بررسی تاثیر ضرایب انتقال حرارت در انجماد جهت‌دار در سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD111

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی معدن و مواد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن و مواد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران

3 استاد، دانشکده مهندسی معدن و مواد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران

10.22034/frj.2019.176791.1075

چکیده

هدف از پژوهش حاضر، ریخته گری جهتدار میله‌هایی از جنس سوپرآلیاژ GTD111 به روش بریجمن و تعیین اثر شرایط مرزی انتقال حرارت بر نرخ رشد جهت‌دار و همچنین ریزساختار دانه بندی حاصل از آن، به کمک شبیه‌سازی عددی است. به این منظور، درقدم اول، شرایط مرزی انتقال حرارت در مرزهای مذاب-قالب و مذاب- مبرد در کوره بریجمن طی انجمادِ کامل خوشه ای، متشکل از میله های GTD111 مشخص شده و سپس ساختار دانه بندی میله ها پس از عملیات متالوگرافی؛ در دو مقطع طولی و عرضی آنها ظاهرشدند. درقدم دوم، شرایط مرزی انتقال حرارت مشخص شده فوق، در نرم افزار Pro-cast وارد شده و شبیه سازی فرایند انجماد و الگوی رشد دانه بندی در دو مقطع طولی و عرضی شبیه سازی عددی شدند (متالوگرافی مجازی) و نتایج هر دو متالوگرافی مجازی و واقعی مقایسه شدند. پس از اطمینان از صحت نتایج شبیه سازی، با تغیر شرایط مرزی و اولیـه حـرارتی جدید، اثر گرادیان دما بر الگوی رشد دانه های ستونی، شبیه سازی و تاثیر آن برفاصله بین بازوهای ثانویه طی رشد بدست آمد. نتایج نشان می دهد، در سرعت رشد حدود 4 میلیمتر بر دقیقه، با تنظیم گرادیان دما در محدوده بین 80 الی 100 درجه سلسیوس بر میلیمتر، میانگین فاصله بین بازوهای ثانویه دندریتی، تقریبا100- 120 میکرون خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Heat Transfer Coefficients Effects in Directional Solidification of GTD111 Super-alloy

نویسندگان [English]

  • Maryam Torfeh 1
  • Seyed Mohammad Hossein Mirbagheri 2
  • Jamshied Aghazadeh 3
1 Ph.D. Student, Department of Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology
2 Associated Professor, Department of Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology
3 Professor, Department of Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

The purpose of this study was evaluation of the directional solidification of GTD111 super alloy bars by Bridgman method, and then, to determine numerically the effect of the heat transfer boundary conditions on the directional solidification rate and the resulting microstructure and grains. For this purpose, in the first step, the heat transfer boundary conditions at the intersection of melt-mold and melt-chill-plate in the Bridgman furnace during solidification of a cluster, consisting of GTD111 rods, were determined, and then the grain structure of the rods after the metallography operation, in both longitudinal and transverse sections, appeared. In the second step, the intended boundary conditions were introduced into the Pro-Cast software and the solidification process was simulated. The grain growth pattern in both longitudinal and transverse sections was achieved and the results of both virtual and real metallography compared. After assuring the accuracy of the simulation results, the effect of the temperature gradient on the pattern of columnar grain growth with the change of the thermal conditions was modeled and its effect on the secondary dendrite arm spacing were obtained. The results show that at a growth rate of about 4mm/min, and a temperature gradient of 80-100°C/mm, the mean secondary dendrite arm spacing will be approximately 100- 120 microns

کلیدواژه‌ها [English]

  • Directional Solidification
  • GTD111DS Alloy
  • heat transfer
  • Microstructural modeling
  • Ni Super-alloys

[1] Sajjadi S.A., Nategh S., A high temperature deformation mechanism map for the high performance Ni-base superalloy GTD-111, Materials Science and Engineering A, 2001, 307(1–2) 158–164.

