Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad KermanPour,Rahmatollah Emadi
احمد کرمانپور (استاد راهنما) رحمت اله عمادي (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hassan Ebrahimiyan
حسن ابراهيم يان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Evaluation of the effect of mold geometry in directional solidification on the macro- and microstructure of the nickel-based superalloy GTD-111
In this project, influence of geometrical parameters of the ceramic mold on microstructure and grain structure of GTD-111 Nickel-based superalloy from directional solidification was studied. For this purpose, two different designs of the stepped ceramic molds including cubic and cylindrical with change in cross section in two positions were designed and anufactured. Selected dimensions for samples were based upon changes in module ratio in different parts of GE-F5-B1 turbine blade consisting of root, platform, shroud, and shank. Directional solidification tests of the GTD-111 superalloys were conducted at different withdrawal velocities of 3, 6 and 9 mm / min. In addition, effect of ceramic mold thickness on grain and dendritic structures obtained from directional solidification was studied. Grain and dendritic structures of all samples were observed in both longitudinal and transverse cross-sections. Also, a coupled thermal-structural simulation model for directional solidification of the stepped specimen was developed. Validation of the simulation model was done using experimental data. Results indicated that number of grains decreased in all samples by increasing distance from the water-cooled copper chill, due to the competitive growth whose effects was increased for higher withdrawal rates. For a given withdrawal rate, the number of total grains in cubic sample was more than that in the cylindrical one, which is due to the higher surface areas of the cubic in comparison to the cylinderical. Characterizing dendritic structure of the stepped molds showed that cross-sectional changes did not affect dendrite arm spacing. However, the cubic sample had a finer dendritic structure than the cylinderical. By increasing distance from the water-cooled copper chill, secondary dendrite arm spacing (SDAS) did not change significantly, while primary dendrite arm spacing (PDAS) increased because of the reduction in thermal gradient. Results of this study showed that increasing mold thickening from 5 to 10 mm could increase width of the columnar grains, although dendrite coarsening was more sensible. Current research showed that stray grains were solidification defects occurring in sudden changes of cross sections both in cubic and cylinderical specimens. Increasing the platform size in cross-sectional changes and withdrawal rate can increase the possibility of stray grain formation. According to the experimental and simulation results, critical conditions for stray grain formation in terms of platform size, growth rate, and initial diameter were provided. Keywords: GTD-111 Nickel-Based Superalloy; Stray Grai Directional Solidification; Gas Turbine Blade
د ر پروژه حاضر به بررسي تأثير متغيرهاي هندسي قالب سراميکي بر ريزساختار و ساختار دانه‌اي حاصل از ‌فرايند انجماد جهت‌دار سوپرآلياژ پايه‌نيکل GTD-111 پرداخته شده است. بدين منظور دو طرح قالب سراميکي پله‌دار مختلف شامل طرح‌هاي استوانه‌اي و مکعبي با تغيير سطح مقطع در دو ناحيه طراحي و ساخته شد. ابعاد انتخاب شده براي نمونه‌ها بر مبناي تغييرات نسبت مدول بخش‌هاي مختلف پره توربين GE-F5-B1 از قبيل ريشه، سکو، تيغه و شنک بوده است. ‌فرايند انجماد جهت‌دار با استفاده از سيستم انجماد جهت‌دار بريجمن در سرعت‌هاي کشش قالب ?، ? و ? ميلي‌متر بر دقيقه انجام گرديد. همچنين اثر ضخامت قالب سراميکي بر ساختار دانه‌اي و دندريتي حاصل از انجماد جهت‌دار بررسي شد. ساختار دانه‌اي و دندريتي کليه نمونه‌ها در مقاطع طولي و عرضي موردمطالعه قرار گرفت. همچنين يک مدل شبيه‌سازي کوپله حرارتي-ساختاري براي ‌فرايند انجماد جهت‌دار نمونه‌هاي پله‌دار توسعه داده شد و اعتبارسنجي آن به کمک نتايج تجربي انجام گرفت. نتايج حاصله نشان داد که در کليه شرايط، تعداد دانه‌ها با افزايش فاصله از مبرد به دليل پديده رشد رقابتي کاهش مي‌يابد و در سرعت‌هاي رشد بالاتر، اثرات اين پديده در کاهش تعداد دانه‌ها شديدتر مي‌باشد. در يک سرعت رشد ثابت، تعداد کل دانه‌ها در نمونه مکعبي شکل بيشتر از نمونه استوانه‌اي مي‌باشد که ناشي از بيشتر بودن مساحت سطح خارجي در نمونه مکعبي نسبت به نمونه استوانه‌اي است. بررسي ساختارهاي دندريتي نمونه‌هاي پله‌دار نشان داد که تغيير سطح مقطع تأثيري بر اندازه فواصل دندريتي ندارد، ليکن نمونه مکعبي از ساختار ريزتري نسبت به نمونه استوانه‌اي برخوردار است. با افزايش فاصله از مبرد هر چند فواصل ثانويه دندريتي تغيير چنداني نمي‌کند، ولي فواصل اوليه دندريتي به دليل افت گراديان دمايي به‌تدريج بزرگ‌تر مي‌شود. کار حاضر نشان مي‌دهد که دانه‌هاي سرگردان از جمله عيوب انجمادي هستند که در محل تغييرات ناگهاني سطح مقطع نمونه‌ها اعم از مکعبي و استوانه‌اي ممکن است تشکيل گردد. با اين حال، افزايش اندازه سکو در محل‌هاي تغيير سطح مقطع و نيز افزايش سرعت رشد، احتمال تشکيل دانه‌هاي سرگردان و تعداد آن‌ها را بيشتر خواهد کرد. بر اساس نتايج تجربي و شبيه‌سازي بدست آمده، شرايط بحراني براي تشکيل دانه‌هاي سرگردان برحسب اندازه سکو، سرعت رشد و قطر اوليه نمونه ارائه گرديد. نتايج حاضر نشان داد که با افزايش ضخامت قالب سراميکي از ? به ?? ميلي‌متر، پهناي دانه‌هاي ستوني به ميزان کمي افزايش مي‌يابد، ليکن درشت‌تر شدن ساختار دندريتي محسوس‌تر است. کلمات کليدي : سوپرآلياژ پايه نيکل GTD-111 ، دانه‌ي سرگردان، انجماد جهت‌دار، پره توربين گاز

ارتقاء امنیت وب با وف بومی