Directional solidification using liquid metal cooling - process optimisation and influence of process parameters

Seit Mitte der achtziger Jahre ist der Verkauf von Industriegasturbinen stark ange­stiegen. Einer der Gründe ist der hohe Wirkungsgrad von Kombikraftwerken (auch GuD-Kraftwerke). Grundvoraussetzung für deren Wirkungsgrad nahe 60 Prozent ist eine hohe Gaseintrittstemperatur. Dies wiederum rückte gerichtet erstarrte Turbinen­schaufeln in den Blickpunkt des Interesses. Gerichtet erstarrte Turbinenschaufeln werden seit Beginn der sechziger Jahre in Flug­turbinen eingesetzt. Im Vergleich zu diesen Komponenten sind Schaufeln für Industrie­gasturbinen wesentlich größer. Mit der konventionellen Herstellungsmethode zur gerich­te­ten Erstarrung, dem HRS (High Rate Solidification) – Verfahren, konnte nur eine geringe Produktivität erzielt werden. Einer der vielversprechendsten neuen Prozesse ist das LMC (Liquid Metal Cooling) – Verfahren. Durch hohe Temperaturgradienten und höhere Erstarrungsgeschwindig­keiten kann eine Reihe von Vorteilen erreicht werden. Einerseits zeigen die Bauteile eine feinere Mikrostruktur und bessere Qualität, andererseits kann höhere Produktivität erzielt werden. Die Entwicklung des LMC-Verfahrens begann bereits Mitte der siebziger Jahre, allerdings konnte das Verfahren den HRS-Prozess als industriellen Standard zunächst nicht verdrängen. Die Entwicklung des dynamischen Baffles (einer Isolations­schicht auf dem flüssigen Metallbad) in der Mitte der neunziger Jahre war der erste Schritt zu einem verlässlichen Produktionsprozess. In dieser Arbeit werden numerische Berechnungen, Laborexperimente und Gieß­versuche an einer LMC-Pilotanlage vorgestellt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der verfahrenstechnischen Optimierung des Prozesses. Beispielsweise haben Material und Partikelgröße des dynamischen Baffles eine entscheidende Auswirkung auf wichtige Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Fließfähigkeit oder die Benetzung durch das flüssige Kühlmetall. Es wird gezeigt, dass die Verwendung von Hohlkugeln vorteilhaft ist. Die Temperaturverteilung im Kühlbad ist wiederum abhängig von den Isolations­eigenschaften des dynamischen Baffles und der Geschwin­dig­keits­verteilung im flüssigen Metallbad. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss verschiedener Prozessparameter (z.B. Ab­senk­geschwindigkeit, Temperaturen des Heizers und des Kühlbades, Wärmeleit­fähig­keit der Formschale etc.) unter­sucht. Numerische Berechnungen für eine zweidimen­sionale Geometrie sowie Gieß­experimente an Laborproben aus der Nickelbasis­legierung IN792 zeigen die Aus­wirkung einiger Parameter auf die Temperatur­verteilung, den Gradienten und das Bauteilgefüge. Am Beispiel einer großen Turbinenschaufel (zweite Laufreihe, Länge ~ 290 mm, Legierung PWA1483) wurde der Einfluss einiger Parameter auf Gradient und Mikrostruktur im Pilotmaßstab untersucht. So kann beispielweise der Dendritenstamm­abstand im LMC-Verfahren im Vergleich zum HRS-Verfahren halbiert werden, obwohl gleichzeitig die Absenkgeschwindigkeit von 3,5 mm/min auf 8 mm/min erhöht wird.Since the middle of the eighties the number of sales of industrial gasturbines (IGT) has grown rapidly. One of the reasons was the high efficiency of combined cycle plants. Basic requirement for the near 60% efficiency is a high gas turbine inlet temperature. Therefore the use of directionally solidified (DS) turbine blades was brought into focus. DS-blades have been used since the beginning of the sixties for aircraft engines. In comparison to these blades the IGT-components are much bigger in cross-section and size. Using the conventional HRS (High Rate Solidification) -technique only low productivity could be reached. One of the most promising new manufacturing processes is the LMC (Liquid Metal Cooling)-process. High thermal gradients and higher withdrawal speeds lead to several benefits. On the one hand a finer microstructure and better quality of the cast component, on the other hand higher productivity can be reached. Originally developed in the beginning of the seventies, the LMC-process could not displace the HRS-technique as an industrial standard. The development of a "dynamic baffle" as an isolation layer on the liquid metal bath was the first step to a reliable production method. In this thesis numerical calculations and laboratory experiments as well as casting trials on an LMC-pilot plant are presented. The first part deals with the optimization of the most important process components. For example the choice of particle size and material has consequences on important properties of the dynamic baffle like the thermal conductivity, the fluidity or the wettability by the liquid metal. It is shown that the use of hollow spheres is suitable. The temperature distribution in the cooling bath is related to the heat flow through the baffle and the velocity distribution in the liquid metal bath. In the second part the influence of several process parameters (e.g. withdrawal speed, heating and cooling temperatures or thermal conductivity of the mold) on thermal gradient and microstructure are studied. A simulation for a two-dimensional geometry shows the relevance of various parameters for temperature distribution and gradient. Solidification of the Nickelbase alloy IN792 was studied for small rods by temperature measurements and metallographic investigations. Finally results on the gradient and dendrite arm spacing for a single crystal turbine blade (second stage, length ~ 290 mm, PWA1483) are presented. Especially a comparison to the HRS-process has been carried out. It was shown that the new LMC-process leads to higher thermal gradients and a finer microstructure. The dendrite arm spacing is less by half using LMC with a withdrawal speed of 8 mm/min compared to HRS with 3.5 mm/min