[2] Balsone S.J., Buckets and Nozzles, GE Gas Turbines LLC, P.O. Box 648; GTTC 174D Greenville, SC 29602, 2010,

[3] Stewart C.M., et al., Characterization of the creep deformation and rupture behavior of DS GTD-111 using the Kachanov-Rabotnov constitutive model, Journal of Engineering Materials and Technology, 2011, 133(2) 13-21.

[4] Flower H.M., High Performance Materials in Aerospace, Springer Netherlands, 2012.

[5] Higginbotham G., From research to cost-effective directional solidification and single-crystal production–an integrated approach, Materials Science and Technology, 1986, 2(5) 442-460.

[6] Elliott A. J., Pollock T.M., Thermal analysis of the Bridgman and liquid-metal-cooled directional solidification investment casting processes, Metallurgical and Materials Transactions A, 2007, 38(4) 871-882.

[7] حیدری ع.، مصطفی‌پور س.، کرمان‌پور ا.، نعمت‌الهی ج.، بهمنی م.، طراحی و ساخت سیستم آزمایشگاهی انجماد جهت‌دار سوپرآلیاژها به روش بریجمن تحت خلأ. کنفرانس ملی خلأ ایران، 1390.

[8] Szeliga D., Kubiak K., Burbelko A., Motyka M., Sieniawski J., Modeling of directional solidification of columnar grain structure in CMSX-4 nickel-based superalloy castings, Journal of Martials Engineering and Performance, 2013, 23, 1088-1095.

[9] Jin Y., et al., 2D finite element modeling of misorientation dependent anisotropic grain growth in polycrystalline materials: Level set versus multi-phase-field method, Computational Materials Science, 2015, 104, 108-123.

[10] قنبری حقیقی م.، شبستری س.، ابوطالبی م.ر،. بررسی تجربی و عددی ایجاد دانه سرگردان در فرآیند رشد تک بلور سوپرآلیاژ پایه نیکل، مهندسی متالورژی و مواد، 1396، 13-26.

[11] Gandin C.A., Rappaz M., A 3D cellular automaton algorithm for the prediction of dendritic grain growth, Acta Materialia, 1997, 45(5) 2187-2195.

[12] Chen S., Three dimensional Cellular Automaton–Finite Element (CAFE) Modeling for the Grain Structures Development in Gas Tungsten/Metal Arc Welding processes, Diss. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014.

[13] Kermanpur A., et al., Thermal and grain-structure simulation in a land-based turbine blade directionally solidified with the liquid metal cooling process. Metallurgical and Materials Transactions B, 2000, 31(6) 1293-1304.

[14] Seo S.M., et al., Grain structure prediction of Ni-base superalloy castings using the cellular automaton-finite element method, Materials Science and Engineering A, 2007, 449, 713-716.

[15] Kermanpur A., et al., Thermal and grain-structure simulation in a land-based turbine blade directionally solidified with the liquid metal cooling process. Metallurgical and Materials Transactions B, 2000, 31.6, 1293-1304.

[16] Kavoosi V., et al., Influence of cooling rate on the solidification behavior and microstructure of IN738LC superalloy, Journal of Alloys and Compounds, 2016, 680, 291-300.

[17] Milenkovic S., et al., Effect of solidification parameters on the secondary dendrite arm spacing in MAR M-247 superalloy determined by a novel approach, MATEC Web of Conferences, 2014, 14. EDP Sciences.

[18] صادقی ف.، کرمانپور ا.، مختاری ح.ر.، نوروزی ا.، نعمت‌الهی ج.، حیدری د.، بهمنی م.، ارزیابی اثر سرعت سرد شدن درفرایند انجماد تک کریستال بر ساختار میکروسکوپی سوپرآلیاژ پایه نیکل P14، بیست و هفتمین سمینار سالانه ریخته‌گری ایران، 1394.

[19] بابایی م.د ، عباسی س.م.، میرسعید س.م.، بررسی پدیده‌ی رشد عرضی در ساختار انجماد جهت‌دار سوپرآلیاژ به روش بریجمن، اولین کنگره ملی کاربرد مواد و ساخت پیشرفته در صنایع، 1396.