Quá trình hóa rắn theo hướng của các lưỡi đơn tinh thể trong điều kiện công nghiệp bằng phương pháp đúc làm mát bằng không khí đã phát triển
Trong bài báo này, chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc làm mát khí đến quá trình sàng lọc cấu trúc vi mô của các lưỡi đơn tinh thể được tạo ra bởi quá trình đúc làm mát khí DGCC. Khoảng cách nhánh dendrite chính (PDAS) đạt giá trị cao nhất trên cánh máy bay và giá trị thấp nhất trên bệ cánh. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp Bridgman, giá trị PDAS thay đổi dọc theo lưỡi dao theo hướng ngược lại. Phương pháp đúc làm mát bằng khí DGCC giúp giảm khoảng 100 μm giá trị PDAS trong nền cánh quạt so với làm mát bằng bức xạ thông thường.
Trong quá trình hóa rắn định hướng của siêu hợp kim gốc niken, cấu trúc dendrite được tinh chỉnh bằng cách giảm khoảng cách nhánh dendrite chính (PDAS) và tăng độ dốc nhiệt độ dọc trục ở mặt trước hóa rắn, để cải thiện nhiệt độ vận hành và tính chất cơ học của đơn lưỡi pha lê. Trong phương pháp Bridgman, sự truyền nhiệt bức xạ giữa phôi và lò làm hạn chế nghiêm trọng hiệu quả làm mát vỏ khuôn, do đó làm giảm độ dốc nhiệt độ và không có lợi cho việc tinh chế cấu trúc vi mô dendrite. Do đó, để cải thiện chất lượng tinh thể đơn và năng suất quy trình, các phương pháp hóa rắn định hướng thay thế đã được phát triển, chẳng hạn như làm mát kim loại lỏng (LMC), đúc làm mát bằng khí (GCC), hóa rắn theo hướng đi xuống (DWDS) và làm mát tầng sôi bằng carbon phương pháp (FCBC).
Trong các phương pháp nêu trên, ngoài làm mát bằng bức xạ, làm mát đối lưu chủ yếu được sử dụng để nâng cao hiệu suất trích nhiệt của bề mặt vỏ khuôn. Trong phương pháp làm mát kim loại lỏng (LMC) và làm mát tầng sôi (FCBC), vỏ khuôn được ngâm tương ứng trong bể làm mát và tầng sôi. Trong phương pháp đúc làm mát bằng khí (GCC) và phương pháp hóa rắn hướng xuống (DWDS), khí được bơm vào bề mặt vỏ để làm mát vật đúc khi nó di chuyển từ vùng gia nhiệt lò. Sự phát triển liên tục của các phương pháp sản xuất lưỡi dao sử dụng khí làm mát trơ cho thấy tiềm năng to lớn của các phương pháp này, vì giá thành tương đối thấp so với phương pháp làm mát kim loại lỏng LMC, trong khi cấu trúc vi mô của phôi được cải thiện so với phương pháp Bridgman. Konter và cộng sự. đã trình bày một phương pháp chế tạo các cánh tuabin khí lớn (IGT) bằng cách sử dụng khí trơ làm mát, trong khi Wang và cộng sự. đã sử dụng phương pháp này để sản xuất các cánh tuabin hàng không nhỏ. Điều này đủ để chứng minh rằng việc sử dụng khí làm mát trơ là một cách hiệu quả để cải thiện hiệu quả độ dốc nhiệt độ và tinh chỉnh cấu trúc dendrite. Mặc dù các phương pháp này có hiệu quả nhưng chúng có thể có những ứng dụng rất hạn chế trong sản xuất lưỡi dao ở quy mô công nghiệp, đặc biệt khi nhiều vật đúc được đặt đồng thời trong các vỏ khuôn phức tạp.
