Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Erzeugnissen, wobei geschmolzenes Metall in mindestens eine Form eingegossen wird, deren Grundplatte gekühlt wird, worauf nach der Keimung des sich infolge der Kühlung bildenden Kristalls der eigentliche Kristallisationsprozess durch allmähliches Kühlen der Form von unten nach oben durchgeführt wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung kann vor allem in der Metallurgie ihre Anwendung finden, insbesondere zur Herstellung von einkristallinen Gussstücken.
Diese Erfindung kann auch bei der Herstellung von Gussblöcken und Erzeugnissen aus Metallen und deren Legierung mit beliebiger oder vorgegebener kristallographischer Orientierung angewendet werden, beispielsweise bei der Herstellung von Turbinenmotorschlaufen, von Dauermagneten u. dgl.
Die einkristallinen Erzeugnisse unterscheiden sich von den gewöhnlichen polykristallinen Erzeugnissen vor allem durch Fehlen von Grenzen zwischen verschieden und beliebig orientierten Kristallen, welche oft eine schwache Stelle beim Betrieb der Erzeugnisse, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, darstellen. Da ein Kristall ausserdem die Anisotropie besitzt, d. h. seine Eigenschaften, besonders die magnetischen und mechanischen, von der kristallographischen Orientierung abhängig sind, kann bei der Verwendung von einkristallinen Erzeugnissen eine optimale Kristallorientierung ausgenutzt werden, die dem Erzeugnis die höchsten Vorteile bei den Betriebsbedingungen verleiht.
Untersuchungen zeigen, dass die Betriebsdauer von einkristallinen Schaufeln in einem Turbinenmotor bei der maximalen Betriebstemperatur des Motors etwa um das Vierfache und bei mässigen Temperaturen um das 8- bis 10fach gegenüber den polykristallinen Schaufeln zunimmt, während die Leistung von einkristallinen Dauermagneten sich gegenüber den Magneten mit polykristalliner Struktur um das Drei- bis Vierfache erhöht.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Erzeugnissen bekannt, welches darin besteht, dass man geschmolzenes Metall in eine Form eingiesst, deren Grundplatte gekühlt wird, worauf man nach der Keimung der Anzahl der Kristalle, die sich als Resultat der Kühlung bildet, den eigentlichen Kristallisationsprozess durch allmähliches Kühlen der Form von unten nach oben durchführt.
Bei dem bekannten Verfahren wird eine keramische Form verwendet, als deren Boden eine wassergekühlte Metallplatte dient, mit welcher die Form mittels eines mit Schraubenbolzen versehenen Flansches verbunden ist.
Das geschmolzene Metall wird in die Form eingegossen.
Hierbei bilden sich auf dem Boden der Form infolge einer schroffen Unterkühlung der Schmelze eine grosse Anzahl kleiner gleichachsiger Kristalle mit beliebiger kristallographischer Orientierung, wie dies üblicherweise bei der Kristallisation des in eine kalte Kokille eingegossenen Metalls an den Kokillenwänden und dem Boden beobachtet wird.
Infolge des Kokurrenzwachstums bleiben aus dieser Vielzahl von Kristallen nur die am schnellsten wachsenden Kristalle am Leben, deren zur Kante einer kubischen Kristallzelle parallele Wachstumsrichtung die kristallographische Bezeichnung 001 hat. Diese Kristalle sind praktisch zueinander parallel und wachsen normal zur Oberfläche der wassergekühlten Platte. In einem gewissen Abstand von der Platte geht der vertikale Raum der Form in einen horizontalen Kanal über, wodurch diejenigen Kristalle entnommen werden, welche an den Übergang angrenzen. Die säulenförmigen Kristalle gehen in tafelartige über.
Dann wird mit Hilfe eines nächsten Übergangsraumes, der normal zu dem ersten liegt, aus dieser Gruppe tafelartiger Kristalle ein an den Übergang angrenzender Kristall herausgeführt, der in den vertikalen Raum der Form, welcher das Erzeugnis bildet, nunmehr eingeführt wird.
