Κατευθυντική στερεοποίηση λεπίδων μονοκρυστάλλου υπό βιομηχανικές συνθήκες χρησιμοποιώντας την αναπτυγμένη μέθοδο χύτευσης με ψύξη αέρα
Σε αυτό το άρθρο, μελετήθηκε η επίδραση της ψύξης αερίου στη βελτίωση της μικροδομής των λεπίδων μονοκρυστάλλου που παράγονται από τη διαδικασία χύτευσης ψύξης αερίου DGCC. Η απόσταση του πρωτεύοντος βραχίονα δενδρίτη (PDAS) φτάνει την υψηλότερη τιμή στην αεροτομή και τη χαμηλότερη τιμή στην πλατφόρμα της λεπίδας. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος του Bridgman, η τιμή PDAS αλλάζει κατά μήκος της λεπίδας προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η μέθοδος χύτευσης ψύξης αερίου DGCC έχει ως αποτέλεσμα μια μείωση περίπου 100 μm στην τιμή PDAS στην πλατφόρμα λεπίδων σε σύγκριση με τη συμβατική ψύξη με ακτινοβολία.
Στη διαδικασία κατευθυντικής στερεοποίησης του υπερκράματος με βάση το νικέλιο, η δομή του δενδρίτη βελτιώνεται μειώνοντας την απόσταση του πρωτεύοντος βραχίονα δενδρίτη (PDAS) και αυξάνοντας την αξονική κλίση θερμοκρασίας στο μέτωπο στερεοποίησης, έτσι ώστε να βελτιωθούν η θερμοκρασία λειτουργίας και οι μηχανικές ιδιότητες του απλού κρυσταλλικές λεπίδες. Στη μέθοδο Bridgman, η ακτινοβολούμενη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του τεμαχίου εργασίας και του κλιβάνου περιορίζει σοβαρά την αποτελεσματικότητα της ψύξης του κελύφους του καλουπιού, μειώνοντας έτσι την κλίση θερμοκρασίας και δεν ευνοεί τη βελτίωση της μικροδομής του δενδρίτη. Επομένως, προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα μονοκρυστάλλου και η απόδοση της διεργασίας, έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές μέθοδοι κατευθυντικής στερεοποίησης, όπως ψύξη υγρού μετάλλου (LMC), χύτευση ψύξης αερίου (GCC), κατευθυντική στερεοποίηση προς τα κάτω (DWDS) και ψύξη ρευστοποιημένης κλίνης άνθρακα. μέθοδος (FCBC).
Στις προαναφερθείσες μεθόδους, εκτός από την ψύξη με ακτινοβολία, η ψύξη με συναγωγή χρησιμοποιείται κυρίως για τη βελτίωση της απόδοσης εξαγωγής θερμότητας της επιφάνειας του κελύφους του καλουπιού. Στις μεθόδους ψύξης υγρού μετάλλου (LMC) και ψύξης ρευστοποιημένης κλίνης άνθρακα (FCBC), το κέλυφος του καλουπιού βυθίζεται σε λουτρό ψύξης και σε ρευστοποιημένη κλίνη, αντίστοιχα. Στις μεθόδους χύτευσης με ψύξη αερίου (GCC) και στερεοποίησης με κατεύθυνση προς τα κάτω (DWDS), το αέριο εγχέεται στην επιφάνεια του κελύφους για να ψύξει το χύτευμα καθώς κινείται από τη ζώνη θέρμανσης του κλιβάνου. Η συνεχής ανάπτυξη μεθόδων παραγωγής λεπίδων με χρήση αδρανών αερίων ψύξης δείχνει τις μεγάλες δυνατότητες αυτών των μεθόδων, καθώς το κόστος είναι σχετικά χαμηλό σε σύγκριση με τη μέθοδο ψύξης υγρού μετάλλου LMC, ενώ η μικροδομή του τεμαχίου είναι βελτιωμένη σε σύγκριση με τη μέθοδο Bridgman. Konter et al. επέδειξε μια μέθοδο για την κατασκευή πτερυγίων μεγάλων αεριοστροβίλων (IGT) χρησιμοποιώντας αδρανή ψυχόμενα αέρια, ενώ οι Wang et al. χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για την παραγωγή μικρών πτερυγίων στροβίλων αεροσκαφών. Αυτό είναι αρκετό για να αποδείξει ότι η χρήση αδρανούς αερίου ψύξης είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για την αποτελεσματική βελτίωση της βαθμίδας θερμοκρασίας και τη βελτίωση της δομής του δενδρίτη. Αν και αυτές οι μέθοδοι είναι αποτελεσματικές, μπορεί να έχουν πολύ περιορισμένες εφαρμογές στην κατασκευή λεπίδων σε βιομηχανική κλίμακα, ειδικά όταν πολλαπλές χυτές τοποθετούνται ταυτόχρονα σε σύνθετα περιβλήματα μήτρας.
