A study of grain selection in two-dimensional (2D) grain selectors during investment casting of single-crystal superalloy

Zhu, Xintao; Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor); Wang, Fu (Thesis advisor)

Aachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung 35
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Einkristalline Superlegierungen auf Ni-Basis werden aufgrund ihrer hervorragenden Hochtemperaturleistung häufig zur Herstellung von Turbinenschaufeln verwendet. In der Regel werden die einkristallinen Schaufeln mit einem gerichteten Erstarrungsprozess durch das Aussaat- oder das Auswahlverfahren gegossen. Mit dem Aussaatverfahren lässt sich zwar die Ausrichtung des Einkristallgefüges steuern, es trägt jedoch auch zu Streukorn bei und der entsprechende Prozess ist komplex. Aus diesem Grund wird in der Praxis die Selektor-Methode bevorzugt. Die Struktur des Selektors besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: dem Starterblock und dem Selektorteil. Der Startblock steuert die Ausrichtung und die Wachstumsdynamik der Körner, während der Selektorteil das Wachstum der einzelnen Körner begünstigt und letztlich die Bildung der Einkristallstruktur bestimmt. Um hocheffiziente Kornselektoren zu erhalten, wurden in den letzten Jahren verschiedene Arten von Kornselektoren, wie z.B. Restriktor-, Winkel- und Spiralselektoren, entwickelt. Allerdings ist bei Restriktoren für die Einkristallselektion eine recht große Länge erforderlich, was zu einer geringen Auswahlleistung führt. Im Bereich der Ecken von Winkelselektoren bilden sich aufgrund der plötzlichen Änderung der Wachstumsrichtung häufig neue Körner. In der Phase der Wachsinjektion kann der spiralförmige Selektor aufgrund der Komplexität der dreidimensionalen (3D) Form nicht in einem Stück mit den Schaufeln hergestellt werden. Er muss später mit den Schaufeln verschweißt werden, was zwangsläufig zu Positionsfehlern und plötzlichem Versagen bei der Kornselektion führen kann. Der Spiralselektor kann keine hohe Stabilität aufweisen, obwohl er in Gießereien ausgiebig eingesetzt wurde. Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, wurden in dieser Arbeit die neuen 2D-Kornselektoren, C-Form und Z-Form, entworfen und systematisch untersucht. Im Gießerei-Institut der RWTH Aachen wurden eine Reihe von Bridgman-Gießversuchen durchgeführt, um die physikalischen Prozesse zu untersuchen, die in den neuartigen 2D-Kornselektoren mit unterschiedlichen Geometrieparametern ablaufen. Die entsprechende Auswirkung der Geometrie auf die Kornselektion wurde mit Hilfe der optischen Mikroskopie (OM) und der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) quantifiziert. Auf der Grundlage der Ergebnisse werden die Einflüsse der Abmessungsgröße bei der Kornselektion erörtert und der zugrundeliegende Mechanismus, der für die experimentellen Ergebnisse verantwortlich ist, wird dargelegt.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Gießereiwesen und Gießerei-Institut [526110]