התמצקות כיוונית של להבי גביש בודדים בתנאים תעשייתיים בשיטת יציקה מקוררת אוויר שפותחה
במאמר זה, נחקרה ההשפעה של קירור גז על חידוד מיקרו-מבנה של להבי גביש בודדים המיוצרים על ידי תהליך יציקת קירור גז DGCC. מרווח זרועות הדנדריט הראשוני (PDAS) מגיע לערך הגבוה ביותר על ציר האוויר ולערך הנמוך ביותר על פלטפורמת הלהב. עם זאת, כאשר משתמשים בשיטת ברידג'מן, ערך ה-PDAS משתנה לאורך הלהב בכיוון ההפוך. שיטת יציקת קירור הגז DGCC מביאה להפחתה של כ-100 מיקרומטר בערך PDAS בפלטפורמת הלהב בהשוואה לקירור קורן קונבנציונלי.
בתהליך של התמצקות כיוונית של סגסוגת-על מבוססת ניקל, מבנה הדנדריט מתעדן על ידי הקטנת מרווח זרועות הדנדריט הראשוני (PDAS) והגדלת שיפוע הטמפרטורה הצירי בחזית ההתמצקות, כדי לשפר את טמפרטורת הפעולה והתכונות המכניות של יחיד. להבי קריסטל. בשיטת ברידג'מן, העברת החום הקרינה בין חומר העבודה לתנור מגבילה מאוד את האפקטיביות של קירור מעטפת התבנית, ובכך מפחיתה את שיפוע הטמפרטורה ואינה תורמת לעידון המיקרו-מבנה הדנדריטי. לכן, על מנת לשפר את איכות הגביש היחיד ואת תפוקת התהליך, פותחו שיטות חלופיות של מיצוק כיווני, כגון קירור מתכת נוזלית (LMC), יציקת קירור גז (GCC), מיצוק כיווני כלפי מטה (DWDS) וקירור מיטת פחמן נוזלי. שיטה (FCBC).
בשיטות שהוזכרו לעיל, בנוסף לקירור קרינה, קירור הסעה משמש בעיקר לשיפור יעילות מיצוי החום של משטח מעטפת התבנית. בשיטות קירור מתכת נוזלית (LMC) וקירור מיטת פחמן נוזלי (FCBC), מעטפת התבנית טובלת באמבט קירור ובמיטה נוזלית, בהתאמה. בשיטות יציקה מקוררת גז (GCC) ומיצוק כיווני כלפי מטה (DWDS), גז מוזרק למשטח המעטפת כדי לקרר את היציקה כשהיא נעה מאזור החימום של התנור. המשך הפיתוח של שיטות ייצור להבים באמצעות גזי קירור אינרטיים מראה את הפוטנציאל הרב של שיטות אלו, שכן העלות נמוכה יחסית לשיטת קירור המתכת הנוזלית LMC, בעוד שמבנה המיקרו של חלק העבודה משופר בהשוואה לשיטת ברידג'מן. קונטר וחב'. הדגימה שיטה לייצור להבי טורבינת גז גדולים (IGT) באמצעות גזים מקוררים אינרטיים, בעוד Wang et al. השתמש בשיטה זו כדי לייצר להבי טורבינה תעופה קטנים. זה מספיק כדי להוכיח שהשימוש בגז קירור אינרטי הוא דרך יעילה לשפר ביעילות את שיפוע הטמפרטורה ולחדד את מבנה הדנדריט. למרות ששיטות אלו יעילות, עשויות להיות להן יישומים מוגבלים מאוד בייצור להבים בקנה מידה תעשייתי, במיוחד כאשר יציקות מרובות ממוקמות בו-זמנית במארזים מורכבים.
