Pemadatan terarah bilah kristal tunggal dalam kondisi industri menggunakan metode pengecoran berpendingin udara yang dikembangkan
Dalam tulisan ini, pengaruh pendinginan gas pada penyempurnaan struktur mikro bilah kristal tunggal yang dihasilkan oleh proses pengecoran pendingin gas DGCC dipelajari. Jarak lengan dendrit primer (PDAS) mencapai nilai tertinggi pada airfoil dan nilai terendah pada platform sudu. Namun, ketika metode Bridgman digunakan, nilai PDAS berubah sepanjang sudu dengan arah yang berlawanan. Metode pengecoran pendingin gas DGCC menghasilkan pengurangan nilai PDAS sekitar 100 μm pada platform blade dibandingkan dengan pendinginan radiasi konvensional.
Dalam proses pemadatan terarah superalloy berbasis nikel, struktur dendrit disempurnakan dengan mengurangi jarak lengan dendrit primer (PDAS) dan meningkatkan gradien suhu aksial pada bagian depan pemadatan, sehingga dapat meningkatkan suhu operasi dan sifat mekanik tunggal. bilah kristal. Dalam metode Bridgman, perpindahan panas radiasi antara benda kerja dan tungku sangat membatasi efektivitas pendinginan cangkang cetakan, sehingga mengurangi gradien suhu dan tidak kondusif untuk penyempurnaan struktur mikro dendrit. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kualitas kristal tunggal dan hasil proses, metode alternatif solidifikasi terarah telah dikembangkan, seperti pendinginan logam cair (LMC), pengecoran pendingin gas (GCC), solidifikasi terarah ke bawah (DWDS) dan pendinginan lapisan karbon terfluidisasi. metode (FCBC).
Dalam metode yang disebutkan di atas, selain pendinginan radiasi, pendinginan konveksi terutama digunakan untuk meningkatkan efisiensi ekstraksi panas pada permukaan cangkang cetakan. Dalam metode pendinginan logam cair (LMC) dan pendinginan lapisan karbon terfluidisasi (FCBC), cangkang cetakan masing-masing direndam dalam bak pendingin dan lapisan terfluidisasi. Dalam metode pengecoran berpendingin gas (GCC) dan metode solidifikasi terarah ke bawah (DWDS), gas disuntikkan ke permukaan cangkang untuk mendinginkan pengecoran saat bergerak dari zona pemanasan tungku. Perkembangan berkelanjutan dari metode produksi bilah dengan menggunakan gas pendingin inert menunjukkan potensi besar dari metode ini, karena biayanya relatif rendah dibandingkan dengan metode pendinginan logam cair LMC, sedangkan struktur mikro benda kerja lebih baik dibandingkan dengan metode Bridgman. Konter dkk. mendemonstrasikan metode pembuatan bilah turbin gas besar (IGT) menggunakan gas berpendingin inert, sementara Wang dkk. menggunakan metode ini untuk menghasilkan bilah turbin penerbangan kecil. Hal ini cukup untuk membuktikan bahwa penggunaan gas pendingin inert merupakan cara yang efektif untuk secara efektif meningkatkan gradien suhu dan menyempurnakan struktur dendrit. Meskipun metode ini efektif, penerapannya mungkin sangat terbatas dalam pembuatan pisau pada skala industri, terutama ketika beberapa cetakan ditempatkan secara bersamaan dalam selubung cetakan yang kompleks.