Auf diese Weise wird ein Impfer mit der kristallographischen Richtung 001 gewählt, von welchem auch das Grunderzeugnis, beispielsweise die Schaufel eines Turbinenmotors, wächst.
Diese Methode besitzt eine Reihe von Nachteilen, von denen einer in der Möglichkeit besteht, die Erzeugnisse nur in einer kristallographischen Orientierung, nämlich 001, zu erhalten. Dies schaltet die Möglichkeit aus, Erzeugnisse mit anderen Orientierungen, beispielsweise 112, 111, herzustellen, die 001 an einer Reihe von Betriebscharakteristiken übertreffen können.
Ausserdem wird das ganze unter dem Hohlraum des Erzeugnisses befindliche System von Übergängen und Hohlräumen als Abfall verworfen, d. h. die Zweckbestimmung dieses Systems besteht lediglich in der Entnahme nur eines Kristalls, der in den das Erzeugnis bildenden Hohlraum der Form eingeführt wird. Dasselbe System aus Hilfshohlräumen entfernt das Erzeugnis auf einen beträchtlichen Abstand von dem Kühler, was eine intensive Abkühlung des Erzeugnisses behindert, wodurch dessen mechanische Eigenschaften herabgesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Erzeugnissen und eine solche Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei welcher die Form zum Eingiessen der Schmelze des Erzeugnismaterials in diese und die Kühlbedingungen dieser Form die Herstellung eines Erzeugnisses ermöglichen würden, das unmittelbar von einem sich auf dem Boden der Form bildenden Keim gezüchtet wird, während die kristallographische Orientierung in Abhängigkeit von den an das Erzeugnis gestellten Forderungen vorgegeben wird.
Diese Aufgabe wird mittels des erfindungsgemässen Verfahrens gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Erzeugnis in wenigstens einer Form hergestellt wird, die zwei Hohlräume enthält: den oberen Hauptraum, der die Gestalt des Erzeugnisses nachahmt, und einen an diesen angrenzenden unteren Hilfsraum, welcher in Form eines sich nach unten verbreiternden abgestumpften Kegels ausgebilet ist, der an seiner unteren Grundfläche einen in Horizontalrichtung gestreckten keilförmigen Vorsprung besitzt, in dessen Spitze man mit Hilfe des Kühlers die Bedingungen einer äusserst schroffen Unterkühlung zur Bildung eines Kristallkeimes in dieser Spitze und zu dessen rascher Ausbreitung längs der Kontur der Grundplatte schafft.
Das vorgeschlagene Verfahren wird in einer Einrichtung realisiert, die mindestens eine Form zum Eingiessen der Schmelze des Erzeugnismaterials in diese, welche Form eine flache waagrechte Grundplatte besitzt, und einen Kühler enthält, der sich unter der Grundplatte der Form parallel zu dieser befindet.
Gemäss der Erfindung enthält die Form zwei Hohlräume: einen oberen Hauptraum, der die Gestalt des Erzeugnisses nachahmt, und einen an diesen angrenzenden unteren Hilfsraum, welcher in Form eines sich nach unten verbreiternden abgestumpften Kegels ausgebildet ist, der an seiner unteren Grundfläche einen in Horizontalrichtung gestreckten keilförmigen Vorsprung besitzt.
Zur bequemen Unterbringung der Form des Erzeugnisses in der beheizten Kammer und zur rationellen Ausnutzung von deren Volumen ist es zweckmässig, dass die Hilfsräume von mindestens zwei Formen durch die Spitzen der keilförmigen Vorsprünge verbunden sind und einen Block bilden, während deren Verbindungsstelle über dem zentralen Teil des Kühlers liegt und die Stelle der Entstehung des einzigen natürlichen Kristallkeimes darstellt, der mindestens zwei Erzeugnisse mit gleicher kristallographischer Orientierung bildet.
