Solidificación direccional de álabes monocristalinos en condiciones industriales utilizando el método desarrollado de fundición enfriada por aire.
En este artículo, se estudió el efecto del enfriamiento por gas en el refinamiento de la microestructura de álabes monocristalinos producidos mediante el proceso de fundición con enfriamiento por gas DGCC. El espaciado primario de los brazos dendríticos (PDAS) alcanza el valor más alto en el perfil aerodinámico y el valor más bajo en la plataforma de la pala. Sin embargo, cuando se utiliza el método de Bridgman, el valor de PDAS cambia a lo largo de la pala en la dirección opuesta. El método de fundición por enfriamiento de gas DGCC da como resultado una reducción de aproximadamente 100 μm en el valor de PDAS en la plataforma de la pala en comparación con el enfriamiento radiante convencional.
En el proceso de solidificación direccional de superaleación a base de níquel, la estructura dendrítica se refina disminuyendo el espaciado primario de los brazos dendríticos (PDAS) y aumentando el gradiente de temperatura axial en el frente de solidificación, para mejorar la temperatura de funcionamiento y las propiedades mecánicas de una sola aleación. hojas de cristal. En el método Bridgman, la transferencia de calor radiante entre la pieza de trabajo y el horno limita gravemente la eficacia del enfriamiento de la carcasa del molde, lo que reduce el gradiente de temperatura y no favorece el refinamiento de la microestructura de las dendritas. Por lo tanto, para mejorar la calidad del monocristal y el rendimiento del proceso, se han desarrollado métodos alternativos de solidificación direccional, como el enfriamiento por metal líquido (LMC), la fundición por enfriamiento de gas (GCC), la solidificación direccional descendente (DWDS) y el enfriamiento por lecho de carbón fluidizado. método (FCBC).
En los métodos mencionados anteriormente, además del enfriamiento por radiación, el enfriamiento por convección se utiliza principalmente para mejorar la eficiencia de extracción de calor de la superficie de la carcasa del molde. En los métodos de enfriamiento de metal líquido (LMC) y enfriamiento en lecho de carbón fluidizado (FCBC), la carcasa del molde se sumerge en un baño de enfriamiento y un lecho fluidizado, respectivamente. En los métodos de fundición enfriada por gas (GCC) y solidificación direccional descendente (DWDS), se inyecta gas en la superficie de la carcasa para enfriar la fundición a medida que sale de la zona de calentamiento del horno. El desarrollo continuo de métodos de producción de palas que utilizan gases de enfriamiento inertes muestra el gran potencial de estos métodos, ya que el costo es relativamente bajo en comparación con el método de enfriamiento de metal líquido LMC, mientras que la microestructura de la pieza de trabajo mejora en comparación con el método Bridgman. Konter et al. demostró un método para fabricar grandes palas de turbinas de gas (IGT) utilizando gases inertes enfriados, mientras que Wang et al. utilizó este método para producir pequeñas palas de turbinas de aviación. Esto es suficiente para demostrar que el uso de gas refrigerante inerte es una forma eficaz de mejorar eficazmente el gradiente de temperatura y refinar la estructura de las dendritas. Aunque estos métodos son efectivos, pueden tener aplicaciones muy limitadas en la fabricación de palas a escala industrial, especialmente cuando se colocan múltiples piezas fundidas simultáneamente en carcasas de matrices complejas.
