Metoda chłodzenia ciekłym metalem

Aby dalej poprawić gradient temperatury w kierunkowej krzepnieniu, badacze opracowali metodę chłodzenia ciekłym metalem opartą na szybkiej metodzie chłodzenia. Ta metoda wykorzystuje ciekły metal do chłodzenia odlewków, czyli wyciągane odlewki są zanurzane w ciekłym metalu o wysokiej przewodności cieplnej, wysokim punkcie wrzenia i niskim punkcie topnienia (w głównym strumieniu stosowany jest Sn) (patrz rysunek 1(b)), aby zwiększyć efekt chłodzenia. Metoda chłodzenia ciekłym metalem może poprawić szybkość chłodzenia odlewków oraz gradient temperatury na granicy stała-ciekła, aż do 200 K/cm, i może utrzymywać stabilny gradient temperatury, dzięki czemu proces krzepnięcia jest stabilny, co pozwala znacząco zmniejszyć odległość między drzewiakami oraz obniżyć prawdopodobieństwo różnych defektów krzepnięcia. Jednakże, metoda chłodzenia ciekłym metalem ma również pewne ograniczenia, takie jak: złożone wyposażenie wymagane przez tę metodę, a także nie wystarczająco proste operacje w praktyce; Środek chłodzący Sn jest szkodliwym elementem, a gdy odlewka jest zanurzana w metalu o niskim punkcie topnienia, jak Sn, ciekły Sn łatwo penetruje i zanieczyszcza odlewki. W ostatnich latach ludzie zoptymalizowali proces z punktu widzenia przygotowywania osłon i poprawili wady metody chłodzenia ciekłym metalem, która została już zastosowana do produkcji łopatek turbin monokryształowych dla silników lotniczych oraz dużych monokryształowych łopatek turbin dla gazownic lądowych.

Ponadto, stale badane są nowe sposoby zwiększania gradientu temperatury, takie jak: technologia gazowego chłodzenia wyrabiania kierunkowego, technologia elektromagnetycznego ograniczonego formowania kierunkowego solidyfikacji, superchłodzenie kierunkowej solidyfikacji (SDS), laserowa szybka solidyfikacja (LRM), technologia chłodzenia w łożu fluidalnym kierunkowej solidyfikacji, technologia dwuwymiarowej kierunkowej solidyfikacji (dwustronna solidyfikacja, BDS), technologia wyrabiania kierunkowego cienkich powłok. Jednakże, te nowe technologie są jeszcze niedojrzałe i nie zostały zastosowane w kierunkowej solidyfikacji łopatek turbin gazowych.

Metoda wzmacnianego chłodzenia przez spryskiwanie metalem ciekłym

Aby przeciwdziałać problemom, takim jak zanieczyszczenie formy cieczą metalem chłodniczym oraz łatwe powstanie defektów w formie spowodowanej metodą chłodzenia cieczą metalem, nasza grupa badawcza opracowała technologię kierunkowego krzepnięcia poprzez spryskiwanie ciekim metalem (LMSC) oraz stworzyła przemysłowe urządzenie do kierunkowego krzepnięcia. Struktura i cel pieca do kierunkowego krzepnięcia LMSC są przedstawione na rysunku 2. Technologia LMSC opiera się na technologii LMC, zmieniając pierwotny sposób bezpośredniego zanurzania obudowy i odlewu w ciekły metal na sposób chłodzenia spryskiwaniem ciekim metalem obudowy i odlewu. Ta technologia ma cechy silnej dyfuzji ciepła, jednolitego chłodzenia oraz dobrych właściwości izolacyjnych między strefą izolacji a strefą chłodzenia. Technologia LMSC nie tylko zachowuje zalety silnego chłodzenia technologii LMC, ale również eliminuje wady tej technologii. Dzięki kontrolowanemu przepływowi spryskiwanego ciekim metalu, połączonemu z dostosowaniem prędkości wycofywania, można uzyskać kolumnarne krystalizatory lub pojedyncze krystaliki o dobrej strukturze i mniejszej odległości między drzewkami krystalicznymi, co może zmniejszyć lub nawet uniknąć powstawania defektów krzepnięcia w superstopach. Technologia kierunkowego krzepnięcia LMSC jest bardzo ważna dla rozwoju i produkcji przemysłowej superstopów.