التصلب الاتجاهي للشفرات البلورية المفردة في ظل الظروف الصناعية باستخدام طريقة الصب المبردة بالهواء
في هذا البحث، تمت دراسة تأثير تبريد الغاز على تحسين البنية المجهرية للشفرات البلورية المفردة التي تنتجها عملية صب تبريد الغاز بشركة DGCC. يصل تباعد ذراع التشعبات الأساسي (PDAS) إلى أعلى قيمة على الجنيح وأدنى قيمة على منصة الشفرة. ومع ذلك، عند استخدام طريقة بريدجمان، تتغير قيمة PDAS على طول الشفرة في الاتجاه المعاكس. تؤدي طريقة صب تبريد الغاز DGCC إلى انخفاض حوالي 100 ميكرومتر في قيمة PDAS في منصة الشفرة مقارنةً بالتبريد الإشعاعي التقليدي.
في عملية التصلب الاتجاهي للسبائك الفائقة القائمة على النيكل، يتم تحسين هيكل التشعبات عن طريق تقليل تباعد ذراع التشعبات الأساسي (PDAS) وزيادة التدرج في درجة الحرارة المحورية في جبهة التصلب، وذلك لتحسين درجة حرارة التشغيل والخصائص الميكانيكية للفرد. شفرات الكريستال. في طريقة بريدجمان، يحد نقل الحرارة الإشعاعي بين قطعة العمل والفرن بشدة من فعالية تبريد غلاف القالب، وبالتالي يقلل من تدرج درجة الحرارة ولا يؤدي إلى تحسين البنية المجهرية التشعبية. لذلك، من أجل تحسين جودة البلورة الواحدة وإنتاجية العملية، تم تطوير طرق بديلة للتصلب الاتجاهي، مثل تبريد المعدن السائل (LMC)، وصب تبريد الغاز (GCC)، والتصلب الاتجاهي الهبوطي (DWDS) وتبريد طبقة الكربون المميعة. طريقة (FCBC).
في الطرق المذكورة أعلاه، بالإضافة إلى التبريد الإشعاعي، يتم استخدام التبريد الحراري بشكل أساسي لتحسين كفاءة استخلاص الحرارة لسطح غلاف القالب. في طرق تبريد المعدن السائل (LMC) وتبريد طبقة الكربون المميعة (FCBC)، يتم غمر غلاف القالب في حمام تبريد وطبقة مميعة، على التوالي. في طرق الصب المبرد بالغاز (GCC) وطرق التصلب الاتجاهي الهبوطي (DWDS)، يتم حقن الغاز في سطح القشرة لتبريد الصب أثناء انتقاله من منطقة تسخين الفرن. يُظهر التطوير المستمر لطرق إنتاج الشفرات باستخدام غازات التبريد الخاملة الإمكانات الكبيرة لهذه الطرق، حيث أن التكلفة منخفضة نسبيًا مقارنة بطريقة تبريد المعدن السائل LMC، في حين تم تحسين البنية الدقيقة لقطعة الشغل مقارنة بطريقة بريدجمان. كونتر وآخرون. أظهر طريقة لصنع شفرات توربينات الغاز الكبيرة (IGT) باستخدام الغازات المبردة الخاملة، في حين أن وانغ وآخرون. استخدمت هذه الطريقة لإنتاج شفرات توربينات الطيران الصغيرة. وهذا يكفي لإثبات أن استخدام غاز التبريد الخامل هو وسيلة فعالة لتحسين التدرج في درجة الحرارة بشكل فعال وتحسين هيكل التشعبات. على الرغم من أن هذه الأساليب فعالة، فقد يكون لها تطبيقات محدودة جدًا في تصنيع الشفرات على نطاق صناعي، خاصة عندما يتم وضع مصبوبات متعددة في وقت واحد في أغلفة قوالب معقدة.
