Phương pháp làm mát bằng kim loại lỏng

Để cải thiện thêm gradient nhiệt trong rắn hóa theo hướng, các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp làm mát bằng kim loại lỏng dựa trên phương pháp làm mát nhanh. Phương pháp này sử dụng kim loại lỏng để làm mát phôi đúc, nghĩa là các phôi đúc được lấy ra sẽ được ngâm trong kim loại lỏng có tính dẫn nhiệt cao, điểm sôi cao và điểm nóng chảy thấp (Sn là nguyên liệu chính được sử dụng) (xem Hình 1(b)) nhằm tăng cường hiệu quả làm mát. Phương pháp làm mát bằng kim loại lỏng có thể cải thiện tốc độ làm mát của phôi đúc và gradient nhiệt tại giao diện rắn-lỏng, đạt tới 200 K/cm, đồng thời duy trì một gradient nhiệt ổn định, giúp quá trình tinh thể hóa ổn định, từ đó giảm đáng kể khoảng cách giữa các nhánh tinh thể và giảm xác suất xuất hiện các khuyết tật rắn hóa khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp làm mát bằng kim loại lỏng cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như: thiết bị cần thiết cho phương pháp này phức tạp và không đủ đơn giản trong thực tế khi vận hành; chất làm mát Sn là một yếu tố độc hại, và khi phôi đúc được ngâm trong kim loại nóng chảy thấp như Sn, dung dịch Sn dễ dàng thấm vào và gây ô nhiễm cho phôi đúc. Trong những năm gần đây, con người đã tối ưu hóa quy trình từ các khía cạnh chuẩn bị vỏ ngoài và cải tiến các nhược điểm của quy trình làm mát bằng kim loại lỏng, điều này đã được áp dụng vào sản xuất cánh tua-bin đơn tinh thể cho động cơ hàng không và cánh tua-bin đơn tinh thể cỡ lớn cho tua-bin khí mặt đất.

Ngoài ra, các phương pháp mới để tăng gradient nhiệt độ đang được nghiên cứu liên tục, chẳng hạn như: Công nghệ rắn hóa hướng làm mát bằng khí, công nghệ rắn hóa hướng tạo hình bị ràng buộc điện từ, rắn hóa siêu lạnh, SRD), rắn hóa nhanh bằng tia laser (LRM), công nghệ rắn hóa hướng làm lạnh bằng giường fluidized, công nghệ rắn hóa hai chiều (rắn hóa hai hướng, BDS), công nghệ rắn hóa hướng đúc vỏ mỏng. Tuy nhiên, những công nghệ mới này vẫn còn non trẻ và chưa được áp dụng trong rắn hóa hướng của lưỡi cánh tua-bin khí.

Phương pháp làm mát tăng cường phun kim loại lỏng

Để khắc phục các vấn đề như phôi đúc có thể bị ô nhiễm bởi chất làm mát kim loại lỏng và dễ hình thành khuyết tật trong quá trình đúc bằng phương pháp làm mát kim loại lỏng, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã phát triển công nghệ đông đặc theo chiều sử dụng phun làm mát kim loại lỏng (LMSC) và phát triển thiết bị đông đặc theo chiều công nghiệp. Cấu trúc thiết kế và đối tượng của lò đông đặc theo chiều LMSC được hiển thị trong Hình 2. Công nghệ LMSC dựa trên công nghệ LMC ban đầu từ cách ngâm trực tiếp vỏ và phôi đúc vào chất lỏng kim loại để làm mát, chuyển sang việc sử dụng chất lỏng kim loại để phun làm mát vỏ và phôi đúc. Công nghệ này có đặc điểm tỏa nhiệt mạnh, làm mát đều và cách nhiệt tốt giữa vùng cách nhiệt và vùng làm mát. Công nghệ LMSC không chỉ giữ được ưu điểm về khả năng làm mát mạnh của công nghệ LMC mà còn khắc phục được nhược điểm của công nghệ LMC. Do tốc độ dòng chảy của chất lỏng kim loại được phun là có thể kiểm soát, kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ rút lui, có thể thu được tinh thể cột hoặc tinh thể đơn có cấu trúc tốt và khoảng cách phân nhánh nhỏ hơn, giúp giảm hoặc thậm chí tránh được sự hình thành khuyết tật đông đặc trong hợp kim siêu bền. Công nghệ đông đặc theo chiều LMSC có tầm quan trọng lớn đối với việc phát triển và sản xuất công nghiệp của các hợp kim siêu bền.