Pelajaran 1.8MembentukBab 1 · Pengecoran

Pengecoran kristal tunggal (bilah turbin)

Pembekuan lambat dari satu ujung menumbuhkan part sebagai satu kristal

Pengecoran kristal tunggal membuat part logam yang berupa satu kristal kontinu, tanpa batas butir (sambungan antarkristal) sama sekali. Teknik ini dipakai untuk bilah turbin terpanas pada mesin jet dan turbin gas pembangkit listrik. Bilah itu berputar membara selama ribuan jam, dan batas butir adalah tempat bilah akan mulur (meregang perlahan) dan retak.

Foto: Lee Langston, CC BY-SA 4.0, melalui Wikimedia Commons

Pengecoran kristal tunggal · tungku penarikan dan jenis butirGambar kiri menunjukkan cetakan bilah ditarik keluar dari tungku; kotak kanan membandingkan jenis butir. Angka berlingkar sesuai dengan langkah di bawah.

Cara kerjanya

Buat cetakan keramik. Seperti pada investment casting (pelajaran 1.2), bilah lilin dilapisi keramik dan lilinnya dilelehkan keluar. Core keramik di dalamnya membentuk saluran pendingin bilah, dan saluran spiral, yaitu grain selector, ditambahkan di bawah bilah.
Tuang ke cetakan panas. Cetakan berada di atas chill plate di dalam tungku vakum, sehingga superalloy nikel tidak bisa bereaksi dengan udara. Cetakan dipanaskan di atas titik leleh logam, sekitar 1.500 °C, dan logam dituang masuk.
Mulai membeku dari bawah. Chill plate berpendingin air membekukan logam di bagian bawah lebih dulu. Banyak kristal kecil mulai tumbuh di starter block, semuanya tumbuh ke atas.
Loloskan satu kristal. Grain selector spiral terlalu berliku untuk diikuti sebagian besar kristal; biasanya hanya satu yang lolos dari bagian atas. Kristal benih dapat dipakai sebagai gantinya untuk menentukan arahnya.
Tarik perlahan. Cetakan diturunkan keluar dari zona panas melewati baffle, biasanya beberapa sentimeter per jam. Front pembekuan tetap datar di baffle dan kristal tunggal tumbuh ke atas melalui seluruh bilah.
Lepas cangkang dan periksa. Keramik dipecahkan dan core dilarutkan. Setiap bilah di-etsa dan diperiksa, dengan sinar-X dan pengukuran orientasi kristal, untuk memastikan bahwa itu satu kristal.

Fakta kunci

Material: Superalloy berbasis nikel (paduan tahan panas dari nikel dengan kromium, kobalt, aluminium, renium, dan lainnya)
Komponen khas: Bilah dan vane turbin tekanan tinggi pada mesin jet dan turbin gas
Ukuran komponen: Bilah pesawat panjangnya beberapa sentimeter hingga sekitar 15 cm; bilah pembangkit listrik bisa beberapa kali lebih besar
Presisi: Tingkat investment casting, sekitar ±0,1 mm, dengan lubang pendingin halus yang dibor kemudian
Hasil permukaan: Halus: Ra (kekasaran rata-rata) sekitar 1 hingga 3 µm, lalu dilapisi
Ukuran batch yang cocok: Ribuan hingga ratusan ribu bilah per tahun per program mesin
Biaya perkakas dan mesin: Tungku penarikan vakum berharga jutaan dolar; setiap bilah berharga ratusan hingga ribuan dolar
Kecepatan: Lambat: beberapa jam per penarikan, dengan beberapa cetakan per muatan tungku

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Tanpa batas butir, sehingga ketahanan mulur dan retak sangat baik saat membara
Memungkinkan mesin bekerja lebih panas, yang menghemat bahan bakar
Arah kristal dapat dipilih untuk kekakuan dan umur lelah terbaik
Saluran pendingin dalam yang kompleks berasal dari core keramik

Batasan

Sangat lambat dan mahal
Banyak bilah dibuang ketika butiran liar terbentuk
Membutuhkan tungku vakum dan paduan mahal dengan unsur langka seperti renium
Hanya praktis untuk part kecil bernilai sangat tinggi

Di mana dipakai

DirgantaraBilah dan vane turbin tekanan tinggi pada mesin jet
Pembangkit listrikBilah tahap pertama turbin gas besar
PertahananMesin jet militer dan helikopter
RisetSpesimen kristal tunggal untuk mempelajari paduan

Cara mengenalinya

Biasanya Anda tidak bisa melihatnya pada bilah jadi yang berlapis: tampak seperti pengecoran presisi biasa.
Setelah etsa (rendaman asam yang menampakkan butiran), bilah kristal tunggal menunjukkan satu permukaan rata tanpa pola butir.
Bilah cor biasa menunjukkan tambal sulam butiran; bilah solidifikasi terarah menunjukkan garis-garis panjang dari akar ke ujung.
Lubang pendingin kecil di permukaan dan akar berbentuk pohon cemara, khas bilah bagian panas.

Bandingkan dengan

Investment casting1.2metode lilin dan cangkang keramik yang sama; pengecoran kristal tunggal menambahkan pembekuan lambat terkontrol dari satu ujung.Pertumbuhan kristal Czochralski13.1juga menumbuhkan kristal tunggal, tetapi menarik silikon dari lelehan untuk membuat ingot bulat, bukan part berbentuk.Laser powder bed fusion8.4membangun part superalloy lapis demi lapis, tetapi dengan banyak butiran kecil.

Tonton

Magic Marks · Penjelasan singkat tentang pembekuan lambat satu arah di balik kristal tunggal

Asianometry · Sejarah dari bilah biasa ke kolumnar hingga kristal tunggal

Jetline Marvel · Mengapa bilah ini begitu sulit dibuat dan mengapa begitu banyak yang dibuang

The Business Times · Rekaman nyata dari pabrik bilah turbin

Lihat foto asli

Wikipedia: Turbine blade — bahan bilah, pendinginan, dan latar belakang pengecoran
Wikipedia: Directional solidification — metode pembekuan lambat satu arah
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Tujuannya adalah part tanpa batas butir, yang lemah saat membara.
Pembekuan lambat dari bawah ke atas, plus selector spiral, membuat hanya satu kristal yang tumbuh.
Sangat lambat dan mahal, sehingga dikhususkan untuk bilah turbin terpanas.