CH523729A - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus Hochtemperaturlegierungen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus   Hochtemperaturlegierungen   
Die amerikanische Patentschrift Nr. 3 260 505 beschreibt das Giessen von gerichtet erstarrten Gegenständen, wie z.B.



  Turbinenschaufeln und -flügeln. In der amerikanischen Patentschrift Nr. 540 114 vom 17. Februar 1966 wird das Giesser von Einkristall-Gegenständen beschrieben. In jedem Fall waren neu erdachte Verfahren erforderlich, um diese in der Patentschrift und in der Patentanmeldung beschriebenen Gegenstände herzustellen. Die beim Giessen der Gegenstände gesammelten Erfahrungen haben zu neuen Verfahren geführt, nach welchen solche Gegenstände erzeugt werden können.



   Die Erfindung betrifft ein Giessverfahren, nach welchem diese Gegenstände einzeln oder in grösseren Mengen erzeugt werden können. Sie ermöglicht die genauere Regelung des Kühlvorganges bei der Erstarrung der gegossenen Legierungen oder Metalle, um dadurch die gewünschte Struktur innerhalb des gegossenen Gegenstandes zu erzielen.



   Die Erfindung ermöglicht ferner ein Giessverfahren zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer gegossener Gegenstände, bei welchem die Legierung in den verschiedenen gegossenen Gegenständen nicht die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen muss und bei welchem in einem einzigen Giessvorgang in verschiedenen Formen sowohl gerichtet erstarrte als auch Einkristall-Gegenstände erzeugt werden können.



   Die Erfindung betrifft auch eine bei der Ausführung des Giessverfahrens verwendbare neue Giessvorrichtung.



   Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vakuumkammer,
Fig. 2 den Aufnahmebehälter im Grundriss,
Fig. 3 den Aufnahmebehälter mit den denselben umgebenden Heizwicklungen im senkrechten Längsschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2,
Fig. 4 in grösserem Massstab eine im Aufnahmebehälter angeordnete Form zum gerichtet erstarrten Giessen,
Fig. 5 eine Teilansicht einer Form zum Giessen von Einkristall-Gegenständen,
Fig. 6 in grösserem Massstab eine Fig. 4 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Form.



   Mit einer Vakuumkammer 2 sind (nicht dargestellte) bekannte Einrichtungen zum Erzeugen eines Vakuums in derselben verbunden. Die Kammer weist einen Unterteil 4 und einen Deckel 6 mit zusammenwirkenden Flanschen 8 und 10 auf, um den Deckel in Stellung zu halten. Eine Hebeöse 12 kann zum Abnehmen und Aufsetzen des Deckels verwendet werden.



   Im Unterteil 4 ist eine Kühlplatte 14 derart angeordnet, dass dieselbe in senkrechter Richtung beweglich ist. Dies geschieht durch einen Zylinder 16 und einen in demselben verschiebbaren Kolben 18, mit dessen Kolbenstange 20 die Kühlplatte verbunden ist. Ein Ventil 22 regelt die Zuführung von Druckmedium zum Kolben, der somit einen wirksamen Teil des Unterteils bildet. Biegsame Verbindungen 24 bewirken einen Umlauf von Kühlflüssigkeit durch die Kühlplatte.



   Oberhalb der Kühlplatte ist ein ortsfester Stützring 26 angebracht, auf welchem ein Aufnahmebehälter 28 gelagert ist, in dem die Formen 40 (Fig. 3) angeordnet sind. Der Ring weist eine solche Grösse auf, dass die Kühlplatte in Berührung mit dem Boden des Aufnahmebehälters aufwärtsbewegt werden kann. Innerhalb der Vakuumkammer ist auch eine Heizeinrichtung angeordnet, wie z.B. das Widerstandsheizelement 32, das zur Erhitzung der Kammer dient. Mehrere axial ausgerichtete primäre Induktionswicklungen 34a, 34b und 34c sind so angeordnet, dass dieselben den Aufnahmebehälter dicht umschliessen und zum Erhitzen desselben dienen. Diese Wicklungen werden von Stützen 36 getragen, die auf dem Ring 26 aufruhen.

  Die Wicklungen werden einzeln von getrennten Schaltern 27 (Fig. 3) gesteuert, so dass die Wicklungen während der Erstarrung der Legierung von der unteren zur oberen Wicklung nacheinander ausgeschaltet werden können.



   Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist der Aufnahmebehälter 28 vorzugsweise ein Zylinder, der eine solche Grösse aufweist, dass derselbe in die Induktionswicklungen passt und auf dem Ring 26 aufruht. Der Zylinder ist mit mehreren axial gerichteten durchgehende Öffnungen 38 versehen, die in geringem Abstand voneinander liegen, so dass zwischen denselben nur dünne Wände verbleiben. Der Zylinder besteht vorzugsweise aus Graphit und wirkt als Sekundärwicklung für die primären Induktionswicklungen. Jede Öffnung nimmt eine Form 40  auf, deren unteres Ende ungefähr in der gleichen Ebene wie der Boden des Aufnahmebehälters liegt. Eine Anordnung im Abstand oberhalb dieser Ebene kann verwendet werden, um die thermischen Gradienten in der Form und die Geschwindigkeit der Erstarrung in derselben zu regeln.

  Von den Wänden der Öffnungen 38 vorstehende Elemente 42 begrenzen die Abwärtsbewegung der Form innerhalb der Öffnung.



   Die Öffnungen 38 sind vorzugsweise zylindrisch und weisen eine solche Grösse auf, dass die in denselben angeordneten Formen genau in die Öffnungen passen. Wenn eine verhältnismässig flache Form verwendet werden soll, kann es wünschenswert erscheinen, die Öffnung genauer der Gestalt der Form anzupassen. Die axiale Abmessung des Aufnahmebehälters ist so gewählt, dass dieselbe im wesentlichen gleich jener der zu verwendenden Formen ist.



   Jede Form ist eine Mantelform, und das Verfahren zur Herstellung dieser Formen ist bekannt. Beim erfindungsgemässen Verfahren und der Vorrichtung ist die Form mit einem Gegenstandsteil 44 versehen, der einen Hohlraum aufweist, welcher der Gestalt des fertigen Gegenstandes entspricht. Bei der dargestellten Anordnung ist der Gegenstand eine Turbinenschaufel, die einen Mantelteil 46, einen Flügelteil 48 und einen Wurzelteil 50 aufweist. Unterahlb des Gegenstandsteils ist in der Form eine Wachstumszone 52 vorgesehen, die ein Erweiterung über den Wurzelteil 50 hinaus bildet. Der Boden der Form wird durch einen Endverschluss 54 gebildet.



   Oberhalb des Gegenstandsteils der Form ist eine vorzugsweise zylindrische Erweiterung 56 zur Aufnahme eines Angusses der zu giessenden Legierung vorgesehen. Die Länge der vollständigen Form ist vorzugsweise im wesentlichen die Länge der Öffnung im Aufnahmebehälter, in welcher die Form angeordnet ist. Das Volumen der Erweiterung 56 ist grösser als das Volumen des übrigen Teils der Form, so dass der Anguss in geschmolzenem Zustand den übrigen Teil der Form ausfüllen wird.



   Die vorstehend beschriebene Form ist für gerichtet erstarrte Gegenstände geeignet. Eine ähnliche Form mit einem abgeänderten unteren Ende dient für Einkristall-Gussstücke.



  Wie Fig. 5 zeigt, weist zu diesem Zweck der Wurzelteil 50a eine andere Art der Wachstumszone auf, die ein zickzackförmiger Teil 58 ist. Es wurde gefunden, dass derselbe an seinem oberen Ende einen einzigen Kristall erzeugt, welcher sein Wachstum als solcher durch das ganze Gussstück fortsetzt.



  Diese Ausbildung ist in der oben erwähnten amerikanischen Patentanmeldung Nr. 540 114 beschrieben.



   Wenn die Kühlplatte in die wirksame Stellung in Berührung mit der Bodenfläche der Form bewegt wird, beginnt das Kornwachstum am unteren Ende des Hohlraumes und wird im zickzakförmigen Teil zu einem einzigen Kristall, dessen Wachstum auf einer im wesentlichen waagrechten Berührungsfläche zwischen fester und flüssiger Phase na   h   oben fortschreitet, bis die Legierung vollständig erstarrt ist.



   Eine abgeänderte Form ist in Fig. 6 dargestellt, gemäss welcher die Form den Gegenstandsteil 44a aufweist und oberhalb desselben an Stelle eines Hohlraumes für die erstarrte Legierung eine Eingussöffnung 60, durch welche die geschmolzene Legierung von aussen in die Form eingeführt wird. Bei dieser Anordnung sind mehrere Formen durch eine sternförmige Eingussöffnung miteinander verbunden, um dieselben gleichzeitig zu füllen. Diese Anordnung ist beispielsweise verwendbar, wenn alle gegossenen Gegenstände aus der gleichen Legierung bestehen.



   Im Betrieb wird der Aufnahmebehälter mit den in demselben angeordneten Formen in den Ofen eingebracht und in demselben erhitzt, wobei die Kühlplatte im Abstand von den Formen liegt, bis die ganze Form eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Legierung aufweist. Die Form wird dann gefüllt, indem entweder die geschmolzene Legierung in die Form oder die Formen eingegossen wird (Fig. 6) oder indem die Legierung am oberen Ende des Hohlraumes schmilzt und in den Teil der Form nach unten fliesst, in dem das Gussstück geformt wird. Wenn sich der Aufnahmebehälter und die Formen oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung befinden, wird die Legierung in geschmolzenem Zustand gehalten, bis die Erstarrung beginnt.



