Undercooling of superalloys and casting quality of single-crystal turbine blades
Final Report Abstract
Die neuesten Generationen an SX-Superlegierungen sind in Hinsicht auf verbesserte mechanische Eigenschaften im Hoch- und Niedertemperaturbereich, sowie verbesserte Oxidations- und Korrosionseigenschaften entwickelt worden. Ziel dieses Projekts war, die Fehlkornneigung von modifizierten Ni-basis Superlegierungen zu untersuchen und eine Verbesserung der Unterkühlbarkeit von Ni-basis Schmelzen in Feingussformschalen zu erzielen. Zur Untersuchung der kritischen Unterkühlbarkeit von Superlegierungen wurde ein am Giesserei-Institut der RWTH Aachen entwickeltes Messverfahren, das die Prozessgegebenheiten in industrienahen Prozessen im Labormaßstab widerspiegelt, weiterentwickelt. Untersucht wurden binäre Legierungen, Modifikationen der Legierung CMSX-6 mit Re, Ru, Co, sowie Formschalenvariation. Darüber hinaus wurde neben den Temperaturmessungen auch Versuche an einer vereinfachte Turbinenschaufel im Bridgmanofen durchgeführt. Die Messwerte zur kritischen Unterkühlung aus den Grundlagenexperimenten wurden mit den ermittelten statistischen Fehlerquoten Qv abgeglichen. Die Ergebnisse der Temperaturmessung zeigen klare Trends zur Unterkühlbarkeit der Legierungen mit Änderung der Zusammensetzung bei Re und Ru wohingegen keine Änderungen bei den CMSX6 Legierungen mit Co Modifikationen sichtbar waren. Vergleicht man die Ergebnisse der Fehlerquoten Qv mit den kritischen Unterkühlbarkeiten ∆Tu, ist ein deutlicher Zusammenhang zwischen niedriger kritischer Unterkühlung und hoher Fehlerquote zu sehen. Ein auffallendes Ergebnis zeigt sich in der Variation der Zusammensetzung der Formschale. Schon einfache Änderungen in der Prozessführung der grünfesten Formschale führen zu deutlichen Unterschieden in den erzielten Unterkühlungen ∆Tu der CMSX-6 Schmelze. Insbesondere die Zugabe von Al2O3 Mehl in die Messkavität erhöht die kritische Unterkühlung signifikant für beide untersuchte Formschalensysteme. Dieser Ansatz könnte die Grundlage für eine Formschalensystemoptimierung zur gerichteten Erstarrung von insbesondere denjenigen Superlegierungen sein, deren kritische Unterkühlbarkeit ∆Tu gering ist, und wo durch eine modifizierte Formschalentechnik die geringe kritische Unterkühlbarkeit ∆Tu in einem gewissen Maße kompensiert werden kann.
Publications
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Effect of local cooling rates on the microstructures of single crystal CMSX-6 superalloy: A comparative assessment of the Bridgman and the downward directional solidification processes, Journal of Alloys and Compounds 616:102–109, December 2014
Fu Wang, Dexin Ma, Jun Zhang, Lin Liu, Samuel Bogner, Andreas Bührig-Polaczek
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Investigation of the undercoolability of ni-based alloys using high temperature thermal analysis. Metals 2015, 5, 1971- 1983
Bogner, S.; Ivanova, E.; Müller, M.; Wang, F.; Ma, D.; Bührig-Polaczek, A.
