La solidificación direccional (DS) y la solidificación progresiva son tipos de solidificación dentro de las piezas fundidas . La solidificación direccional es la solidificación que se produce desde el extremo más alejado de la pieza fundida y avanza hacia la colada . La solidificación progresiva, también conocida como solidificación paralela , [1] es la solidificación que comienza en las paredes de la pieza fundida y progresa perpendicularmente desde esa superficie. [2]
La mayoría de los metales y aleaciones se encogen a medida que el material pasa de un estado líquido a un estado sólido. Por lo tanto, si no hay material líquido disponible para compensar esta contracción, se forma un defecto de contracción . [3] Cuando la solidificación progresiva domina sobre la solidificación direccional, se formará un defecto de contracción. [2]
La forma geométrica de la cavidad del molde tiene un efecto directo en la solidificación progresiva y direccional. Al final de las geometrías de tipo túnel, se produce un flujo de calor divergente , que hace que esa zona de la pieza fundida se enfríe más rápido que las zonas circundantes; esto se denomina efecto final . Las cavidades grandes no se enfrían tan rápido como las zonas circundantes porque hay menos flujo de calor; esto se denomina efecto de elevación . Tenga en cuenta también que las esquinas pueden crear zonas de flujo de calor divergentes o convergentes (también conocidas como puntos calientes ). [4]
Para inducir enfriamientos de solidificación direccionales , se pueden utilizar elevadores , manguitos aislantes, control de la velocidad de vertido y de la temperatura de vertido. [5]
La solidificación direccional se puede utilizar como un proceso de purificación. Dado que la mayoría de las impurezas serán más solubles en el líquido que en la fase sólida durante la solidificación, las impurezas serán "empujadas" por el frente de solidificación, lo que hará que gran parte de la fundición terminada tenga una menor concentración de impurezas que el material de partida, mientras que el último metal solidificado se enriquecerá con impurezas. Esta última parte del metal se puede desechar o reciclar. La idoneidad de la solidificación direccional para eliminar una impureza específica de un cierto metal depende del coeficiente de partición de la impureza en el metal en cuestión, como se describe en la ecuación de Scheil . La solidificación direccional ( fusión en zona ) se emplea con frecuencia como un paso de purificación en la producción de silicio policristalino para células solares . [ cita requerida ]
La solidificación direccional es la técnica preferida para la fundición de superaleaciones a base de níquel de alta temperatura que se utilizan en motores de turbina de aeronaves. Algunos problemas microestructurales, como la estructura dendrítica gruesa, las ramificaciones laterales dendríticas largas y la porosidad, dificultan el pleno potencial de las aleaciones monocristalinas a base de níquel. [6] Esta morfología se puede entender observando la relación G/V de una solidificación, donde G es el gradiente de temperatura en la masa fundida delante del frente de solidificación y V es la velocidad de solidificación. [7] Esta relación se debe mantener dentro de un rango para garantizar la formación de un solo cristal con la microestructura correcta de la dendrita gruesa con ramificaciones laterales. [8] Se ha descubierto que aumentar la velocidad de enfriamiento de la solidificación mejora aún más las propiedades mecánicas y la vida útil de ruptura de los monocristales cultivados mediante solidificación direccional debido al refinamiento de los precipitados y'. [9]
En los crecimientos de solidificación direccional de monocristales, los granos espurios se nuclean cuando el metal fundido fluye hacia un espacio entre el molde/semilla y se solidifica. [10] Esto es catastrófico para las propiedades mecánicas de las superaleaciones a base de Ni, como CMSX4, y se puede minimizar manteniendo la tolerancia de <001> con respecto a la normal de la superficie local. [11] Además, el rango de orientaciones axiales en el bloque de inicio de solidificación direccional debe minimizarse para hacer crecer con éxito un monocristal. [12] Esto es difícil dependiendo del rango de orientaciones en el bloque de inicio de DS y, por lo tanto, hace que el control de la orientación sea un área de enfoque grande. [13]
En las aleaciones base Ti-Al, la microestructura laminar exhibe propiedades anisotrópicas en la dirección laminar y por lo tanto la cinética y orientación de su crecimiento son fundamentales para optimizar sus propiedades mecánicas. [14] Seleccionar un crecimiento de solidificación direccional donde la estructura laminar sea paralela a la dirección de crecimiento dará como resultado una alta resistencia y ductilidad. [15] Es aún más difícil precipitar esta fase ya que no se forma a partir del líquido sino del estado sólido. [16] La primera forma de superar este desafío es utilizando un material semilla, que esté orientado adecuadamente y que nuclee nuevas láminas durante el procesamiento con la misma orientación que el material original. [17] Se coloca frente a la masa principal del material para que cuando la masa fundida se solidifique tenga un precedente para la orientación correcta a seguir. [18] Si no se utiliza una semilla, el otro método para lograr la fase laminar única de alta resistencia es tener la estructura laminar orientada a lo largo de la dirección de crecimiento. [19] Sin embargo, esto sólo es exitoso para una pequeña ventana de la solidificación, ya que su éxito a partir del crecimiento columnar de la fase beta seguido por el crecimiento equiaxial de la fase alfa y la aleación con boro se ve comprometido por el alto gradiente térmico del enfriamiento. [20]
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