Усмерено очвршћавање сечива од монокристала у индустријским условима коришћењем развијене методе ливења хлађеним ваздухом
У овом раду је проучаван утицај хлађења гасом на пречишћавање микроструктуре монокристалних лопатица произведених ДГЦЦ поступком ливења гасним хлађењем. Примарни размак кракова дендрита (ПДАС) достиже највећу вредност на аеропрофилу и најнижу вредност на платформи лопатице. Међутим, када се користи Бриџманов метод, вредност ПДАС се мења дуж сечива у супротном смеру. Метода ливења ДГЦЦ гасног хлађења резултира смањењем од око 100 μм вредности ПДАС на платформи лопатица у поређењу са конвенционалним зрачењем.
У процесу усмереног очвршћавања суперлегуре на бази никла, структура дендрита се рафинише смањењем размака примарног дендрита (ПДАС) и повећањем аксијалног температурног градијента на фронту очвршћавања, како би се побољшала радна температура и механичка својства појединачних кристалне оштрице. У Бриџмановом методу, пренос топлоте зрачења између радног предмета и пећи озбиљно ограничава ефикасност хлађења шкољке калупа, чиме се смањује температурни градијент и не доприноси пречишћавању микроструктуре дендрита. Због тога, да би се побољшао квалитет монокристала и принос процеса, развијене су алтернативне методе усмереног очвршћавања, као што су хлађење течним металом (ЛМЦ), ливење гасним хлађењем (ГЦЦ), усмерено очвршћавање према доле (ДВДС) и хлађење флуидизованим слојем угљеника. метода (ФЦБЦ).
У горе наведеним методама, поред хлађења зрачењем, конвекцијско хлађење се углавном користи за побољшање ефикасности екстракције топлоте површине љуске калупа. У методама хлађења течним металом (ЛМЦ) и флуидизованог слоја угљеника (ФЦБЦ), омотач калупа је уроњен у расхладно купатило и флуидизовани слој, респективно. У методама ливења хлађеног гасом (ГЦЦ) и очвршћавања усмереног надоле (ДВДС), гас се убризгава у површину љуске да би охладио одлив док се креће из зоне грејања пећи. Континуирани развој метода производње сечива коришћењем инертних расхладних гасова показује велики потенцијал ових метода, јер је цена релативно ниска у поређењу са ЛМЦ методом хлађења течним металом, док је микроструктура радног комада побољшана у поређењу са Бриџман методом. Контер и др. демонстрирали метод за израду великих лопатица гасне турбине (ИГТ) коришћењем инертних хлађених гасова, док Ванг и сар. користио ову методу за производњу малих лопатица ваздухопловних турбина. Ово је довољно да докаже да је употреба инертног расхладног гаса ефикасан начин да се ефикасно побољша температурни градијент и побољша структура дендрита. Иако су ове методе ефикасне, оне могу имати веома ограничену примену у производњи оштрица у индустријској скали, посебно када се више одливака поставља истовремено у сложена кућишта за калупе.
Коришћење сложеног омотача са много компоненти може учинити усклађивање топлотног штита са спољним профилом шкољке веома компликованим. Ово узрокује да гас потенцијално тече нагоре између компоненти, што није погодно за хлађење омотача калупа који се налази у комори за грејање унутар пећи. Заузврат, померање млазнице надоле према воденом хлађеном прстену може смањити топлотни ефекат тока инертног гаса на очвршћавање пастозне области одливака. Анализа објављеног рада показује да методе усмереног очвршћавања коришћењем расхладних гасова имају велики потенцијал. Међутим, тренутно нема информација о примени ове методе на сложене сечиве за производњу керамичких калупа са више компоненти. Због тога је Сиковок покушао да развије технологију усмереног очвршћавања у индустријској скали за лопатице турбине од суперлегуре на бази никла користећи шкољке калупа за хлађење инертног гаса, названу Девелопед Гас Цоолинг Цастинг (ДГЦЦ) напредна метода ливења гасним хлађењем. У овој студији, омотач калупа је хлађен убризгавањем инертног гаса надзвучним брзинама из више млазница које се налазе испод топлотног штита. Употреба млазница са променљивим углом може правилно усмерити ток инертног гаса на површину шкољке сложеног облика са више одливака. Студија је открила да је употреба гасног хлађења помогла да се повећа брзина хлађења и смањи размак примарног дендрита (ПДАС) на платформи са сечивом од једног кристала у поређењу са конвенционалним радијационим хлађењем у Бриџмановом методу. Прелиминарни резултати показују да се ДГЦЦ метода ливења гасним хлађењем може користити у индустријској производњи за производњу висококвалитетних сечива од монокристалне суперлегуре за авио моторе.
Пробни одливци ЦМСКС-4 суперлегура на бази никла су усмерени учвршћени коришћењем стандардног Бридгман-овог и ДГЦЦ-овог гасног ливења за производњу симулираних сечива. У ту сврху су направљене две врсте компоненти воштаних калупа као основа за израду шкољки керамичких калупа [Слика 1(ф) и (г)]. Склопови калупа за восак укључују модел плоче за хлађење пречника 250 мм, систем за изливање, чашу за изливање, осам симулираних ножева и сакупљаче и подизаче кристала.
Оштрице су постављене као што је приказано на слици 1(ф). Компоненте се затим потапају у керамичку суспензију, а затим честице глинице посипају у флуидизованом слоју да би се формирао први премаз омотача калупа. У другом слоју је коришћен мулит. Горња два корака су поновљена да би се добило укупно девет слојева, са просечном дебљином од око 7 мм за зид шкољке (Слика 1(г)).
Воштани калуп се топи из унутрашњости љуске калупа, који се затим загрева на 800 степени Целзијуса. Уградите припремљену шкољку калупа на хладну плочу расхладне коморе у пећи (Слика 1(б)). Први корак усмереног очвршћавања сечива од монокристала изведен је методом ливења ДГЦЦ гасним хлађењем у ЈетЦастер вакуум индукционој пећи за топљење, а додат је гас аргон да би се ојачало хлађење калупа. Пећ се састоји од коморе за грејање и хлађење, система за извлачење шкољке калупа са одређеном брзином и опремљена је системом који може да струји инертне гасове у расхладну комору [Слика 1(а) до (ц)]. Шкољка се поставља на расхладну плочу и премешта у грејну комору унутар пећи, која се претходно загрева на 1520 степени Целзијуса помоћу двозонског индукционог грејача снаге 125кв. Загрејани калуп се затим пуни ЦМСКС-4 растопљеном суперлегуром на бази никла исте температуре и повлачи различитим брзинама из зоне грејања пећи у зону хлађења. Брзина извлачења је 3 мм/мин у регионима стартера и селектора, и 12 мм/мин у региону сечива [Слика 1(к)]. У континуираној зони (прелазна зона од сепаратора до сечива), брзина повлачења се постепено повећава.
