Flüssigmetall Kühlverfahren

Um das Temperaturgradientenprofil bei der richtungsgesteuerten Erstarrung weiter zu verbessern, entwickelten die Forscher eine Flüssigmetall-Kühlmethode basierend auf dem schnellen Kühlverfahren. Diese Methode verwendet Flüssigmetall zur Kühlung von Gussstücken, d.h., die extrahierten Gussstücke werden in Flüssigmetall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hohem Siedepunkt und niedrigem Schmelzpunkt (im Allgemeinen wird Zinn verwendet) (siehe Abbildung 1(b)) getaucht, um die Kühlwirkung zu erhöhen. Die Flüssigmetall-Kühlmethode kann die Kühlrate der Gussstücke und das Temperaturgradientenprofil der Fest-Flüssig-Grenzfläche bis auf 200 K/cm verbessern und ein stabiles Temperaturgradientenprofil aufrechterhalten, sodass der Kristallisationsprozess stabil bleibt, was zu einer erheblichen Verringerung des Dendritenabstands führt und die Wahrscheinlichkeit verschiedener Erstarrungsfehler reduziert. Die Flüssigmetall-Kühlmethode hat jedoch einige Einschränkungen, wie zum Beispiel: Die für die Methode benötigte Ausrüstung ist komplex und nicht einfach genug in der praktischen Anwendung; Das Kühlmedium Zn ist ein schädliches Element, und wenn das Gussstück in niederschmelzendes Metall wie Zinn getaucht wird, kann leicht Zinnflüssigkeit eindringen und das Gussstück verunreinigen. In den letzten Jahren haben die Menschen den Prozess durch Optimierung der Schalenherstellung verbessert und die Nachteile der Flüssigmetall-Kühlmethode behoben, die mittlerweile in der Produktion von Einkristall-Turbinenschaufeln für Strahltriebwerke und großformatigen Einkristall-Turbinenschaufeln für Bodengasturbinen eingesetzt wird.

Darüber hinaus werden ständig neue Wege zur Erhöhung des Temperaturgradienten erforscht, wie zum Beispiel: Gasgekühlte Guss-Richtfestigungstechnologie, elektromagnetisch begrenzte Form-Richtfestigungstechnologie, Überschlags-Richtfestigung (SDS), Laser-Schnellfestigung (LRM), Fluidbett-Kühlen-Richtfestigungstechnologie, zweidimensionale Richtfestigungstechnologie (zweidirektionale Festigung, BDS), dünnwandige Guss-Richtfestigungstechnologie. Allerdings sind diese neuen Technologien noch unzureichend entwickelt und wurden noch nicht in der Richtfestigung von Gasturbinenschaufeln angewendet.

Flüssigmetall-Spray-Verbesserungskühlverfahren

Um Probleme wie die Kontamination von Gussstücken durch flüssiges Metallkühlmittel und die leichte Bildung von Gussfehlern beim Verfahren der flüssigen Metallkühlung zu überwinden, entwickelte unsere Forschungsgruppe die Technologie der Richtfestigung durch Sprühkühlung mit flüssigem Metall (LMSC) und baute industrielle Richtfestigungsanlagen. Die Designstruktur und das Ziel des LMSC-Richtfestigungsofens sind in Abbildung 2 dargestellt. Die LMSC-Technologie basiert auf der LMC-Technologie, wobei sich der Ansatz von der direkten Tauchung der Schale und des Gussteils in flüssiges Metall zur Sprühkühlung der Schale und des Gussteils mit flüssigem Metall verändert hat. Diese Technologie zeichnet sich durch starke Wärmeabfuhr, gleichmäßige Kühlung und gute Wärmedämmung zwischen der Dämmzone und der Kühlzone aus. Die LMSC-Technologie behält nicht nur die Vorteile der starken Kühlleistung der LMC-Technologie bei, sondern löst auch deren Nachteile. Aufgrund der kontrollierbaren Flussrate des gesprühten flüssigen Metalls und in Kombination mit dem Einstellen der Ausziehgeschwindigkeit können säulenförmige Kristalle oder Einzelkristalle mit guter Struktur und kleinerem Dendritabstand erhalten werden, was die Bildung von Festigungsfehlern in Superalleges reduzieren oder sogar verhindern kann. Die LMSC-Richtfestigungstechnologie ist von großer Bedeutung für die Entwicklung und industrielle Produktion von Superalleges.