Menggunakan cangkang yang kompleks dengan banyak komponen dapat membuat pencocokan pelindung panas dengan profil luar cangkang menjadi sangat rumit. Hal ini menyebabkan gas berpotensi mengalir ke atas antar komponen, sehingga tidak kondusif untuk mendinginkan cangkang cetakan yang terletak di ruang pemanas di dalam tungku. Pada gilirannya, memposisikan ulang nosel ke bawah menuju cincin berpendingin air dapat mengurangi efek termal aliran gas inert pada pemadatan daerah pasta pengecoran. Analisis makalah yang dipublikasikan menunjukkan bahwa metode solidifikasi terarah menggunakan gas pendingin memiliki potensi tinggi. Namun, saat ini belum ada informasi mengenai penerapan metode ini pada bilah produksi cetakan keramik kompleks dengan banyak komponen. Oleh karena itu, Sikovok berusaha mengembangkan teknologi pemadatan terarah skala industri untuk bilah turbin superalloy berbasis nikel menggunakan cangkang cetakan Pendingin Gas inert, yang disebut metode pengecoran pendingin gas canggih Developed Gas Cooling Casting (DGCC). Dalam penelitian ini, cangkang cetakan didinginkan dengan menyuntikkan gas inert dengan kecepatan supersonik dari beberapa nozel yang terletak di bawah pelindung panas. Penggunaan nozel Sudut variabel dapat mengarahkan aliran gas inert dengan tepat ke permukaan cangkang berbentuk kompleks dengan banyak coran. Studi tersebut menemukan bahwa penggunaan pendingin gas membantu meningkatkan laju pendinginan dan mengurangi jarak lengan dendrit primer (PDAS) pada platform bilah kristal tunggal dibandingkan dengan pendinginan radiasi konvensional dalam metode Bridgman. Hasil awal menunjukkan bahwa metode pengecoran pendingin gas DGCC dapat digunakan dalam produksi skala industri untuk menghasilkan bilah superalloy kristal tunggal berkualitas tinggi untuk mesin aero.
Pengecoran uji superalloy berbasis nikel CMSX-4 dipadatkan secara terarah menggunakan pengecoran pendingin gas Bridgman dan DGCC standar untuk menghasilkan bilah simulasi. Untuk itu dibuatlah dua macam komponen cetakan lilin sebagai bahan dasar pembuatan cangkang cetakan keramik [Gambar 1(f) dan (g)]. Rakitan cetakan lilin mencakup model pelat pendingin berdiameter 250 mm, sistem penuangan, cangkir penuangan, delapan bilah simulasi, serta pemetik dan pengangkat kristal.
Bilahnya ditempatkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (f). Komponen tersebut kemudian direndam dalam bubur keramik, diikuti dengan partikel alumina yang ditaburkan dalam unggun terfluidisasi untuk membentuk lapisan pertama cangkang cetakan. Mullite digunakan pada lapisan kedua. Dua langkah di atas diulangi hingga diperoleh total sembilan lapisan, dengan ketebalan rata-rata sekitar 7 mm untuk dinding cangkang [Gambar 1(g)].
Cetakan lilin dicairkan dari bagian dalam cangkang cetakan, yang kemudian dipanaskan terlebih dahulu hingga suhu 800 derajat Celcius. Pasang cangkang cetakan yang telah disiapkan pada pelat dingin ruang pendingin di tungku [Gambar 1(b)]. Langkah pertama pemadatan terarah bilah kristal tunggal dilakukan dengan metode pengecoran pendingin gas DGCC dalam tungku peleburan induksi vakum JetCaster, dan ditambahkan gas argon untuk memperkuat pendinginan cetakan. Tungku terdiri dari ruang pemanas dan pendingin, sistem penarik cangkang cetakan dengan kecepatan tertentu, dan dilengkapi dengan sistem yang dapat mengalirkan gas inert ke dalam ruang pendingin [Gambar 1(a) sampai (c)]. Cangkang dipasang pada pelat pendingin dan dipindahkan ke ruang pemanas di dalam tungku, yang dipanaskan terlebih dahulu hingga 1520 derajat Celcius menggunakan pemanas induksi zona ganda dengan daya 125kw. Cetakan yang dipanaskan kemudian diisi dengan superalloy berbahan dasar nikel cair CMSX-4 dengan suhu yang sama dan ditarik dengan laju berbeda dari zona pemanasan tungku ke zona pendinginan. Kecepatan penarikan adalah 3 mm/menit di daerah starter dan selektor, dan 12 mm/menit di daerah blade [Gambar 1(k)]. Di zona kontinu (zona transisi dari separator ke blade), kecepatan penarikan meningkat secara bertahap.
