تأثير صافي سطح قالب سراميكي ريخته‌گري دقيق بر ريزساختار و خواص مكانيكي پره توربين از جنس آلياژ CMSX-4

The effect of ceramic mold surface smoothness in investment casting on the microstructure and mechanical properties of CMSX-4 alloy turbine blade

پيشرفت شتابان در سيستم‌هاي فناوري نياز به آلياژهايي با خواص ترمومكانيكي و شيميايي به‌شدت بهبود‌يافته به نام سوپرآلياژ را نشان داده است. سوپرآلياژهاي پايه نيكل به دليل مقاومت در برابر شرايط دماي بالا، پركاربردترين مواد فلزي در قسمت‌هايي از پره توربين و محفظه احتراق هستند.. براي توليد سوپرآلياژ CMSX-4 در حالت تك‌كريستال، از قالب سراميكي آلومينايي و سيليكاتي بر اساس ويژگي‎هاي مورد نياز به روش ريخته‎ گري دقيق استفاده شد. قالب سراميكي نقش كليدي در دستيابي به دقت ابعادي و كيفيت ريخته‌گري ايفا مي‌كند. قالب‌هاي سراميكي به دليل بي‌اثر بودن شيميايي و قابليت دماي بالا معمولاً در فرايند ريخته‌گري دقيق به شكل نزديك به اجزاي سوپرآلياژي استفاده مي‌شوند. در فرايند ريخته‌گري دقيق، ابتدا يك الگوي مومي ساخته شد كه در اطراف آن پوشش‌هاي دوغاب و لايه‌دهي مكرر اعمال گرديد. دوغاب از مواد بسيار ريز سراميكي تشكيل شده است. پس از خشك‌شدن دوغاب سراميكي و لايه‌ها، يك قالب سراميكي در اطراف الگوي موم تشكيل شد. پس از خشك‌شدن پوسته سراميكي، موم تخليه شده و پوسته براي استحكام بيشتر در كوره پخت گرديد. سپس عناصر آلياژ داخل پوسته سراميكي قرار داده ‌شد و داخل كوره بريجمن ذوب انجام گرديد و پس از منجمد شدن، پره توربين از جنس آلياژ مورد نظر ساخته شد. پس از جامد شدن، قالب تحت تخليه قرار ‌گرفت كه طي آن به‌وسيله ابزارهاي مكانيكي از قالب خارج گرديد. در نهايت، ريخته‌گري تحت فرايندهاي تكميلي قرار گرفت. در اين پژوهش براي به ‌دست آوردن سطح صاف عالي داخلي قالب، از قالب آلومينايي و قالب سيليكاتي استفاده شد. پس از بررسي نتايج به‎ دست آمده از اين دو نوع قالب و همچنين بررسي آلياژ CMSX-4 ساخته شده، مشخص شد كه قالب آلومينايي صافي سطح بهتر و يكنواخت‌تري را ايجاد كرده و همچنين خواص مكانيكي بهتري را براي پره توربين از جنس آلياژ CMSX-4 را ايجاد كرده است.

The rapid progress in technological systems has shown the need for alloys with greatly improved thermomechanical and chemical properties called superalloys. Nickel-based superalloys are the most widely used metal materials in parts of turbine blades and combustion chambers due to their resistance to high temperature conditions. Nickel-based superalloys are usually produced in single crystal form using Bridgman s nucleation and spiral (grain selector) technique. Nickel-based superalloys are often used in places where high toughness and thermal stability are required, such as airfoils. Superalloy CMSX-4 is used as one of the second generation nickel-based superalloys in the manufacture of single crystal air and ground gas turbine blades. CMSX-4 alloy contains a high content of refractory elements such as tantalum, tungsten and rhenium, which can provide sufficient mechanical properties at high temperature. To produce CMSX-4 superalloy in single crystal state, alumina and silicate ceramic molds were used based on the required characteristics by investment casting method. Ceramic mold plays a key role in achieving dimensional accuracy and casting quality. Because of their chemical inertness and high temperature capability, ceramic molds are commonly used in the investment casting process to closely resemble superalloy components. In the investment casting process, first a wax model was made, around which layers of slurry and layering were applied. The slurry consists of very fine ceramic materials. After the ceramic grout and layers dried, a ceramic mold was formed around the wax pattern. After drying the ceramic shell, the wax was drained and the shell was baked in the oven for more strength. Then the alloy elements were placed inside the ceramic shell and melting was done inside the Bridgman furnace, and after freezing, the turbine blade was made of the desired alloy. After solidification, the mold was subjected to evacuation, during which it was removed from the mold by means of mechanical tools. Finally, the casting was subjected to finishing processes. In this project, aluminum mold and silicate mold were used in order to obtain an excellent smooth internal surface of the mold. After examining the results obtained from these two types of mold and also examining the CMSX-4 alloy, it was found that the aluminum mold created a better and more uniform surface smoothness and also better mechanical properties for the turbine blade made of CMSX-4 alloy.