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 del molde y se abre camino hacia el bebedero . La solidificación progresiva, también conocida como solidificación paralela , [1] es la solidificación que comienza en las paredes del molde y progresa perpendicularmente desde esa superficie. [2]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/f/f0/Directional_solidification.svg/300px-Directional_solidification.svg.png)
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/74/Progressive_solidification.svg/300px-Progressive_solidification.svg.png)
Teoría
La mayoría de los metales y aleaciones se encogen a medida que el material cambia de un estado líquido a un estado sólido. Por lo tanto, si no se dispone de material líquido 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]
![Casting solidification conditions.svg](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/97/Casting_solidification_conditions.svg/300px-Casting_solidification_conditions.svg.png)
La forma geométrica de la cavidad del molde tiene un efecto directo sobre la solidificación progresiva y direccional. Al final de las geometrías de tipo túnel, se produce un flujo de calor divergente , lo que hace que esa área de la fundición se enfríe más rápido que las áreas circundantes; esto se llama efecto final . Las cavidades grandes no se enfrían tan rápido como las áreas circundantes porque hay menos flujo de calor; esto se llama efecto de subida . También tenga en cuenta que las esquinas pueden crear áreas de flujo de calor divergentes o convergentes (también conocidas como puntos calientes ). [4]
Para inducir escalofríos de solidificación direccional , se pueden utilizar elevadores , manguitos aislantes, control de la velocidad de vertido y temperatura de vertido. [5]
La solidificación direccional se puede utilizar como 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 concentración de impurezas más baja que la materia prima, mientras que la última el 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 metal determinado depende del coeficiente de reparto 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 paso de purificación en la producción de silicio multicristalino para células solares . [ cita requerida ]
Efectos microestructurales
La solidificación direccional es la técnica preferida para fundir superaleaciones a base de níquel a alta temperatura que se utilizan en motores de turbina de aviones. Algunos problemas microestructurales como la estructura dendrítica gruesa, las ramas laterales largas de la dendrita y la porosidad obstaculizan el pleno potencial de las aleaciones monocristalinas basadas en ni. [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 antes del frente de solidificación y V es la tasa de solidificación. [7] Esta relación debe mantenerse dentro de un rango para asegurar la formación de cristales únicos con la microestructura correcta de la dendrita gruesa con ramas laterales. [8] Se ha encontrado que el aumento de la velocidad de enfriamiento de solidificación mejora aún más las propiedades mecánicas y la vida de ruptura de los monocristales que crecen por 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 espacio entre el moho y la semilla y se solidifica. [10] Esto es catastrófico para las propiedades mecánicas de las superaleaciones a base de Ni como CMSX4, y puede minimizarse manteniendo la tolerancia de <001> de la superficie local normal. [11] Además, el rango de orientaciones axiales en el bloque de inicio de solidificación direccional debe minimizarse con el fin de hacer crecer con éxito un monocristal. [12] Esto es difícil dependiendo del rango de orientaciones en el bloque de inicio DS y, por lo tanto, hace que el control de la orientación sea una gran área de enfoque. [13]
En las aleaciones a base de Ti-Al, la microestructura laminar exhibe propiedades anisotrópicas en la dirección laminar y, por lo tanto, la cinética y la orientación de su crecimiento son esenciales para optimizar sus propiedades mecánicas. [14] La selección de un crecimiento de solidificación direccional donde la estructura laminar es 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 de semilla, que esté correctamente orientado y que nuclee nuevas laminillas durante el procesamiento con la misma orientación que el material original. [17] Se coloca delante de la masa principal de 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 solo es exitoso para una pequeña ventana de solidificación, ya que su éxito 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 de la fase alfa. enfriamiento. [20]
Referencias
- ^ Stefanescu , 2008 , p. 67.
- ↑ a b Chastain , 2004 , p. 104.
- ^ Kuznetsov, AV; Xiong, M. (2002). "Dependencia de la formación de microporosidades en la dirección de solidificación". Comunicaciones internacionales en calor y transferencia de masa . 29 (1): 25–34. doi : 10.1016 / S0735-1933 (01) 00321-9 .
- ^ Stefanescu , 2008 , p. 68.
- ^ Chastain 2004 , págs. 104-105, ..
- ^ Fu, Geng, Hengzhi, Xingguo (2001). "Solidificación direccional de alta velocidad y su aplicación en superaleaciones monocristalinas" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 2 (1): 197–204. Código bibliográfico : 2001STAdM ... 2..197F . doi : 10.1016 / S1468-6996 (01) 00049-3 .
- ^ Fu, Geng, Hengzhi, Xingguo (2001). "Solidificación direccional de alta velocidad y su aplicación en superaleaciones monocristalinas" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 2 (1): 197–204. Código bibliográfico : 2001STAdM ... 2..197F . doi : 10.1016 / S1468-6996 (01) 00049-3 .
- ^ Fu, Geng, Hengzhi, Xingguo (2001). "Solidificación direccional de alta velocidad y su aplicación en superaleaciones monocristalinas" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 2 (1): 197–204. Código bibliográfico : 2001STAdM ... 2..197F . doi : 10.1016 / S1468-6996 (01) 00049-3 .
- ^ Fu, Geng, Hengzhi, Xingguo (2001). "Solidificación direccional de alta velocidad y su aplicación en superaleaciones monocristalinas" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 2 (1): 197–204. Código bibliográfico : 2001STAdM ... 2..197F . doi : 10.1016 / S1468-6996 (01) 00049-3 .
- ^ Yamaguchi, M (mayo de 2000). "Solidificación direccional de aleaciones a base de TiAl" . Intermetálicos . 8 (5–6): 511–517. doi : 10.1016 / S0966-9795 (99) 00157-0 . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
- ^ Yamaguchi, M (mayo de 2000). "Solidificación direccional de aleaciones a base de TiAl" . Intermetálicos . 8 (5–6): 511–517. doi : 10.1016 / S0966-9795 (99) 00157-0 . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
- ^ Yamaguchi, M (mayo de 2000). "Solidificación direccional de aleaciones a base de TiAl" . Intermetálicos . 8 (5–6): 511–517. doi : 10.1016 / S0966-9795 (99) 00157-0 . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
- ^ Yamaguchi, M (mayo de 2000). "Solidificación direccional de aleaciones a base de TiAl" . Intermetálicos . 8 (5–6): 511–517. doi : 10.1016 / S0966-9795 (99) 00157-0 . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
- ^ D'Souza, D. (noviembre de 2000). "Solidificación direccional y monocristalina de superaleaciones a base de Ni: Parte I. El papel de las isotermas curvas en la selección de granos" (PDF) . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 31A (11): 2877–2886. Código Bib : 2000MMTA ... 31.2877D . doi : 10.1007 / BF02830351 .
Bibliografía
- Chastain, Stephen (2004), Fundición de metales: un manual de fundición en arena para la pequeña fundición, Vol. II , 4 , Stephen Chastain, ISBN 978-0-9702203-3-2.
- Stefanescu, Doru Michael (2008), Ciencia e ingeniería de la solidificación de la fundición (2a ed.), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8.
Otras lecturas
- Campbell, John (12 de junio de 2003), Castings (2a ed.), Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-4790-6.
- Wlodawer, Robert (1966), solidificación direccional de fundiciones de acero , Pergamon Press.