航空機エンジン向けの熱耐性鋼タービンブレードを製造するための新しい投資鋳造方法

親愛なる友人、今日、私はあなたと技術文書を共有したいと思います。

抽象的な

航空機エンジンタービンブレードの投資鋳造プロセス中に形成された欠陥は、飛行の安全性に対する深刻な脅威をもたらし、製造コストを大幅に増加させます。この研究では、溶融弾性率維持モデルに基づく数値シミュレーションを使用して、金型シェル内の金属流量を分析し、航空機のエンジン熱耐性鋼（SCH12）タービンブレードの収縮欠陥（PSD）の確率を決定しました。予備的なシミュレーションと実験結果は、4つの鋳造スキームに基づいてシミュレーションの開発を導きました。このフェーズの目標は、PSDが最も低い鋳造スキームを特定することでした。次に、4つのスキームの最適性を、鋳造システムの底が冷水に浸されている場合に適用されました。また、カビの空洞の固化速度と方向に対する水の深さの影響を特徴付けるために、仮想熱力学センサーもシミュレーションに導入されました。最後に、十分に確立された鋳造工場でタービンブレード生産プロセスに最適な投資鋳造条件が適用されました。 X線分析により、このような鋳物によく見られる有害な欠陥がないことを検出することにより、提案されたスキームの有効性が実証されました。

1はじめに

タービンブレードは、航空機エンジンの重要なコンポーネントです。高温の差と過酷な動作環境は、ブレード内に複雑な応力を生成する可能性があります。このような条件下での長期操作は、キャビテーションと表面亀裂の形成に簡単につながる可能性があります。深刻な欠陥は安全性に脅威を与えますが、定期的な交換の必要性は運用コストを大幅に増加させます[1]。研究者は、タービンブレードの耐性を改善する方法を模索しています。投資鋳造プロセス中、刃は収縮と多孔性の形成を避けながら、高温に耐えることができます[2、3]。投資キャスティングは、複雑な形状と滑らかな表面の高精度の製造を必要とする多くの業界で使用されています[4-8]。投資鋳造によるタービンブレードを製造するプロセスは非常に複雑です。これは、鋳造プロセス中の収縮が非常に非線形であるためです[1-3]。鋳造に関する以前の研究では、試行錯誤の方法を使用していますが、これはしばしば不正確で、時間がかかり、費用がかかります。主な問題の1つは、カビの空洞における溶融鉄の流れと固化方向を観察できないため、鋳造欠陥の形成について合理的な予測を行うことが難しくなることです。図1（a） - （d）は、収縮のために外側のリングの内側と刃の間に形成された毛穴、不十分な材料による刃の隙間、タービンブレードの背面に溶融鉄のオーバーフローを含む、投資鋳造によって製造されたタービンブレードの一般的な欠陥を示しています。設計者は、固化中に収縮を正確に予測できる必要があります[1-3]。コンピューターテクノロジーの進歩により、コンピューター支援エンジニアリングソフトウェアを使用して、鋳造欠陥がどのようにどのように形成されるか、どの方向に固化中にどのように形成されるかを予測することが可能になり、それにより、従来の試行錯誤の方法に固有のコストの多くが排除されました。

たとえば、Procastコンピューターソフトウェアは、鋳造プロセス中に動的温度フィールドと収縮欠陥を研究するために開発されました[7]。研究者は、このソフトウェアを使用して、カビ内の溶融鉄の流れを観察し、鋳造欠陥の位置を予測しました[9]。このソフトウェアは、200ZJAスラリーポンプインペラーの収縮欠陥を排除するためにも使用されました[5]。このソフトウェアは、逆設計方法を通じて投資鋳造金型の空洞の輪郭を研究するためにも使用されました[10]。他のコンピューターソフトウェア（ANSYS）を使用して、精密鋳造中の鋳物の残留応力の減少を研究しました[11]、ANYCASTINGソフトウェアを使用して、A1-CU-MN-TI合金の半固体チキソフォーミングプロセス[12]をシミュレートしました。 Dou et al。 [10] Procastを使用して、タービンブレードの投資鋳造のプロセスパラメーターを確立しました。ただし、投資輸入を体系的に最適化し、実験を通じて数値予測の有効性を検証した研究はほとんどありませんでした。この研究では、保持された溶融弾性率（RMM）モデルに基づいて数値シミュレーションを実行し、カビの流れパターンを分析し、航空機エンジンの熱耐性鋼（SCH12）で作られたタービンブレードの鋳造中に欠陥が発生する可能性のある場所と方法を予測しました。

この研究は4つの段階に分けられました。（1）予備鋳造スキーム（ケース0）と、失われたWAX投資鋳造プロセスを使用して得られた実験結果を比較しました。 （2）次に、分析結果を使用して、4つの鋳造スキームがシミュレートされました：トップゲーティングシステム（ケース1）、ボトムゲーティングシステム（ケース2）、サイドゲーティングシステム（ケース3）、および異なるサイズとジオメトリ（ケース4）を持つサイドゲートシステム。 （3）上記の各鋳造システムについて、5つのテスト条件（つまり、異なるセラミックシェル、鋳造温度）で数値シミュレーションが実行されました。また、ケース4に適用されたソリューション（鋳造システムの底に浸る）をシミュレートしました。シミュレーションから派生した最適な鋳造条件は、投資型タービンブレードの生産に適用されました。最後に、X線分析を実行して、鋳造の欠陥を回避する際に提案されたソリューションの有効性を評価しました。