إن استخدام غلاف معقد يحتوي على العديد من المكونات يمكن أن يجعل مطابقة الدرع الحراري مع المظهر الخارجي للغلاف أمرًا معقدًا للغاية. يؤدي هذا إلى احتمال تدفق الغاز لأعلى بين المكونات، وهو ما لا يساعد على تبريد غلاف القالب الموجود في غرفة التسخين داخل الفرن. وفي المقابل، فإن إعادة وضع الفوهة نحو الأسفل باتجاه الحلقة المبردة بالماء يمكن أن يقلل من التأثير الحراري لتدفق الغاز الخامل على تصلب منطقة المعجون في عملية الصب. يوضح تحليل الورقة المنشورة أن طرق التصلب الاتجاهي باستخدام غازات التبريد لها إمكانات عالية. ومع ذلك، لا توجد حاليًا أي معلومات حول تطبيق هذه الطريقة على شفرات إنتاج قوالب السيراميك المعقدة ذات المكونات المتعددة. لذلك، حاولت شركة Sikovok تطوير تقنية التصلب الاتجاهي على نطاق صناعي لشفرات التوربينات فائقة السبائك القائمة على النيكل باستخدام أغلفة قوالب تبريد الغاز الخامل، والتي تسمى طريقة صب تبريد الغاز المتقدمة (DGCC). في هذه الدراسة، تم تبريد غلاف القالب عن طريق حقن غاز خامل بسرعات تفوق سرعة الصوت من فوهات متعددة تقع أسفل الدرع الحراري. يمكن أن يؤدي استخدام الفوهات ذات الزوايا المتغيرة إلى توجيه تدفق الغاز الخامل بشكل صحيح إلى سطح غلاف ذو شكل معقد مع مصبوبات متعددة. وجدت الدراسة أن استخدام التبريد بالغاز ساعد على زيادة معدل التبريد وتقليل تباعد ذراع التشعبات الأولية (PDAS) على منصة الشفرة البلورية الواحدة مقارنة بالتبريد الإشعاعي التقليدي في طريقة بريدجمان. تظهر النتائج الأولية أنه يمكن استخدام طريقة صب تبريد الغاز في DGCC في الإنتاج على نطاق صناعي لإنتاج شفرات من السبائك الفائقة أحادية الكريستال عالية الجودة للمحركات الهوائية.
تم تصليب المسبوكات الاختبارية للسبائك الفائقة القائمة على النيكل CMSX-4 اتجاهيًا باستخدام صب تبريد الغاز القياسي من Bridgman وDGCC لإنتاج شفرات محاكاة. ولهذا الغرض، تم تصنيع نوعين من مكونات قالب الشمع كأساس لصنع قذائف القالب الخزفي [الشكل 1 (و) و(ز)]. تشتمل مجموعات قوالب الشمع على نموذج لوحة تبريد بقطر 250 مم، ونظام صب، وكوب صب، وثمانية شفرات محاكاة، وأجهزة التقاط ورافعات كريستال.
يتم وضع الشفرات كما هو موضح في الشكل 1 (و). يتم بعد ذلك غمر المكونات في ملاط خزفي، ثم يتم رش جزيئات الألومينا في طبقة مميعة لتشكيل الطبقة الأولى من غلاف القالب. تم استخدام الموليت في الطبقة الثانية. تم تكرار الخطوتين أعلاه للحصول على إجمالي تسع طبقات، بمتوسط سمك حوالي 7 ملم لجدار القشرة [الشكل 1 (ز)].
يذوب قالب الشمع من داخل غلاف القالب، ثم يتم تسخينه مسبقًا إلى 800 درجة مئوية. قم بتثبيت غلاف القالب المُجهز على اللوحة الباردة لغرفة التبريد في الفرن [الشكل 1(ب)]. تم تنفيذ الخطوة الأولى للتصلب الاتجاهي للشفرة البلورية المفردة بواسطة طريقة صب تبريد الغاز DGCC في فرن الصهر بالحث الفراغي JetCaster، وتم إضافة غاز الأرجون لتعزيز تبريد القالب. يتكون الفرن من غرفة تسخين وتبريد، ونظام سحب غلاف القالب بسرعة محددة، ومجهز بنظام يمكنه تدفق الغازات الخاملة إلى غرفة التبريد [الشكل 1 (أ) إلى (ج)]. يتم تركيب الغلاف على لوحة التبريد ونقله إلى غرفة التسخين داخل الفرن، والتي يتم تسخينها إلى 1520 درجة مئوية باستخدام سخان حثي مزدوج المنطقة بقدرة 125 كيلو وات. تتم بعد ذلك تعبئة القالب المسخن بسبائك فائقة من النيكل المنصهر CMSX-4 بنفس درجة الحرارة ويتم سحبها بمعدلات مختلفة من منطقة التسخين بالفرن إلى منطقة التبريد. تبلغ سرعة السحب 3 مم/دقيقة في مناطق البادئ والمحدد، و12 مم/دقيقة في منطقة الشفرة [الشكل 1(ك)]. في المنطقة المستمرة (منطقة الانتقال من الفاصل إلى الشفرة)، تزداد سرعة السحب تدريجيًا.