Es ist zweckmässig, dass die Form eines grossen Erzeugnisses, das in der beheizten Kammer allein untergebracht werden kann, unter dem Hauptraum zwei Hilfsräume besitzt, die durch die Spitzen der keilförmigen Vorsprünge verbunden sind und deren Verbindungsstelle über dem zentralen Teil des Kühlers liegt.
Bei einer der Ausführungsvarianten der Erfindung ist an der Entstehungsstelle des natürlichen Kristallkeims über den Impfer ein künstlicher Keim eingeführt, der es erlaubt, einen Kristall mit einer durch den künstlichen Keim vorgegebenen kristallographischen Orientierung der Erzeugnisachse zu erhalten.
In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung stellt der Impfer einen aus einem Kristall der bekannten kristallographischen Orientierung ausgeschnittenen Rotationskörper dar, bei dessen Drehen man die kristallographische Ebene des Impfers parallel zur Ebene des Erzeugnisses einstellt.
Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, dass an der Entstehungsstelle des natürlichen Kristallkeimes die Form einer Impftasche zur Aufnahme des Impfers hat, die normal zur Grundplatte der Form angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung befindet sich unter dem Impfer in Kontakt mit demselben eine Einheit zu dessen Kühlung zwecks Regelung des Impferabschmelzens.
Die nächste Ausführungsvariante der Erfindung ermöglicht die Herstellung von Hoblerzeugnissen, wozu in die Form ein Kern eingesetzt wird, der nach Beendigung der Kristallisation entfernt wird.
In der erfindungsgemässen Einrichtung ist bei Anwendung des künstlichen Kristallkeimes im zentralen Teil des Kühlers eine Aussparung für die Impftasche mit dem Impfer und für die Kühleinheit des Impfers vorgesehen, welche in diese Aussparung beim Heben des Kühlers eintreten.
Nachstehend wird eine eingehende Beschreibung der Erfindung mit Bezugsnahme auf beigefügte Zeichnungen angeführt. Es zeigen:
Fig. 1 das Schema der Einrichtung zur Herstellung von einkristallinen Erzeugnissen nach der Erfindung, Gesamtansicht, Längsschnitt,
Fig. 2 dasselbe, eine Ausführungsvariante,
Fig. 3 die Form zur Herstellung eines einkristallinen Gussblocks, Längsschnitt,
Fig. 4 das Schema eines Blocks aus zwei Formen,
Fig. 5 das Schema eines Blocks aus sechs Formen zur Herstellung von einkristallinen Schaufeln eines Turbinenmotors,
Fig. 6 das Schema einer Form zur Herstellung eines grossen Erzeugnisses,
Fig. 7 den Hilfsraum der Form zur Herstellung eines einkristallinen Gussblocks, Planansicht,
Fig. 8 den Hilfsraum der Form zur Herstellung einer einkristallinen Schaufel,
Fig. 9 denselben, eine Ausführungsvariante,
Fig. 10 eine Turbinenschaufel,
Fig.
11 dieselbe, eine Ausführungsvariante,
Fig. 12 Seitenansicht des Schaufelschlosses,
Fig. 13 Seitenansicht des Schaufelflügels,
Fig. 14 einen einkristallinen zylindrischen Gussblock,
Fig. 15 zylindrische Gussblöcke, hergestellt in einem Block aus zwei Formen von einem Keim,
Fig. 16 zylindrische Gussblöcke, hergestellt in einem Block aus vier Formen von einem Keim,
Fig. 17 zwei einkristalline zylindrische Gussblöcke, hergestellt von einem künstlichen Keim über einen Impfer,
Fig. 18 dieselben, Orientierung in einem stereographischen Dreieck,
Fig. 19 die Orientierung von in einem Block aus zwei Formen hergestellten Gussblöcken in einem stereographischen Dreieck,
Fig. 20 die Orientierung von in einem Block aus vier Formen hergestellten Gussblöcken in einem stereographischen Dreieck,
Fig. 21 zwei einkristalline zylindrische Gussblöcke mit in einem Block mit diesen hergestellten Impfern.