Η χρήση ενός σύνθετου κελύφους με πολλά εξαρτήματα μπορεί να κάνει την αντιστοίχιση της θερμικής ασπίδας με το εξωτερικό προφίλ του κελύφους πολύ περίπλοκη. Αυτό προκαλεί τη δυνητική ροή αερίου προς τα πάνω μεταξύ των εξαρτημάτων, κάτι που δεν ευνοεί την ψύξη του κελύφους του καλουπιού που βρίσκεται στον θάλαμο θέρμανσης μέσα στον κλίβανο. Με τη σειρά του, η επανατοποθέτηση του ακροφυσίου προς τα κάτω προς τον υδρόψυκτο δακτύλιο μπορεί να μειώσει τη θερμική επίδραση της ροής αδρανούς αερίου στη στερεοποίηση της περιοχής πάστας της χύτευσης. Η δημοσιευμένη ανάλυση εγγράφου δείχνει ότι οι μέθοδοι κατευθυντικής στερεοποίησης που χρησιμοποιούν ψυκτικά αέρια έχουν υψηλό δυναμικό. Ωστόσο, προς το παρόν δεν υπάρχουν πληροφορίες σχετικά με την εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε σύνθετες λεπίδες παραγωγής κεραμικών καλουπιών με πολλαπλά εξαρτήματα. Ως εκ τούτου, η Sikovok προσπάθησε να αναπτύξει μια τεχνολογία κατευθυντικής στερεοποίησης σε βιομηχανική κλίμακα για πτερύγια τουρμπίνας υπερκράματος με βάση το νικέλιο χρησιμοποιώντας κελύφη καλουπιού αδρανούς ψύξης αερίου, που ονομάζεται προηγμένη μέθοδος χύτευσης ψύξης αερίου Developed Gas Cooling Casting (DGCC). Σε αυτή τη μελέτη, το κέλυφος του καλουπιού ψύχθηκε με έγχυση αδρανούς αερίου σε υπερηχητικές ταχύτητες από πολλαπλά ακροφύσια που βρίσκονται κάτω από τη θερμική ασπίδα. Η χρήση ακροφυσίων μεταβλητής γωνίας μπορεί να κατευθύνει σωστά τη ροή του αδρανούς αερίου στην επιφάνεια ενός περίπλοκου σχήματος κελύφους με πολλαπλά χυτά. Η μελέτη διαπίστωσε ότι η χρήση ψύξης αερίου βοήθησε στην αύξηση του ρυθμού ψύξης και στη μείωση της απόστασης των βραχιόνων του πρωτεύοντος δενδρίτη (PDAS) στην πλατφόρμα ενός κρυστάλλου σε σύγκριση με τη συμβατική ψύξη με ακτινοβολία στη μέθοδο Bridgman. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η μέθοδος χύτευσης με ψύξη αερίου DGCC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας για την παραγωγή υψηλής ποιότητας λεπίδων μονοκρυστάλλου υπερκράματος για αεροκινητήρες.
