Yksikideterien suunnattu jähmettyminen teollisissa olosuhteissa kehitetyllä ilmajäähdytteisellä valumenetelmällä
Tässä artikkelissa tutkittiin kaasujäähdytyksen vaikutusta DGCC:n kaasujäähdytysvaluprosessilla valmistettujen yksikideterien mikrorakenteen jalostukseen. Ensisijainen dendriittivarsiväli (PDAS) saavuttaa korkeimman arvon kantosiipillä ja alhaisimman arvon terätasolla. Bridgmanin menetelmää käytettäessä PDAS-arvo kuitenkin muuttuu terää pitkin vastakkaiseen suuntaan. DGCC:n kaasujäähdytysvalumenetelmä vähentää PDAS-arvoa noin 100 μm teräalustassa verrattuna perinteiseen säteilyjäähdytykseen.
Nikkelipohjaisen superseoksen suunnatussa jähmettymisprosessissa dendriittirakennetta jalostetaan pienentämällä primäärisen dendriittivarren etäisyyttä (PDAS) ja lisäämällä aksiaalista lämpötilagradienttia jähmettymisrintamalla, jotta yksittäisen aineen käyttölämpötila ja mekaaniset ominaisuudet paranevat. kristalliterät. Bridgman-menetelmässä säteilylämmönsiirto työkappaleen ja uunin välillä rajoittaa voimakkaasti muotin vaipan jäähdytyksen tehokkuutta, mikä vähentää lämpötilagradienttia eikä edistä dendriittimikrorakenteen jalostumista. Siksi yksikidelaadun ja prosessisaannon parantamiseksi on kehitetty vaihtoehtoisia suunnatun kiinteytysmenetelmiä, kuten nestemäisen metallin jäähdytys (LMC), kaasujäähdytysvalu (GCC), alaspäin suuntautuva kiinteytys (DWDS) ja leijukerrosjäähdytys. menetelmällä (FCBC).
Edellä mainituissa menetelmissä käytetään säteilyjäähdytyksen lisäksi pääasiassa konvektiojäähdytystä muotin vaipan pinnan lämmönpoistotehokkuuden parantamiseen. Nestemetallijäähdytys (LMC) ja leijukerrosjäähdytys (FCBC) -menetelmissä muotin kuori upotetaan jäähdytyshauteeseen ja leijupetiin, vastaavasti. Kaasujäähdytteisessä valussa (GCC) ja alaspäin suuntautuvassa kiinteytysmenetelmissä (DWDS) kaasua ruiskutetaan vaipan pintaan valun jäähdyttämiseksi sen liikkuessa uunin kuumennusvyöhykkeeltä. Inerttejä jäähdytyskaasuja käyttävien terävalmistusmenetelmien jatkuva kehittäminen osoittaa näiden menetelmien suuren potentiaalin, sillä kustannukset ovat suhteellisen alhaiset LMC-nestemetallijäähdytysmenetelmään verrattuna, kun taas työkappaleen mikrorakenne on parantunut Bridgman-menetelmään verrattuna. Konter et ai. osoitti menetelmän suurten kaasuturbiinien (IGT) siipien valmistamiseksi käyttämällä inerttejä jäähdytettyjä kaasuja, kun taas Wang et al. käytti tätä menetelmää pienten lentoturbiinien siipien valmistukseen. Tämä riittää osoittamaan, että inertin jäähdytyskaasun käyttö on tehokas tapa parantaa tehokkaasti lämpötilagradienttia ja jalostaa dendriittirakennetta. Vaikka nämä menetelmät ovat tehokkaita, niillä voi olla hyvin rajallisia sovelluksia terien valmistuksessa teollisessa mittakaavassa, erityisesti kun useita valukappaleita sijoitetaan samanaikaisesti monimutkaisiin muottikoteloihin.