שימוש במעטפת מורכבת עם רכיבים רבים יכול להפוך את ההתאמה של מגן החום לפרופיל החיצוני של המעטפת למסובכת מאוד. זה גורם לגז פוטנציאלי לזרום כלפי מעלה בין רכיבים, דבר שאינו תורם לקירור מעטפת התבנית הממוקמת בתא החימום שבתוך התנור. בתורו, מיקום מחדש של הזרבובית כלפי מטה לכיוון הטבעת המקוררת במים יכול להפחית את ההשפעה התרמית של זרימת הגז האינרטי על התמצקות אזור הדבק של היציקה. ניתוח המאמר שפורסם מראה שלשיטות מיצוק כיווני באמצעות גזי קירור יש פוטנציאל גבוה. עם זאת, אין כיום מידע על יישום שיטה זו להבי ייצור של תבניות קרמיות מורכבות עם מספר רכיבים. לפיכך, סיקובוק ניסה לפתח טכנולוגיית מיצוק כיוונית בקנה מידה תעשייתי עבור להבי טורבינת סגסוגת-על מבוססת ניקל תוך שימוש בקונכיות אינרטיות של גז קירור גז, הנקראת שיטת יציקת קירור גז מתקדמת Developed Gas Cooling Casting (DGCC). במחקר זה, מעטפת העובש קוררה על ידי הזרקת גז אינרטי במהירויות על-קוליות ממספר חרירים הממוקמים מתחת למגן החום. השימוש בחרירי זווית משתנה יכול לכוון נכון את זרימת הגז האינרטי אל פני השטח של מעטפת צורה מורכבת עם יציקות מרובות. המחקר מצא שהשימוש בקירור גז עזר להגביר את קצב הקירור ולהקטין את מרווח זרועות הדנדריט הראשוני (PDAS) על פלטפורמת הלהב הבודד-גביש בהשוואה לקירור קרינתי קונבנציונלי בשיטת ברידג'מן. התוצאות הראשוניות מראות כי ניתן להשתמש בשיטת יציקת קירור גז DGCC בייצור בקנה מידה תעשייתי לייצור להבי סגסוגת-על גביש בודדת באיכות גבוהה למנועי אוויר.
יציקות הניסוי של סגסוגות-על מבוססות ניקל CMSX-4 התמצקו בצורה כיוונית באמצעות יציקת קירור גז סטנדרטית של Bridgman ו-DGCC כדי לייצר להבים מדומים. לצורך כך, יוצרו שני סוגים של רכיבי תבנית שעווה כבסיס להכנת קונכיות קרמיקה [איור 1(ו) ו-(ז)]. מכלולי תבנית השעווה כוללים דגם צלחת קירור בקוטר 250 מ"מ, מערכת מזיגה, כוס מזיגה, שמונה להבים מדומים, וקוטפים ומרימי קריסטל.
הלהבים ממוקמים כפי שמוצג באיור 1(ו). לאחר מכן, הרכיבים טבולים בתרחיץ קרמי, ולאחר מכן מפוזרים חלקיקי אלומינה במיטה נוזלית ליצירת הציפוי הראשון של מעטפת התבנית. בשכבה השנייה נעשה שימוש במולייט. שני השלבים לעיל חזרו על עצמם כדי לקבל סך של תשע שכבות, בעובי ממוצע של כ-7 מ"מ לדופן המעטפת [איור 1(g)].
תבנית השעווה נמסה מהחלק הפנימי של מעטפת התבנית, אשר לאחר מכן מחוממת מראש ל-800 מעלות צלזיוס. התקן את מעטפת התבנית המוכנה על הצלחת הקרה של תא הקירור בכבשן [איור 1(ב)]. השלב הראשון של מיצוק כיווני של להב גביש יחיד בוצע בשיטת יציקת קירור גז DGCC בתנור היתוך אינדוקציה ואקום של JetCaster, וגז ארגון נוסף לחיזוק קירור העובש. התנור מורכב מתא חימום וקירור, מערכת משיכת מעטפת עובש במהירות מסוימת, ומצויד במערכת שיכולה להזרים גזים אינרטיים לתוך תא הקירור [איור 1(א) עד (ג)]. המעטפת מותקנת על לוח הקירור ומועברת לתא החימום שבתוך התנור, אשר מחומם מראש ל-1520 מעלות צלזיוס באמצעות דוד אינדוקציה כפול אזורי בהספק של 125kw. לאחר מכן ממלאים את התבנית המחוממת בסגסוגת-על מבוססת ניקל מותכת CMSX-4 באותה טמפרטורה ונמשכת בקצבים שונים מאזור החימום של הכבשן לאזור הקירור. מהירות המשיכה היא 3 מ"מ לדקה באזורי המתנע והבורר, ו-12 מ"מ לדקה באזור הלהב [איור 1(ק)]. באזור הרציף (אזור המעבר מהמפריד ללהב), מהירות הנסיגה עולה בהדרגה.
