Riktad stelning av enkristallblad under industriella förhållanden med den utvecklade luftkylda gjutmetoden
I denna artikel studerades effekten av gaskylning på mikrostrukturförfining av enkristallblad producerade av DGCC gaskylningsprocessen. Det primära dendritarmavståndet (PDAS) når det högsta värdet på bärytan och det lägsta värdet på bladplattformen. Men när Bridgmans metod används ändras PDAS-värdet längs bladet i motsatt riktning. DGCC-gaskylningsgjutmetoden resulterar i en minskning med cirka 100 μm i PDAS-värdet i bladplattformen jämfört med konventionell strålningskylning.
I processen med riktad stelning av nickelbaserad superlegering förfinas dendritstrukturen genom att minska det primära dendritarmsavståndet (PDAS) och öka den axiella temperaturgradienten vid stelningsfronten, för att förbättra driftstemperaturen och de mekaniska egenskaperna hos en enkel kristallblad. I Bridgman-metoden begränsar strålningsvärmeöverföringen mellan arbetsstycket och ugnen kraftigt effektiviteten av kylning av formskal, vilket minskar temperaturgradienten och bidrar inte till dendritmikrostrukturförfining. Därför, för att förbättra enkristallkvaliteten och processutbytet, har alternativa metoder för riktad stelning utvecklats, såsom flytande metallkylning (LMC), gaskylningsgjutning (GCC), nedåtriktad stelning (DWDS) och kylning av fluidiserad kolbädd metod (FCBC).
I de ovan nämnda metoderna, förutom strålningskylning, används konvektionskylning huvudsakligen för att förbättra värmeextraktionseffektiviteten hos formskalsytan. Vid kylning av flytande metall (LMC) och kylning av fluidiserad kolbädd (FCBC) sänks formskalet ned i ett kylbad respektive en fluidiserad bädd. I metoder för gaskyld gjutning (GCC) och nedåtriktad solidifiering (DWDS) sprutas gas in i skalytan för att kyla gjutgodset när det rör sig från ugnens uppvärmningszon. Den fortsatta utvecklingen av bladtillverkningsmetoder med inerta kylgaser visar på den stora potentialen hos dessa metoder, då kostnaden är relativt låg jämfört med LMC flytande metallkylningsmetoden, samtidigt som arbetsstyckets mikrostruktur förbättras jämfört med Bridgmanmetoden. Konter et al. demonstrerade en metod för att tillverka stora gasturbinblad (IGT) med inerta kylda gaser, medan Wang et al. använde denna metod för att tillverka små flygturbinblad. Detta är tillräckligt för att bevisa att användningen av inert kylgas är ett effektivt sätt att effektivt förbättra temperaturgradienten och förfina dendritstrukturen. Även om dessa metoder är effektiva, kan de ha mycket begränsade tillämpningar vid bladtillverkning i industriell skala, speciellt där flera gjutgods placeras samtidigt i komplexa formhöljen.
Att använda ett komplext skal med många komponenter kan göra matchningen av värmeskölden till skalets yttre profil mycket komplicerad. Detta gör att gas potentiellt strömmar uppåt mellan komponenterna, vilket inte bidrar till att kyla formskalet som finns i värmekammaren inuti ugnen. I sin tur kan ompositionering av munstycket nedåt mot den vattenkylda ringen minska den termiska effekten av det inerta gasflödet på stelningen av gjutgodset. Den publicerade pappersanalysen visar att riktade stelningsmetoder som använder kylgaser har hög potential. Emellertid finns det för närvarande ingen information om tillämpningen av denna metod på komplexa keramiska formproduktionsblad med flera komponenter. Därför försökte Sikovok utveckla en industriell skala riktad stelningsteknik för nickelbaserade turbinblad i superlegeringar med hjälp av inerta gaskylningsformskal, kallad Developed Gas Cooling Casting (DGCC) avancerad gaskylningsgjutmetod. I denna studie kyldes formskalet genom att injicera inert gas vid överljudshastigheter från flera munstycken placerade under värmeskölden. Användningen av munstycken med variabel vinkel kan korrekt rikta flödet av inert gas till ytan av ett komplext skal med flera gjutgods. Studien fann att användningen av gaskylning bidrog till att öka kylningshastigheten och minska det primära dendritarmavståndet (PDAS) på enkristallbladsplattformen jämfört med konventionell strålningskylning i Bridgman-metoden. De preliminära resultaten visar att DGCC gaskylningsgjutningsmetod kan användas i industriell skalaproduktion för att producera högkvalitativa enkristall-superlegeringsblad för flygmotorer.
Testgjutgodset av CMSX-4 nickelbaserade superlegeringar stelnades riktat med hjälp av standard Bridgman och DGCC gaskylningsgjutning för att producera simulerade blad. För detta ändamål tillverkades två typer av vaxformskomponenter som grund för tillverkning av keramiska formskal [Figur 1(f) och (g)]. Vaxformenheterna inkluderar en kylplatta med en diameter på 250 mm, ett hällsystem, en hällkopp, åtta simulerade blad och kristallplockare och lyftare.
Bladen placeras som visas i figur 1(f). Komponenterna nedsänks sedan i en keramisk uppslamning, följt av aluminiumoxidpartiklar som strös i en fluidiserad bädd för att bilda den första beläggningen av formskalet. Mullite användes i det andra lagret. Ovanstående två steg upprepades för att erhålla totalt nio skikt, med en genomsnittlig tjocklek på cirka 7 mm för skalväggen [Figur 1(g)].
Vaxformen smälter från insidan av formskalet som sedan förvärms till 800 grader Celsius. Installera det förberedda formskalet på den kalla plattan i kylkammaren i ugnen [Figur 1(b)]. Det första steget av riktad stelning av enkristallblad utfördes med DGCC gaskylningsgjutningsmetod i JetCaster vakuuminduktionssmältugn, och argongas tillsattes för att stärka formkylningen. Ugnen består av en värme- och kylkammare, ett formskalsdragsystem med en specifik hastighet, och är utrustad med ett system som kan strömma inerta gaser in i kylkammaren [Figur 1(a) till (c)]. Skalet installeras på kylplattan och flyttas till värmekammaren inuti ugnen, som förvärms till 1520 grader Celsius med hjälp av en dubbelzonsinduktionsvärmare med en effekt på 125kw. Den uppvärmda formen fylls sedan med CMSX-4 smält nickelbaserad superlegering med samma temperatur och dras ut med olika hastigheter från ugnens uppvärmningszon till kylzonen. Utdragningshastigheten är 3 mm/min i start- och väljarområdena och 12 mm/min i bladområdet [Figur 1(k)]. I den kontinuerliga zonen (övergångszonen från separatorn till bladet) ökar uttagshastigheten gradvis.