Die Einrichtung zur Herstellung von einkristallinen Erzeugnissen enthält eine Form 1 (Fig. 1), die von einem Graphitheizelement 2, montiert an Stromzuführungen 3, umgeben ist. Die Form 1 besitzt einen Haupthohlraum A, der die Gestalt des Erzeugnisses nachahmt, und einen Hilfshohlraum B, welcher sich an den ersteren von unten her anschliesst. Unter der Form 1 befindet sich ein Kühler 4. Die Form 1 mitsamt den Heizelementen 2 und dem Kühler 4 sind in einer Vakuumkammer 5 mit wassergekühlten Wänden untergebracht. Durch den oberen Deckel der Kammer 5 ist eine vertikale Stange 6 eingeführt, die sich in bezug auf die Kammer 5 nach oben und unten bewegen kann. In ihrem Inneren weist die Stange einen Kanal zu deren Kühlung mittels Wassers während der Arbeit auf. Der Antrieb der Stange besteht aus einem Elektromotor mit Getriebe (aus der Zeichnung nicht ersichtlich).
Am Ende der Stange 6 ist innerhalb der Kammer 5 ein Halter 7 zur Befestigung der Form 1 an diesem angebracht. Den Boden der Kammer 5 durchdringt eine vertikale bewegliche Stange 8, an deren oberem Ende innerhalb der Kammer 5 der Kühler 4 montiert ist. Die Stangen 6 und 8 sind miteinander fluchtend. Der Kühler 4 stellt eine horizontale flache Platte dar, welche mittels Wassers gekühlt wird, das durch einen in der Stange 8 ausgeführten Kanal zufliesst, der mit einem Kanal im Körper der Platte des Kühlers 4 in Verbindung steht. Die Stange 8 wird ebenfalls durch einen Elektromotor über ein Getriebe (nicht dargestellt) angetrieben. Die Form wird an dem Halter 7 über ein Übergangsstück 9 aufgehängt, der als Greifer zur Halterung der Form 1 dient. Zur Herstellung von Erzeugnissen mit vorgegebener kristallographischer Orientierung wird ein Impfkristall ausgenutzt.
Hierbei wird die Form 1 (Fig. 2) des Erzeugnisses mit einer Impftasche 10 ausgestattet, in der ein Impfer 11 untergebracht wird. Unter dem Impfer 11 wird in der Impftasche 10 eine metallische Mutter 12 angebracht, an der eine Kühleinheit 13 zur Kühlung des Impfers 11 befestigt wird, welche mit der unteren Impferfläche in Kontakt steht. Die Kühleinheit 13 für den Impfer 11 dient zur Wärmeabführung von diesem und zur Regelung seiner Abschmelzung. In diesem Falle besitzt der Kühler 4 in seinem zentralen Teil ein Loch 14, in welche die Impftasche 10 mit dem Impfer 11 und die Kühleinheit 13 für den Impfer 11 eingebracht werden.
Die Tiefe des Loches 14 hängt von der Grösse des Impfers 11 und der Kühleinheit 13, welche vollständig in die Aussparung 14 eingetaucht werden sollen, damit der Kühler 4 mit der Grundplatte der Form 1 zur Durchführung des Kristallisationsprozesses in Kontakt kommen kann.
Die Kühleinheit 13 für den Impfer 11 besteht aus einem metallischen, beispielsweise kupfernen Zylinder, der in einen Becher 15 eingesetzt ist, welcher sich längs der Mantellinien des Zylinders verschieben kann. Hierdurch kann die Länge der Kühleinheit 13 verändert und dabei die Grösse des Abstandes zwischen der Grundplatte der Form 1 und dem Kühler 4 reguliert werden.
Die Form 1 enthält zwei Hohlräume: den oberen Hauptraum A, der die Erzeugnisgestalt nachahmt, und den an den ersteren angrenzenden Hilfsraum B, welcher in Form eines sich nach unten verbreiternden abgestumpften Kegels ausgebildet ist, der an seiner unteren Grundfläche einen in Horizontalrichtung gestreckten keilförmigen Vorsprung besitzt.