Moniosaisen kuoren käyttäminen monista komponenteista voi tehdä lämpösuojan sovittamisesta kuoren ulkoprofiiliin erittäin monimutkaista. Tämä saa kaasua mahdollisesti virtaamaan ylöspäin komponenttien välillä, mikä ei edistä uunin sisällä olevassa kuumennuskammiossa sijaitsevan muottivaipan jäähdyttämistä. Suuttimen sijoittaminen alaspäin kohti vesijäähdytteistä rengasta puolestaan voi vähentää inertin kaasuvirran lämpövaikutusta valun tahna-alueen jähmettymiseen. Julkaistu paperianalyysi osoittaa, että jäähdytyskaasuja käyttävillä suunnatuilla kiinteytysmenetelmillä on suuri potentiaali. Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole tietoa tämän menetelmän soveltamisesta monimutkaisiin keraamisten muottien tuotantoteriin, joissa on useita komponentteja. Siksi Sikovok yritti kehittää teollisen mittakaavan suunnatun jähmettymisteknologian nikkelipohjaisille superseosturbiinien siipille käyttämällä inerttejä kaasujäähdytysmuottikoteloita, nimeltään Developed Gas Cooling Casting (DGCC) kehittynyt kaasujäähdytysvalumenetelmä. Tässä tutkimuksessa muotin kuorta jäähdytettiin ruiskuttamalla inerttiä kaasua yliäänenopeuksilla useista lämpösuojan alapuolella olevista suuttimista. Säädettävän kulman suuttimien käyttö voi ohjata inertin kaasun virtauksen oikein monimutkaisen muotoisen kuoren pinnalle, jossa on useita valuja. Tutkimuksessa havaittiin, että kaasujäähdytyksen käyttö auttoi lisäämään jäähdytysnopeutta ja vähentämään primäärisen dendriittivarren etäisyyttä (PDAS) yksikideteräalustalla verrattuna perinteiseen säteilyjäähdytykseen Bridgman-menetelmässä. Alustavat tulokset osoittavat, että DGCC:n kaasujäähdytysvalumenetelmää voidaan käyttää teollisen mittakaavan tuotannossa korkealaatuisten yksikiteisten superseosterien valmistukseen lentokonemoottoreihin.
CMSX-4-nikkelipohjaisten superseosten testivalut jähmetettiin suuntaisesti käyttämällä tavallista Bridgman- ja DGCC-kaasujäähdytysvalua simuloitujen terien tuottamiseksi. Tätä tarkoitusta varten valmistettiin kahdenlaisia vahamuottikomponentteja keraamisten muottikuorten pohjaksi [Kuva 1(f) ja (g)]. Vahamuottikokoonpanot sisältävät halkaisijaltaan 250 mm:n jäähdytyslevymallin, kaatojärjestelmän, kaatokupin, kahdeksan simuloitua terää sekä kristallinpoimijat ja nostimet.
Terät sijoitetaan kuvan 1(f) mukaisesti. Komponentit upotetaan sitten keraamiseen lietteeseen, minkä jälkeen alumiinioksidihiukkasia sirotellaan leijukerrokseen muodostamaan ensimmäinen pinnoite muotin kuoreen. Toisessa kerroksessa käytettiin mulliittia. Yllä olevat kaksi vaihetta toistettiin, jolloin saatiin yhteensä yhdeksän kerrosta, joiden keskimääräinen paksuus oli noin 7 mm kuoren seinälle [kuvio 1(g)].
Vahamuotti sulaa muotinkuoren sisäpuolelta, joka sitten esilämmitetään 800 celsiusasteeseen. Asenna valmistettu muotin kuori uunin jäähdytyskammion kylmälevyyn [Kuva 1(b)]. Yksikideterän suunnatun jähmettymisen ensimmäinen vaihe suoritettiin DGCC-kaasujäähdytysvalumenetelmällä JetCaster-tyhjiöinduktiosulatusuunissa ja argonkaasua lisättiin vahvistamaan muotin jäähdytystä. Uuni koostuu lämmitys- ja jäähdytyskammiosta, muotin kuoren vetojärjestelmästä tietyllä nopeudella ja on varustettu järjestelmällä, joka voi virrata inerttejä kaasuja jäähdytyskammioon [Kuva 1(a) (c)]. Vaippa asennetaan jäähdytyslevylle ja siirretään uunin sisällä olevaan lämmityskammioon, joka esilämmitetään 1520 celsiusasteeseen kaksivyöhyke-induktiolämmittimellä teholla 125kw. Kuumennettu muotti täytetään sitten sulalla CMSX-4 nikkelipohjaisella superseoksella, jolla on sama lämpötila ja se poistetaan eri nopeuksilla uunin kuumennusvyöhykkeeltä jäähdytysvyöhykkeelle. Ulosvetonopeus on 3 mm/min käynnistimen ja valitsimen alueella ja 12 mm/min terän alueella [Kuva 1(k)]. Jatkuvassa vyöhykkeessä (siirtymäalue erottimesta terälle) poistumisnopeus kasvaa vähitellen.
