 7 میلی متر برای دیواره پوسته تکرار شد [شکل 1(g)].
قالب موم از داخل پوسته قالب ذوب می شود و سپس تا 800 درجه سانتیگراد گرم می شود. پوسته قالب آماده شده را روی صفحه سرد محفظه خنک کننده در کوره نصب کنید [شکل 1(b)]. اولین مرحله انجماد جهتی تیغه تک کریستال به روش ریخته گری خنک کننده گازی DGCC در کوره ذوب القایی خلاء JetCaster انجام شد و گاز آرگون برای تقویت خنک سازی قالب اضافه شد. این کوره از یک محفظه گرمایش و سرمایش، یک سیستم کشش پوسته قالب با سرعت مشخص تشکیل شده است و مجهز به سیستمی است که می تواند گازهای بی اثر را به داخل محفظه خنک کننده جریان دهد [شکل 1(الف) تا (ج)]. پوسته بر روی صفحه خنک کننده نصب می شود و به محفظه گرمایش داخل کوره منتقل می شود که با استفاده از بخاری القایی دو ناحیه ای با توان 125 کیلووات تا دمای 1520 درجه سانتیگراد پیش گرم می شود. سپس قالب گرم شده با سوپرآلیاژ نیکل مذاب CMSX-4 با همان دما پر می شود و با سرعت های مختلف از منطقه گرمایش کوره به منطقه خنک کننده خارج می شود. سرعت خروج 3 میلی متر در دقیقه در ناحیه استارت و انتخابگر و 12 میلی متر در دقیقه در ناحیه تیغه است [شکل 1(k)]. در ناحیه پیوسته (ناحیه انتقال از جداکننده به تیغه)، سرعت برداشت به تدریج افزایش می یابد.