Die Ausführung eines derartigen Vorsprungs erfolgt bei der Herstellung der Form 1 nach dem Ausschmelzverfahren.
Hierbei wird in eine metallische Pressform, deren Innenraum die Gestalt und die Abmessungen des künftigen Erzeugnisses nachahmt, eine leichtschmelzende Masse, beispielsweise ein Paraffin-Stearin-Gemisch oder Harnstoff eingegossen. Das erhaltene Modell wird in eine dicke Bindemasse eingetaucht, auf welche dann durch ein Sieb eine Schicht feingemahlenes körniges Material, beispielsweise Elektrokorund, geschüttet wird. Nach der Trocknung wird erneutes Eintauchen des Modells und Aufschütten des körnigen Materials vorgenommen, bis achtzehn Schichten aufgebracht sind.
Daraufhin wird das Modell ausgeschmolzen oder aufgelöst, während die Hülle geröstet wird. Die hergestellte Form 1 soll einen flachen Boden besitzen, dessen Dicke über seine ganze Fläche gleich sein soll. Dies ist notwendig, um eine konstante Wärmeleitfähigkeit des Bodens auf der ganzen Fläche desselben sicherzustellen.
Der Impfer 11 stellt einen Rotationskörper, beispielsweise einen Zylinder oder einen Kegel dar, der aus einem Einkristall mit bekannter kristallographischer Orientierung ausgeschnitten ist. Auf diese Weise ist die kristallographische Orientierung des Impfers 11 ebenfalls bekannt. Durch Drehen des Impfers 11 um dessen Achse wird seine kristallographische Ebene parallel oder unter einem vorgegebenen Winkel zur Ebene des Erzeugnisses eingestellt.
Die Leistung des Kühlers 4 wird in Abhängigkeit von der Zeit gewählt, die für die Kühlung der Grundplatte der Form 1 und zur Unterkühlung der ihren Hilfsraum B füllenden Schmelze des Materials erforderlich ist. Ist der Kühler 4 zu leistungsfähig, so kann er die Kühlung nicht nur der Grundplatte der Form 1, sondern auch der an dieser anliegenden Abschnitte der Formseitenfläche hervonufen, was unerwünscht ist. Bei geringer Leistung des Kühlers 4 wird der Prozess der Unterkühlung der Schmelze des Materials im Hilfsraum B der Form 1 und die Keimung des Kristalls zu sehr in die Länge gezogen, was sich auf die Homogenität des Einkristalls des Erzeugnisses hinsichtlich der kristallographischen Orientierung zu Beginn dessen Wachstums störend auswirken kann.
Zur Herstellung von Hohlerzeugnissen, z. B. von Schaufeln eines Turbinenmotors mit für ihre Kühlung bestimmtem Hohlraum, wird in die Form 1 ein Kern 16 eingebracht, welcher die Gestalt des Hohlraums innerhalb des Erzeugnisses nachahmt.
Das Wesen des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung von einkristallinen Erzeugnissen besteht darin, dass die Schicht der in die Form 1 eingegossenen Schmelze in der Spitze des keilförmigen Vorsprungs des Hilfsraumes der Form am dünnsten sein wird. Ausserdem ist die Wärmeleitfähigkeit der Schmelze über dem zentralen Teil des Hilfsraumes bedeutend höher als die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs der Form 1 über der dünnen Schmelzschicht in der Spitze des keilförmigen Vorsprungs.
Hierdurch wird unter dem Einfluss des Kühlers 4 eine schroffe Unterkühlung im keilförmigen Vorsprung erzeugt, die längs der Kontur der Grundfläche des Hilfsraumes allmählich abnimmt, weshalb ein radialer Temperaturgradient in Richtung zu deren Spitze zu verzeichnen ist. Alle oben aufgezählten Ursachen begünstigen die Keimung des Kristalls in der Spitze des keilförmigen Vorsprungs der Form 1 und dessen rasche Ausbreitung längs des Umfangs der Grundfläche, was die Entstehung von parasitären Kristallen in diesem Bereich ausschliesst.