Τα δοκιμαστικά χυτά υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο CMSX-4 στερεοποιήθηκαν κατευθυντικά με χρήση τυπικής χύτευσης ψύξης αερίου Bridgman και DGCC για την παραγωγή προσομοιωμένων λεπίδων. Για το σκοπό αυτό, κατασκευάστηκαν δύο είδη εξαρτημάτων καλουπιού κεριού ως βάση για την κατασκευή κεραμικών κελυφών καλουπιού [Εικόνα 1(στ) και (ζ)]. Τα συγκροτήματα καλουπιού κεριού περιλαμβάνουν ένα μοντέλο πλάκας ψύξης διαμέτρου 250 mm, ένα σύστημα έκχυσης, ένα κύπελλο έκχυσης, οκτώ προσομοιωμένες λεπίδες και συλλέκτες και ανυψωτικά κρυστάλλων.
Οι λεπίδες τοποθετούνται όπως φαίνεται στο Σχήμα 1(f). Τα συστατικά στη συνέχεια βυθίζονται σε ένα κεραμικό πολτό, ακολουθούμενα από σωματίδια αλουμίνας πασπαλισμένα σε ρευστοποιημένη κλίνη για να σχηματίσουν την πρώτη επικάλυψη του κελύφους του καλουπιού. Mullite χρησιμοποιήθηκε στη δεύτερη στρώση. Τα παραπάνω δύο βήματα επαναλήφθηκαν για να ληφθούν συνολικά εννέα στρώσεις, με μέσο πάχος περίπου 7 mm για το τοίχωμα του κελύφους [Εικόνα 1(g)].
Το καλούπι κεριού λιώνει από το εσωτερικό του κελύφους του καλουπιού, το οποίο στη συνέχεια προθερμαίνεται στους 800 βαθμούς Κελσίου. Τοποθετήστε το προετοιμασμένο κέλυφος καλουπιού στην ψυχρή πλάκα του θαλάμου ψύξης στον κλίβανο [Εικόνα 1(β)]. Το πρώτο βήμα της κατευθυντικής στερεοποίησης της λεπίδας μονού κρυστάλλου πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο χύτευσης με ψύξη αερίου DGCC στον κλίβανο τήξης επαγωγής κενού JetCaster και προστέθηκε αέριο αργό για την ενίσχυση της ψύξης του καλουπιού. Ο κλίβανος αποτελείται από έναν θάλαμο θέρμανσης και ψύξης, ένα σύστημα έλξης κελύφους καλουπιού με συγκεκριμένη ταχύτητα και είναι εξοπλισμένο με ένα σύστημα που μπορεί να ρέει αδρανή αέρια στον θάλαμο ψύξης [Εικόνα 1(α) έως (γ)]. Το κέλυφος τοποθετείται στην πλάκα ψύξης και μεταφέρεται στον θάλαμο θέρμανσης μέσα στον κλίβανο, ο οποίος προθερμαίνεται στους 1520 βαθμούς Κελσίου χρησιμοποιώντας επαγωγικό θερμαντήρα διπλής ζώνης ισχύος 125 kw. Το θερμαινόμενο καλούπι στη συνέχεια γεμίζεται με CMSX-4 τηγμένο υπερκράμα με βάση το νικέλιο της ίδιας θερμοκρασίας και αποσύρεται με διαφορετικούς ρυθμούς από τη ζώνη θέρμανσης του κλιβάνου στη ζώνη ψύξης. Η ταχύτητα εξαγωγής είναι 3 mm/min στην περιοχή της μίζας και του επιλογέα και 12 mm/min στην περιοχή της λεπίδας [Εικόνα 1(k)]. Στη συνεχή ζώνη (η ζώνη μετάβασης από τον διαχωριστή στη λεπίδα), η ταχύτητα απόσυρσης αυξάνεται σταδιακά.
