Fundição de monocristal (pás de turbina)

O congelamento lento a partir de uma ponta faz a peça crescer como um só cristal

A fundição de monocristal faz uma peça metálica que é um único cristal contínuo, sem nenhum contorno de grão (as emendas entre cristais). É usada nas pás de turbina mais quentes de motores a jato e de turbinas a gás de usinas. Essas pás giram em brasa por milhares de horas, e os contornos de grão são onde elas sofreriam fluência (esticariam devagar) e trincariam.

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

Fundição de monocristal · forno de retirada e tipos de grãoO desenho da esquerda mostra o molde da pá sendo retirado do forno; a caixa da direita compara os tipos de grão. Os números em círculo correspondem às etapas abaixo.

Como funciona

Faça um molde cerâmico. Como na fundição por cera perdida (lição 1.2), uma pá de cera é recoberta de cerâmica e derretida. Um macho cerâmico no interior forma os canais de resfriamento da pá, e uma passagem em espiral, o seletor de grão, é adicionada sob a pá.
Vaze em um molde quente. O molde fica sobre uma placa de resfriamento dentro de um forno a vácuo, para a superliga de níquel não reagir com o ar. O molde é aquecido acima do ponto de fusão do metal, cerca de 1500 °C, e o metal é vazado.
Comece a congelar por baixo. A placa de resfriamento refrigerada a água congela o metal primeiro no fundo. Muitos cristais pequenos começam no bloco inicial, todos crescendo para cima.
Deixe passar um cristal. O seletor de grão em espiral é torcido demais para a maioria dos cristais o seguir; em geral, só um sai pelo topo. Pode-se usar um cristal-semente para definir a direção dele.
Retire devagar. O molde é baixado para fora da zona quente através de um defletor, geralmente alguns centímetros por hora. A frente de congelamento fica plana no defletor e o monocristal cresce por toda a pá.
Retire a casca e inspecione. A cerâmica é quebrada e o macho é dissolvido. Cada pá é atacada quimicamente e verificada, com raios X e medição da orientação do cristal, para confirmar que é um só cristal.

Dados-chave

Materiais: Superligas à base de níquel (ligas resistentes ao calor de níquel com cromo, cobalto, alumínio, rênio e outros)
Peças típicas: Pás e palhetas de turbina de alta pressão em motores a jato e turbinas a gás
Tamanho da peça: As pás de aviões têm de alguns centímetros a cerca de 15 cm de comprimento; as de usinas podem ser várias vezes maiores
Precisão: Nível de fundição por cera perdida, cerca de ±0,1 mm, com finos furos de resfriamento feitos depois
Acabamento superficial: Lisa: Ra (rugosidade média) de cerca de 1 a 3 µm, depois revestida
Tamanho de lote adequado: De milhares a centenas de milhares de pás por ano por programa de motor
Custo de ferramental e máquinas: Fornos de retirada a vácuo custam milhões de dólares; cada pá custa de centenas a milhares de dólares
Velocidade: Lenta: algumas horas por ciclo de retirada, com vários moldes por carga do forno

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Sem contornos de grão, então excelente resistência à fluência e a trincas em brasa
Permite que os motores trabalhem mais quentes, o que economiza combustível
A direção do cristal pode ser escolhida para a melhor rigidez e vida em fadiga
Canais internos de resfriamento complexos vêm do macho cerâmico

Limites

Muito lenta e cara
Muitas pás são descartadas quando se formam grãos indesejados
Precisa de fornos a vácuo e de ligas caras com elementos raros como o rênio
Só é prática para peças pequenas e de altíssimo valor

Onde é usado

AeroespacialPás e palhetas de turbina de alta pressão de motores a jato
Geração de energiaPás do primeiro estágio de grandes turbinas a gás
DefesaMotores de jatos militares e de helicópteros
PesquisaAmostras de monocristal para estudar ligas

Como reconhecê-lo

Em geral não dá para ver em uma pá acabada e revestida: ela parece qualquer peça fundida de precisão.
Após o ataque químico (um banho ácido que revela os grãos), uma pá monocristalina mostra uma superfície uniforme, sem padrão de grãos.
Uma pá fundida comum mostra uma colcha de retalhos de grãos; uma solidificada direcionalmente mostra longas listras da raiz à ponta.
Minúsculos furos de resfriamento na superfície e uma raiz em formato de pinheiro, típicos de pás da seção quente.

Compare com

Fundição de precisão1.2o mesmo método de cera e casca cerâmica; a fundição de monocristal acrescenta um congelamento lento e controlado a partir de uma ponta.Crescimento Czochralski13.1também cresce um monocristal, mas puxa silício de um banho fundido para fazer lingotes redondos, não peças com forma.Fusão em leito de pó a laser8.4constrói peças de superliga camada por camada, mas com muitos grãos pequenos.

Assista

Magic Marks · Um breve explicativo do congelamento lento e em uma só direção por trás dos monocristais

Asianometry · A história das pás comuns às colunares e às monocristalinas

Jetline Marvel · Por que essas pás são tão difíceis de fazer e por que tantas são descartadas

The Business Times · Imagens reais de uma fábrica de pás de turbina

Veja fotos reais

Wikipédia: Pá de turbina — materiais das pás, resfriamento e contexto da fundição
Wikipédia: Solidificação direcional — o método de congelamento lento em uma só direção
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

O objetivo é uma peça sem contornos de grão, que são fracos em brasa.
O congelamento lento de baixo para cima, mais um seletor em espiral, deixa crescer só um cristal.
Extremamente lenta e cara, então é reservada às pás de turbina mais quentes.