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.
Method and device for the production of castings from high temperature alloys
American patent specification No. 3,260,505 describes the casting of directionally solidified objects, e.g.
Turbine blades and vanes. In the American patent no. 540 114 of February 17, 1966, the casting of single crystal objects is described. In each case, newly devised methods were required to produce these objects described in the patent specification and in the patent application. The experience gained in casting the objects has led to new methods by which such objects can be produced.
The invention relates to a casting method by which these objects can be produced individually or in larger quantities. It enables more precise control of the cooling process during the solidification of the cast alloys or metals, in order to achieve the desired structure within the cast object.
The invention also enables a casting method for the simultaneous production of several cast objects, in which the alloy in the different cast objects does not have to have the same chemical composition and in which both directionally solidified and single crystal objects can be produced in a single casting process in different shapes .
The invention also relates to a new pouring device that can be used when carrying out the pouring process.
Embodiments of the invention are explained in more detail below. In the drawings shows:
1 shows a longitudinal section through a vacuum chamber,
2 shows the receptacle in plan,
3 shows the receptacle with the heating coils surrounding it in a vertical longitudinal section along the line 3-3 in FIG. 2,
4 shows, on a larger scale, a mold arranged in the receiving container for directionally solidified casting,
5 shows a partial view of a mold for casting single-crystal objects,
6 shows, on a larger scale, a view similar to FIG. 4 of a modified form.
Known devices (not shown) for generating a vacuum therein are connected to a vacuum chamber 2. The chamber has a base 4 and a lid 6 with cooperating flanges 8 and 10 to hold the lid in place. A lifting eye 12 can be used to remove and replace the cover.
A cooling plate 14 is arranged in the lower part 4 in such a way that it can be moved in the vertical direction. This is done by a cylinder 16 and a piston 18 which is displaceable in the same and to the piston rod 20 of which the cooling plate is connected. A valve 22 regulates the supply of pressure medium to the piston, which thus forms an effective part of the lower part. Flexible connections 24 cause cooling liquid to circulate through the cooling plate.
A stationary support ring 26 is attached above the cooling plate, on which a receiving container 28 is mounted, in which the molds 40 (FIG. 3) are arranged. The ring is of such a size that the cooling plate can be moved upwards into contact with the bottom of the receptacle. A heater is also disposed within the vacuum chamber, e.g. the resistance heating element 32, which serves to heat the chamber. A plurality of axially aligned primary induction coils 34a, 34b and 34c are arranged in such a way that they tightly enclose the receptacle and serve to heat the same. These windings are carried by supports 36 which rest on the ring 26.
The windings are individually controlled by separate switches 27 (FIG. 3) so that the windings can be switched off one after the other from the lower to the upper winding while the alloy is solidifying.
As shown in FIGS. 2 and 3, the receptacle 28 is preferably a cylinder which is sized to fit into the induction windings and to rest on the ring 26. The cylinder is provided with a plurality of axially directed through openings 38 which are located at a small distance from one another so that only thin walls remain between them. The cylinder is preferably made of graphite and acts as a secondary winding for the primary induction windings. Each opening receives a mold 40, the lower end of which is approximately in the same plane as the bottom of the receptacle. A spacing above this plane can be used to control the thermal gradients in the shape and the rate of solidification therein.
Members 42 protruding from the walls of the openings 38 limit downward movement of the mold within the opening.
The openings 38 are preferably cylindrical and are of such a size that the molds arranged in them fit exactly into the openings. If a relatively flat shape is to be used, it may appear desirable to match the opening more closely to the shape of the shape. The axial dimension of the receptacle is chosen so that it is essentially the same as that of the molds to be used.
Each shape is a shell shape and the method of making these shapes is known. In the method and device according to the invention, the mold is provided with an object part 44 which has a cavity which corresponds to the shape of the finished object. In the illustrated arrangement, the object is a turbine blade that has a shell portion 46, a wing portion 48 and a root portion 50. Below the object part, a growth zone 52 is provided in the mold, which forms an extension beyond the root part 50. The bottom of the mold is formed by an end closure 54.
A preferably cylindrical widening 56 for receiving a sprue of the alloy to be cast is provided above the object part of the mold. The length of the complete mold is preferably substantially the length of the opening in the receptacle in which the mold is arranged. The volume of the extension 56 is greater than the volume of the remainder of the mold, so that the sprue will fill the remainder of the mold when it is molten.
The shape described above is suitable for directionally solidified objects. A similar shape with a modified lower end is used for single crystal castings.
As FIG. 5 shows, the root part 50a has a different type of growth zone, which is a zigzag-shaped part 58, for this purpose. It has been found that it produces a single crystal at its upper end which, as such, continues to grow throughout the casting.
This design is described in the above-mentioned American patent application no. 540 114.
When the cooling plate is moved into the operative position in contact with the bottom surface of the mold, the grain growth begins at the lower end of the cavity and becomes a single crystal in the zigzag-shaped part, the growth of which on a substantially horizontal contact surface between the solid and liquid phases progresses above until the alloy is completely solidified.
A modified shape is shown in FIG. 6, according to which the shape has the object part 44a and, above it, instead of a cavity for the solidified alloy, a pouring opening 60 through which the molten alloy is introduced from the outside into the mold. In this arrangement, a plurality of molds are connected to one another by a star-shaped gate to fill them simultaneously. This arrangement can be used, for example, when all cast objects are made of the same alloy.
In operation, the receptacle with the molds arranged in it is placed in the furnace and heated in the same, the cooling plate being at a distance from the molds, until the entire mold has a temperature above the melting point of the alloy. The mold is then filled by either pouring the molten alloy into the mold or molds (Fig. 6) or by melting the alloy at the top of the cavity and flowing down into the part of the mold where the casting will be formed . When the receptacle and molds are above the melting temperature of the alloy, the alloy is held in a molten state until solidification begins.
For this purpose the cooling plate is moved into contact with the bottom of the receptacle and the bottom of the molds and at about the same time the lowest heating coil is switched off. The cooling plate cools the bottom of the molds so that the upward solidification begins within the molds. At the same time, the contact surface between the solidified alloy and the still liquid alloy above it moves upwards at such a speed that the contact surface remains essentially horizontal during the entire solidification process.
When the contact surface moves upwards, successive heating coils are switched off from below so that the receptacle and the molds therein are cooled to a lower temperature so that the solidification within the molds can be terminated.
With a receptacle of the type shown and described, it is possible to achieve a substantially uniform temperature throughout the receptacle and in the molds arranged in the same while it is being heated and the rate of the upward cooling of the molds and the receptacle during solidification to regulate the alloy in the molds effectively. The rate of cooling and, accordingly, the rate of solidification of the alloy is easily controlled by the heat absorbing effect of the cooling plate and the rate at which the successive heating coils are switched off during cooling.
The rate of cooling can, under certain conditions, be controlled by pulling the receptacle out of the induction coils rather than by sequentially turning off the coils.