Un nuevo método de fundición de inversión para fabricar cuchillas de turbina de acero resistentes al calor para motores de aeronaves

Queridos amigos, hoy me gustaría compartir con ustedes un documento técnico 《 Enfoque novedoso para el lanzamiento de la inversión de las cuchillas de turbina de acero resistentes al calor para motores de aeronaves 》 , que discute en detalle la tecnología de fundición de precisión de turbina integral.

Abstracto

Los defectos formados durante el proceso de fundición de inversión de las cuchillas de la turbina del motor de aviones representan una seria amenaza para la seguridad de los vuelos y aumentan significativamente los costos de fabricación. Este estudio utilizó una simulación numérica basada en un modelo de retención del módulo de fusión para analizar el flujo de metal dentro de la cubierta del molde y determinar la probabilidad de un defecto de contracción (PSD) para las cuchillas de turbina resistente al calor del motor de la aeronave (SCH12). La simulación preliminar y los resultados experimentales guiaron el desarrollo de una simulación basada en cuatro esquemas de fundición. El objetivo de esta fase era identificar el esquema de fundición con el PSD más bajo. La óptima de los cuatro esquemas se aplicó luego a un caso en el que el fondo del sistema de fundición se sumergió en agua fría. También se introdujo un sensor termodinámico virtual en la simulación para caracterizar el efecto de la profundidad del agua sobre la velocidad y la dirección de solidificación en la cavidad del moho. Finalmente, las condiciones óptimas de fundición de inversión se aplicaron al proceso de producción de cuchillas de turbina en una fundición bien establecida. El análisis de rayos X demostró la efectividad del esquema propuesto al detectar prácticamente ningún defecto perjudicial comúnmente encontrado en tales piezas fundidas.

1 Introducción

Las cuchillas de la turbina son componentes clave de los motores de aeronaves. Las diferencias de alta temperatura y los entornos operativos duros pueden generar tensiones complejas dentro de las cuchillas. La operación a largo plazo en tales condiciones puede conducir fácilmente a la cavitación y la formación de grietas superficiales. Los defectos severos representan una amenaza para la seguridad, mientras que la necesidad de reemplazo regular aumenta significativamente los costos operativos [1]. Los investigadores han estado buscando formas de mejorar la resistencia de las cuchillas de la turbina. Durante el proceso de fundición de inversión, las cuchillas pueden soportar altas temperaturas mientras evitan la contracción y la formación de porosidad [2, 3]. La fundición de inversión se utiliza en muchas industrias que requieren la fabricación de alta precisión de formas complejas y superficies lisas [4-8]. El proceso de fabricación de cuchillas de turbina por fundición de inversión es muy complejo, en parte porque la contracción durante el proceso de fundición es altamente no lineal [1-3]. La mayoría de las investigaciones previas sobre el casting han utilizado un método de prueba y error, que a menudo es impreciso, lleva mucho tiempo y costoso. Uno de los principales problemas es que el flujo de hierro fundido en la cavidad del moho y la dirección de la solidificación no se pueden observar, lo que dificulta hacer predicciones razonables sobre la formación de defectos de fundición. Las Figuras 1 (a)-(d) muestran defectos comunes en las palas de turbina fabricadas por fundición de inversión, incluidos los poros formados entre el lado interno del anillo exterior y la cuchilla debido a la contracción, los huecos en la cuchilla debido al material insuficiente y el desbordamiento de hierro fundido en la parte posterior de la cuchilla de la turbina. Los diseñadores deben poder predecir con precisión la contracción durante la solidificación [1-3]. Los avances en la tecnología informática han permitido utilizar el software de ingeniería asistido por computadora para predecir dónde y cómo pueden formarse defectos de fundición y en qué dirección durante la solidificación, eliminando así muchos de los costos inherentes a los métodos tradicionales de prueba y error.

Por ejemplo, se desarrolló software de computadora Procast para estudiar el campo de temperatura dinámica y los defectos de contracción durante el proceso de fundición [7]. Los investigadores utilizaron el software para observar el flujo de hierro fundido en el molde y predecir la ubicación de los defectos de fundición [9]. El software también se utilizó para eliminar los defectos de contracción en el impulsor de la bomba de lechada 200zja [5]. El software incluso se utilizó para estudiar el contorno de la cavidad de los moldes de fundición de inversión a través de métodos de diseño inverso [10]. Se usó otro software informático (ANSYS) para estudiar la reducción del estrés residual en las fundiciones durante la fundición de precisión [11], y se usó cualquier software de transmisión para simular el proceso de tixeformación semi-sólido de la aleación de A1-Cu-Mn-Ti [12]. Dou et al. [10] utilizado Procast para establecer los parámetros del proceso para el lanzamiento de la inversión de las cuchillas de la turbina. Sin embargo, pocos estudios han optimizado sistemáticamente la lanzamiento de inversiones y verificado la efectividad de sus predicciones numéricas a través de experimentos. En este estudio, realizamos simulaciones numéricas basadas en el modelo de módulo de fusión retenido (RMM) para analizar el patrón de flujo de moho y predecir la ubicación y la manera en que pueden ocurrir defectos durante la fundición de cuchillas de turbina hechas de acero resistente al calor (SCH12) para los motores de aeronaves.

Este estudio se dividió en cuatro etapas: (1) Comparamos el esquema de fundición preliminar (Caso 0) con los resultados experimentales obtenidos utilizando el proceso de fundición de inversión de cera perdida. (2) Luego, utilizando los resultados del análisis, se simularon cuatro esquemas de fundición: un sistema de activación superior (caso 1), un sistema de activación inferior (caso 2), un sistema de activación lateral (caso 3) y un sistema de activación lateral con diferentes tamaños y geometrías (caso 4). (3) Para cada uno de los sistemas de fundición anteriores, se realizaron simulaciones numéricas en cinco condiciones de prueba (es decir, diferentes conchas de cerámica y temperaturas de fundición). También simulamos la solución (que sumerge el fondo del sistema de fundición en agua fría) aplicada al caso 4. Las condiciones de fundición óptimas derivadas de las simulaciones se aplicaron a la producción de cuchillas de turbina fundida de inversión. Finalmente, se realizó un análisis de rayos X para evaluar la efectividad de la solución propuesta para evitar defectos de fundición.