El uso de una carcasa compleja con muchos componentes puede hacer que la adaptación del escudo térmico al perfil exterior de la carcasa sea muy complicada. Esto hace que el gas fluya potencialmente hacia arriba entre los componentes, lo que no favorece el enfriamiento de la carcasa del molde ubicada en la cámara de calentamiento dentro del horno. A su vez, reposicionar la boquilla hacia abajo, hacia el anillo enfriado por agua, puede reducir el efecto térmico del flujo de gas inerte sobre la solidificación de la región de pasta de la pieza fundida. El análisis del artículo publicado muestra que los métodos de solidificación direccional que utilizan gases refrigerantes tienen un alto potencial. Sin embargo, actualmente no hay información sobre la aplicación de este método a palas de producción de moldes cerámicos complejos con múltiples componentes. Por lo tanto, Sikovok intentó desarrollar una tecnología de solidificación direccional a escala industrial para álabes de turbinas de superaleación a base de níquel utilizando carcasas de moldes de enfriamiento de gas inerte, denominada método avanzado de fundición con enfriamiento de gas desarrollado (DGCC). En este estudio, la carcasa del molde se enfrió inyectando gas inerte a velocidades supersónicas desde múltiples boquillas ubicadas debajo del escudo térmico. El uso de boquillas de ángulo variable puede dirigir correctamente el flujo de gas inerte a la superficie de una carcasa de forma compleja con múltiples piezas fundidas. El estudio encontró que el uso de enfriamiento por gas ayudó a aumentar la velocidad de enfriamiento y reducir el espaciado de los brazos dendríticos primarios (PDAS) en la plataforma de cuchillas de cristal único en comparación con el enfriamiento radiativo convencional en el método Bridgman. Los resultados preliminares muestran que el método de fundición con enfriamiento de gas DGCC se puede utilizar en la producción a escala industrial para producir palas de superaleación monocristalina de alta calidad para motores aeronáuticos.
Las piezas fundidas de prueba de superaleaciones a base de níquel CMSX-4 se solidificaron direccionalmente utilizando piezas de fundición con enfriamiento de gas estándar Bridgman y DGCC para producir palas simuladas. Para este propósito, se fabricaron dos tipos de componentes de moldes de cera como base para fabricar moldes de cerámica [Figura 1 (f) y (g)]. Los conjuntos de moldes de cera incluyen un modelo de placa de enfriamiento de 250 mm de diámetro, un sistema de vertido, una taza de vertido, ocho cuchillas simuladas y recogedores y elevadores de cristal.
Las palas se colocan como se muestra en la Figura 1(f). Luego, los componentes se sumergen en una suspensión cerámica, seguido de partículas de alúmina espolvoreadas en un lecho fluidizado para formar el primer recubrimiento de la carcasa del molde. Se utilizó mullita en la segunda capa. Los dos pasos anteriores se repitieron para obtener un total de nueve capas, con un espesor promedio de aproximadamente 7 mm para la pared del armazón [Figura 1(g)].
El molde de cera se derrite desde el interior de la carcasa del molde, que luego se precalienta a 800 grados centígrados. Instale la carcasa del molde preparada en la placa fría de la cámara de enfriamiento del horno [Figura 1(b)]. El primer paso de solidificación direccional de la hoja monocristal se llevó a cabo mediante el método de fundición con enfriamiento de gas DGCC en un horno de fusión por inducción al vacío JetCaster, y se agregó gas argón para fortalecer el enfriamiento del molde. El horno consta de una cámara de calentamiento y enfriamiento, un sistema de extracción de la carcasa del molde con una velocidad específica y está equipado con un sistema que puede hacer fluir gases inertes hacia la cámara de enfriamiento [Figura 1 (a) a (c)]. La carcasa se instala en la placa de enfriamiento y se traslada a la cámara de calentamiento dentro del horno, que se precalienta a 1520 grados Celsius utilizando un calentador de inducción de doble zona con una potencia de 125 kw. Luego, el molde calentado se llena con superaleación a base de níquel fundido CMSX-4 de la misma temperatura y se retira a diferentes velocidades desde la zona de calentamiento del horno a la zona de enfriamiento. La velocidad de extracción es de 3 mm/min en las regiones de arranque y selector, y de 12 mm/min en la región de las cuchillas [Figura 1(k)]. En la zona continua (la zona de transición del separador a la cuchilla), la velocidad de retirada aumenta gradualmente.
