ارزیابی اثر هندسه قالب در انجماد جهت دار بر ساختار ماکرو -میکروسکوپی سوپرآلیاژ پایه نیکل gtd-111

در پروژه حاضر به بررسی تأثیر متغیرهای هندسی قالب سرامیکی بر ریزساختار و ساختار دانه ای حاصل از فرایند انجماد جهت دار سوپرآلیاژ پایه نیکل gtd-111 پرداخته شده است. بدین منظور دو طرح قالب سرامیکی پله دار مختلف شامل طرح های استوانه ای و مکعبی با تغییر سطح مقطع در دو ناحیه طراحی و ساخته شد. ابعاد انتخاب شده برای نمونه ها بر مبنای تغییرات نسبت مدول بخش های مختلف پره توربین ge-f5-b1 از قبیل ریشه، سکو، تیغه و شنک بوده است. فرایند انجماد جهت دار با استفاده از سیستم انجماد جهت دار بریجمن در سرعت های کشش قالب ?، ? و ? میلی متر بر دقیقه انجام گردید. همچنین اثر ضخامت قالب سرامیکی بر ساختار دانه ای و دندریتی حاصل از انجماد جهت دار بررسی شد. ساختار دانه ای و دندریتی کلیه نمونه ها در مقاطع طولی و عرضی موردمطالعه قرار گرفت. همچنین یک مدل شبیه سازی کوپله حرارتی-ساختاری برای فرایند انجماد جهت دار نمونه های پله دار توسعه داده شد و اعتبارسنجی آن به کمک نتایج تجربی انجام گرفت. نتایج حاصله نشان داد که در کلیه شرایط، تعداد دانه ها با افزایش فاصله از مبرد به دلیل پدیده رشد رقابتی کاهش می یابد و در سرعت های رشد بالاتر، اثرات این پدیده در کاهش تعداد دانه ها شدیدتر می باشد. در یک سرعت رشد ثابت، تعداد کل دانه ها در نمونه مکعبی شکل بیشتر از نمونه استوانه ای می باشد که ناشی از بیشتر بودن مساحت سطح خارجی در نمونه مکعبی نسبت به نمونه استوانه ای است. بررسی ساختارهای دندریتی نمونه های پله دار نشان داد که تغییر سطح مقطع تأثیری بر اندازه فواصل دندریتی ندارد، لیکن نمونه مکعبی از ساختار ریزتری نسبت به نمونه استوانه ای برخوردار است. با افزایش فاصله از مبرد هر چند فواصل ثانویه دندریتی تغییر چندانی نمی کند، ولی فواصل اولیه دندریتی به دلیل افت گرادیان دمایی به تدریج بزرگ تر می شود. کار حاضر نشان می دهد که دانه های سرگردان از جمله عیوب انجمادی هستند که در محل تغییرات ناگهانی سطح مقطع نمونه ها اعم از مکعبی و استوانه ای ممکن است تشکیل گردد. با این حال، افزایش اندازه سکو در محل های تغییر سطح مقطع و نیز افزایش سرعت رشد، احتمال تشکیل دانه های سرگردان و تعداد آن ها را بیشتر خواهد کرد. بر اساس نتایج تجربی و شبیه سازی بدست آمده، شرایط بحرانی برای تشکیل دانه های سرگردان برحسب اندازه سکو، سرعت رشد و قطر اولیه نمونه ارائه گردید. نتایج حاضر نشان داد که با افزایش ضخامت قالب سرامیکی از ? به ?? میلی متر، پهنای دانه های ستونی به میزان کمی افزایش می یابد، لیکن درشت تر شدن ساختار دندریتی محسوس تر است.