Método de resfriamento com metal líquido

Para melhorar ainda mais o gradiente de temperatura na solidificação direcional, os pesquisadores desenvolveram um método de resfriamento com metal líquido baseado no método de resfriamento rápido. Esse método utiliza metal líquido para resfriar peças fundidas, ou seja, as peças extraídas são imersas em metal líquido com alta condutividade térmica, alto ponto de ebulição e baixo ponto de fusão (Sn é usado como principal material) (ver Figura 1(b)) para aumentar o efeito de resfriamento. O método de resfriamento com metal líquido pode melhorar a taxa de resfriamento das peças fundidas e o gradiente de temperatura da interface sólido-líquido, chegando a até 200 K/cm, e pode manter um gradiente de temperatura estável, permitindo que o processo de cristalização seja estável, reduzindo significativamente o espaçamento dendrítico e diminuindo a probabilidade de vários defeitos de solidificação. No entanto, o método de resfriamento com metal líquido também possui algumas limitações, como: o equipamento necessário para o método é complexo e não é simples o suficiente para operação prática; o meio de resfriamento Sn é um elemento nocivo, e quando a peça fundida é imersa em metal de baixo ponto de fusão como Sn, o líquido Sn pode penetrar facilmente e contaminar a peça fundida. Nos últimos anos, as pessoas otimizaram o processo nos aspectos de preparação da casca, melhorando os defeitos do processo de resfriamento com metal líquido, que já foi aplicado à produção de pás de turbinas monocristalinas para motores aeronáuticos e pás de turbinas monocristalinas de grande porte para turbinas a gás terrestres.

Além disso, novas maneiras de aumentar o gradiente de temperatura estão sendo constantemente exploradas, como: Tecnologia de solidificação direcional com refrigeração a gás, tecnologia de solidificação direcional com formação eletromagnética restrita, solidificação direcional com super-resfriamento (SDS), solidificação rápida a laser (LRM), tecnologia de solidificação direcional com resfriamento em leito fluido, tecnologia de solidificação direcional bidimensional (solidificação bidirecional, BDS), tecnologia de solidificação direcional para moldes finos. No entanto, essas novas tecnologias ainda são imaturas e não foram aplicadas na solidificação direcional de pás de turbinas a gás.

Método de resfriamento por spray de metal líquido

Para superar problemas como a contaminação do molde por resfriamento com metal líquido e a fácil formação de defeitos no molde pelo método de resfriamento com metal líquido, nosso grupo de pesquisa desenvolveu a tecnologia de solidificação direcional com resfriamento por spray de metal líquido (LMSC) e desenvolveu equipamentos industriais de solidificação direcional. A estrutura de design e o objetivo do forno de solidificação direcional LMSC estão mostrados na Figura 2. A tecnologia LMSC é baseada na tecnologia LMC, alterando o método original de imersão direta do molde e da peça fundida no metal líquido para o uso de spray de metal líquido para resfriamento do molde e da peça fundida. A tecnologia possui as características de dissipação térmica eficiente, resfriamento uniforme e boa isolamento térmico entre a zona de isolamento e a zona de resfriamento. A tecnologia LMSC não só mantém as vantagens de alta capacidade de resfriamento da tecnologia LMC, mas também resolve as desvantagens da tecnologia LMC. Devido à taxa de fluxo controlável do metal líquido espirado, combinada com o ajuste da taxa de retirada, é possível obter cristais colunares ou cristais únicos com boa estrutura e menor espaçamento dendrítico, o que pode reduzir ou até evitar a formação de defeitos de solidificação em superligas. A tecnologia de solidificação direcional LMSC é muito importante para o desenvolvimento e produção industrial de superligas.