Metodo di raffreddamento con metallo liquido

Al fine di migliorare ulteriormente il gradiente di temperatura nella solidificazione direzionale, i ricercatori hanno sviluppato un metodo di raffreddamento con metallo liquido basato sul metodo di raffreddamento rapido. Questo metodo utilizza un metallo liquido per raffreddare i colati, ovvero i colati estratti vengono immersi in un metallo liquido con alta conducibilità termica, alto punto di ebollizione e basso punto di fusione (Sn è quello più diffuso) (vedi Figura 1(b)) per aumentare l'effetto di raffreddamento. Il metodo di raffreddamento con metallo liquido può migliorare il tasso di raffreddamento dei colati e il gradiente di temperatura dell'interfaccia solido-liquido, fino a 200 K/cm, e può mantenere un gradiente di temperatura stabile, in modo che il processo di cristallizzazione sia stabile, riducendo significativamente lo spazio tra i dendriti e diminuendo la probabilità di vari tipi di difetti di solidificazione. Tuttavia, il metodo di raffreddamento con metallo liquido ha anche alcune limitazioni, come: l'attrezzatura richiesta dal metodo è complessa e non abbastanza semplice da utilizzare nella pratica; il mezzo di raffreddamento Sn è un elemento nocivo, e quando il colato viene immerso in metalli liquidi a basso punto di fusione come lo Sn, è facile che il liquido Sn penetri e contamini il colato. Negli ultimi anni, le persone hanno ottimizzato il processo dagli aspetti della preparazione della guscio e migliorato i difetti del processo di raffreddamento con metallo liquido, che è stato applicato alla produzione di pale turbine monocrystalliche per motori aeronautici e di grandi dimensioni per turbine a gas terrestri.

Inoltre, vengono continuamente esplorate nuove modalità per aumentare il gradiente di temperatura, come: tecnologia di solidificazione direzionale con fusione a getto di gas raffreddato, tecnologia di solidificazione direzionale con formazione elettromagnetica vincolata, solidificazione direzionale con sovraelleimento (SDS), solidificazione rapida laser (LRM), tecnologia di solidificazione direzionale con raffreddamento in letto fluido, tecnologia di solidificazione direzionale bidimensionale (solidificazione bidirezionale, BDS), tecnologia di solidificazione direzionale per la fusione a guscio sottile. Tuttavia, queste nuove tecnologie non sono ancora mature e non sono state applicate nella solidificazione direzionale delle pale dei motori a gas.

Metodo di raffreddamento migliorato con spruzzatura di metallo liquido

Al fine di superare i problemi come la possibile contaminazione del materiale fuso da parte del raffreddante metallico liquido e la facile formazione di difetti durante il processo di fusione con raffreddamento a metallo liquido, il nostro gruppo di ricerca ha sviluppato la tecnologia di solidificazione direzionale con raffreddamento spray a metallo liquido (LMSC) e ha realizzato attrezzature industriali per la solidificazione direzionale. La struttura progettuale e l'oggetto della fornace di solidificazione direzionale LMSC sono mostrati nella Figura 2. La tecnologia LMSC si basa sulla tecnologia LMC, passando dal metodo originale di immersione diretta della guscio e del materiale fuso nel metallo liquido per il raffreddamento, all'utilizzo del metallo liquido per il raffreddamento spray della guscio e del materiale fuso. La tecnologia presenta le caratteristiche di un'elevata dissipazione termica, un raffreddamento uniforme e una buona isolazione termica tra la zona isolante e la zona di raffreddamento. La tecnologia LMSC non solo conserva i vantaggi di elevata capacità di raffreddamento della tecnologia LMC, ma risolve anche i suoi svantaggi. Grazie al flusso controllabile del metallo liquido spruzzato, combinato con l'adjustment della velocità di estrazione, è possibile ottenere cristalli colonna o singoli cristalli con una buona struttura e uno spazio dendritico più piccolo, riducendo o addirittura evitando la formazione di difetti di solidificazione negli superallegati. La tecnologia di solidificazione direzionale LMSC è molto importante per lo sviluppo e la produzione industriale di superallegati.