Việc sử dụng một lớp vỏ phức tạp có nhiều thành phần có thể làm cho việc kết hợp tấm chắn nhiệt với hình dáng bên ngoài của lớp vỏ trở nên rất phức tạp. Điều này làm cho khí có khả năng chảy lên trên giữa các bộ phận, không có lợi cho việc làm mát vỏ khuôn đặt trong buồng gia nhiệt bên trong lò. Ngược lại, việc định vị lại vòi phun hướng xuống phía vòng làm mát bằng nước có thể làm giảm tác động nhiệt của dòng khí trơ lên quá trình đông đặc của vùng dán của vật đúc. Phân tích bài báo được công bố cho thấy các phương pháp hóa rắn định hướng sử dụng khí làm mát có tiềm năng cao. Tuy nhiên, hiện tại chưa có thông tin nào về việc ứng dụng phương pháp này vào sản xuất khuôn gốm phức tạp với nhiều thành phần. Do đó, Sikovok đã cố gắng phát triển công nghệ hóa rắn định hướng quy mô công nghiệp cho các cánh tuabin siêu hợp kim gốc niken sử dụng vỏ khuôn Làm mát bằng khí trơ, được gọi là phương pháp đúc làm mát bằng khí tiên tiến Development Gas Cooling Casting (DGCC). Trong nghiên cứu này, vỏ khuôn được làm mát bằng cách bơm khí trơ với tốc độ siêu âm từ nhiều vòi phun nằm bên dưới tấm chắn nhiệt. Việc sử dụng các vòi phun có Góc thay đổi có thể hướng chính xác luồng khí trơ đến bề mặt của lớp vỏ có hình dạng phức tạp với nhiều vật đúc. Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng làm mát bằng khí giúp tăng tốc độ làm mát và giảm khoảng cách nhánh dendrite chính (PDAS) trên nền tảng lưỡi tinh thể đơn so với làm mát bức xạ thông thường trong phương pháp Bridgman. Kết quả sơ bộ cho thấy phương pháp đúc làm mát khí DGCC có thể được sử dụng trong sản xuất quy mô công nghiệp để chế tạo các cánh siêu hợp kim đơn tinh thể chất lượng cao cho động cơ máy bay.
Vật đúc thử nghiệm siêu hợp kim gốc niken CMSX{0}} được hóa rắn theo hướng bằng cách sử dụng vật đúc làm mát bằng khí Bridgman và DGCC tiêu chuẩn để tạo ra các cánh mô phỏng. Với mục đích này, hai loại thành phần khuôn sáp đã được chế tạo làm cơ sở để chế tạo vỏ khuôn gốm [Hình 1(f) và (g)]. Bộ khuôn sáp bao gồm một mô hình tấm làm mát đường kính 250 mm, một hệ thống rót, một cốc rót, tám lưỡi dao mô phỏng, dụng cụ gắp và nâng pha lê.
Các lưỡi dao được đặt như trong Hình 1(f). Sau đó, các thành phần này được ngâm trong bùn gốm, sau đó được rắc các hạt alumina vào tầng sôi để tạo thành lớp phủ đầu tiên của vỏ khuôn. Mullite được sử dụng trong lớp thứ hai. Hai bước trên được lặp lại để thu được tổng cộng chín lớp sơn, với độ dày trung bình khoảng 7 mm cho thành vỏ [Hình 1(g)].
Khuôn sáp tan chảy từ bên trong vỏ khuôn, sau đó được làm nóng trước ở nhiệt độ 800 độ C. Lắp vỏ khuôn đã chuẩn bị sẵn vào tấm lạnh của buồng làm mát trong lò [Hình 1(b)]. Bước đầu tiên của quá trình hóa rắn định hướng của lưỡi đơn tinh thể được thực hiện bằng phương pháp đúc làm mát bằng khí DGCC trong lò nấu chảy cảm ứng chân không JetCaster và khí argon được thêm vào để tăng cường khả năng làm mát khuôn. Lò bao gồm buồng gia nhiệt và làm mát, hệ thống kéo vỏ khuôn với tốc độ xác định và được trang bị hệ thống có thể dẫn khí trơ vào buồng làm mát [Hình 1(a) đến (c)]. Vỏ được lắp đặt trên tấm làm mát và di chuyển đến buồng gia nhiệt bên trong lò, được làm nóng trước đến 1520 độ C bằng máy sưởi cảm ứng vùng kép có công suất 125kw. Sau đó, khuôn được gia nhiệt được đổ đầy siêu hợp kim gốc niken nóng chảy CMSX-4 có cùng nhiệt độ và được rút ra với tốc độ khác nhau từ vùng gia nhiệt của lò đến vùng làm mát. Tốc độ kéo ra là 3 mm/phút ở vùng khởi động và bộ chọn, và 12 mm/phút ở vùng lưỡi dao [Hình 1(k)]. Trong vùng liên tục (vùng chuyển tiếp từ dải phân cách sang lưỡi dao), tốc độ rút tăng dần.