Die Einrichtung arbeitet folgenderweise.
Die in dem Vakuumofen 5 befindliche Form 1 wird mit Hilfe von Heizelementen 2 auf eine Temperatur, die über dem Kristallisationsbeginn der Schmelze liegt, erwärmt.
Hiernach wird das in einem gesonderten Ofen geschmolzene Metall in die Form 1 eingegossen. Die Temperatur der Schmelze wird unmittelbar davor vermittels eines Tauch Thermoelements kontrolliert. Die Temperatur der Schmelze im Moment des Eingiessens in die Form soll um 100-120 höher als die Temperatur des Kristallisationsbeginns, jedoch etwas niedriger als die Temperatur der Form 1 sein, derart, dass sie nach dem Eingiessen dicht an der Grundplatte der Form um 30-40 C gegenüber der Temperatur der Wände der Form 1 in derselben Höhe niedriger liegt. Das zu sehr überhitzte Metall erfordert anderweitige Kühlbedingungen, was zur Entstehung von parasitären Kristallen an der Grundplatte der Form führen kann.
Der Kühler 4 befindet sich bei der Erwärmung der Form 1 in einem solchen Abstand von deren Grundplatte, dass sein kühlender Einfluss auf die Form praktisch ausgeschlossen ist.
Nach dem Eingiessen des Metalls in die Form 1 wird eine Haltezeit eingehalten, die zur Einstellung einer Übereinstimmung der Temperatur von Schmelze und Form notwendig ist.
Am Ende der Haltezeit soll die Temperatur der Schmelze unmittelbar an der Grundplatte der Form 1 um 30-40 C höher als die Temperatur des Kristallisationsbeginns sein.
Um die Keimung des Kristalls zustandezubringen, wird an die Grundplatte der Form 1 der an der beweglichen Stange 8 befestigte Kühler 4 mit einer Geschwindigkeit herangeführt, die dessen Kontakt mit der Form 1 zu einem Zeitpunkt gewährleistet, in welchem die Temperatur der Schmelze an ihrer Grundplatte um 30-40 C niedriger als die Temperatur des Kristallisationsbeginns wird. Dieser Prozess dauert in dem gegebenen Beispiel 10-12 min.
Im Augenblick des Kontakts des Kühlers 4 mit der Grundplatte der Form 1 ist die Schmelze im keilförmigen Vorsprung des Hilfsraumes B und etwas darüber bereits erstarrt. Somit ist während der Zeit der allmählichen Annäherung des Kühlers 4 an die Grundplatte der Form 1 in der Spitze ihres keilförmigen Vorsprungs die Unterkühlung der Schmelze und die Bildung eines einzigen Kristallkeimes eingetreten, der sich dann am Umfang der Grundplatte der Form 1 ausgebreitet hat.
Nach dem Zustandekommen des Kontakts zwischen Kühler 4 und Form 1 wird die letztere von dem Halter 7 gelöst, und die Form 1 wird auf dem Kühler 4 mit Hilfe der Stange 8 allmählich aus der Zone der Heizelemente 2 nach unten herausgeführt. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlers 4 mit der auf ihm stehenden Form 1 hängt von der Gestalt des Erzeugnisses ab.
Um zu vermeiden, dass sich auf der Oberfläche des Erzeugnisses parasitäre Kristalle bilden, soll die Temperatur der Wände der Form 1 über der Wachstumsfront oberhalb der Temperatur des Erstarrungsbeginns von Metall aufrechterhalten werden, was durch die Beibehaltung des Temperaturgradienten, gegebenenfalls etwa 10 grd/cm, sichergestellt wird.