   Zu diesem Zweck wird die Kühlplatte in Berührung mit dem Boden des Aufnahmebehälters und dem Boden der Formen bewegt und ungefähr zur gleichen Zeit wird die   uhterste    Heizwicklung ausgeschaltet. Die Kühlplatte kühlt den Boden der Formen, so dass die nach oben gerichtete Erstarrung innerhalb der Formen beginnt. Gleichzeitig bewegt sich die   Berührungsfla..che    zwischen der erstarrten Legierung und der noch flüssigen Legierung oberhalb derselben mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben, dass die Berührungsfläche während des ganzen Erstarrungsvorganges im wesentlichen waagrecht bleibt.



   Wenn sich die Berührungsfläche aufwärts bewegt, werden von unten aufeinanderfolgende Heizwicklungen ausgeschaltet, damit der Aufnahmebehälter und die Formen in demselben auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt werden, so dass die Erstarrung innerhalb der Formen beendet werden kann.



  Mit einem Aufnahmebehälter der dargestellten und beschrie   'benen    Art ist es möglich, im ganzen Aufnahmebehälter und in den in demselben angeordneten Formen während des Erhitzens derselben eine im wesentlichen gleichmässige Temperatur zu erzielen und die Geschwindigkeit der aufwärts gerichteten Abkühlung der Formen und des Aufnahmebehälters während der Erstarrung der Legierung in den Formen wirksam zu regeln. Die Geschwindigkeit der Abkühlung und demgemäss die Geschwindigkeit der Erstarrung der Legierung wird leicht geregelt durch die Wärmeabsorptionswirkung der Kühlplatte und die Geschwindigkeit, mit welcher die aufeinanderfolgenden Heizwicklungen während der Abkühlung ausgeschaltet werden.

   Die Geschwindigkeit der Abkühlung kann unter gewissen Bedingungen durch Herausziehen des Aufnahmebehälters aus den Induktionswicklungen statt durch aufeinanderfolgendes Ausschalten der Wicklungen geregelt werden. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   I. Verfahren, bei dem aus Hochtemperaturlegierungen Gussstücke hergestellt werden, in welchen die Kristallstruktur gerichtet eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Formen in einem Aufnahmebehälter erhitzt werden, der mehrere Öffnungen zur Aufnahme der einzelnen Formen aufweist, wobei jede Form an dem unteren Ende mit einem Gegenstandsteil versehen ist, dass die Formen und der Aufnahmebehälter durch im Abstand liegende Induktionswicklungen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Legierung erhitzt werden, dass wenigstens die Gegenstandsteile der Formen mit der geschmolzenen Legierung gefüllt werden und dass eine Kühlplatte mit dem Boden der Formen und des Aufnahmebehälters in Berührung gebracht wird, um das Erstarren der Legierung in den Formen zu bewirken.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch eine Kühlplatte (14), durch einen Aufnahmebehälter (28), der während des Giessens auf der Kühlplatte (14) aufliegt und mit mehreren durchgehenden, senkrecht gerichteten Öffnungen (38) versehen ist, durch mehrere rund um den Aufnahmebehälter angeordnete, in senkrechtem Abstand liegende Heizwicklungen (34a, 34b, 34c) und durch eine in jeder senkrechten Öffnung (38) angeordnete Giessform (40), welche dicht in die Öffnung passt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionswicklungen von der Kühlplatte bis zum oberen Ende der Form nacheinander ausgeschaltet werden, wenn die Erstarrung der Legierung stattfindet.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte mit dem unteren Ende der Form in Berührung gebracht wird, um die Erstarrung an dieser Stelle beginnen zu lassen.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formen und der Aufnahmebehälter zwecks zusätzlicher Erhitzung in einem Vakuumofen eingebracht werden.

   4. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass jede Form (40) einen Gegenstandsteil (44), sowie zwischen dem Gegenstandsteil und dem Boden der Form eine Wachstumszone (52) aufweist.

   5. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumszone aus einem zickzackförmigen Teil (58) zur Bildung eines einzigen Kristalls besteht.

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebehälter (28) aus Graphit besteht und die Heizwicklungen (34a, 34b, 34c) aus einzeln regelbaren Induktionswicklungen bestehen.

   7. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Form (40) oberhalb des Gegenstandsteils (44) einen Hohlraum (56) aufweist, welcher eine während des Giessvorgangs zu schmelzende Legierung aufnimmt, so dass in den verschiedenen Formen verschiedene Legierungen verwendet werden können.