Das Kristallwachstum wird derartig kontrolliert, dass die Trennungsfläche Schmelze-Kristall, d. h. die Wachstumsfront, auf ein und demselben Niveau gegenüber dem Heizelement 2 der Form 1 beibehalten wird. Für diese Kontrolle sorgt ein die Lage der Wachstumsfront überwachendes Thermoelement, dessen Anzeigen bis zur Beendigung der Absenkung der Form 1 in die kalte Zone konstant sein sollen.
Bei der Herstellung von Hohlerzeugnissen ruft der in die Form eingebrachte Kern 16 (Fig. 12 und 13) keine Änderungen in der Bildung und im Wachstum des Kristallkeims hervor. Hierbei umfliesst der Kristall, indem er sich über die Fläche der Grundplatte der Form 1 ausbreitet, den Kern 16 allseitig. Nach der Herstellung des Erzeugnisses wird der Kern nach dem hydrodynamischen oder irgendeinem anderen Verfahren entfernt.
Wird zur Herstellung des Erzeugnisses der Impfer 11 ausgenutzt, so wird er in die Impftasche 10 eingesetzt. Die Impftasche 10 und die Kühleinheit 13 für den Impfer 11 treten während der Verschiebung des Kühlers 4 in die Aussparung 14 im zentralen Teil des Kühlers 4 ein. Hierbei hebt sich der bewegliche Becher 15 nach oben bis zum Zusammenfallen mit dem Hauptzylinder der Kühleinheit 13, wobei sich deren Länge verringert. Im Augenblick des Kontaktes des Kühlers 4 mit der Grundplatte der Form 1 sind die Impftasche 10 und die Kühleinheit 13 vollständig in die Aussparung 14 eingetaucht und behindern diesen Kontakt nicht.
Der weitere Vorgang der Herstellung des Erzeugnisses verläuft ebenso wie im vorhergehenden Fall.
Zur rationelleren Ausnutzung des Volumens der Vakuumkammer 5 werden in dieser in der Regel gleichzeitig mindestens zwei Erzeugnisse hergestellt. Hierbei werden die Hilfsräume von zumindest zwei Formen 1 mit den Spitzen der keilförmigen Vorsprünge verbunden, indem sie einen Block bilden. Die Verbindungsstelle befindet sich über dem zentralen, also dem kältesten Teil des Kühlers 4. Die Formen 1 sind symmetrisch zueinander aufgestellt. Auf dieselbe Weise können vier, sechs und noch mehr Formen verbunden werden.
In diesem Fall erfolgt die Keimung des Kristalls an der Verbindungsstelle der keilförmigen Vorsprünge, und im weiteren verläuft der Prozess genauso wie bei der Herstellung nur eines Erzeugnisses.
Auf ähnliche Weise können Impfer hergestellt werden, die die bekannte kristallographische Orientierung, vorgegeben durch den künstlichen Keim (Fig. 21), besitzen.
In Fig. 15 sind einkristalline zylindrische Gussblöcke gezeigt, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren in einem Block aus zwei Formen hergestellt sind.
In den Fig. 19 und 20 werden die Ergebnisse der nach dem Laue-Verfahren vorgenommenen Bestimmung der kristallographischen Orientierung der Gussblöcke, welche jeweils in einem Block aus zwei bzw. aus vier Formen 1 hergestellt sind, angeführt. Wie aus den beiden stereographischen Dreiecken ersichtlich ist, überschreiten die Abweichungen in der Orientierung nicht zwei Grad in den beiden Fällen.
In den Fig. 10 und 11 sind nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Turbinenschaufeln abgebildet. Fig. 17 zeigt zwei zylindrische Gussblöcke C und D mit gemeinsamer Grundfläche, welche die durch den Impfer 11 vorgegebene kristallographische Orientierung haben.
In Fig. 18 sind die Ergebnisse bei der Bestimmung der Orientierung der beiden Gussblöcke im Vergleich mit der kristallographischen Orientierung des Impfers 11 angeführt.
Die Ergebnisse liegen im Bereich von zwei Graden.
In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der Bestimmung von Dauerfestigkeit und Kriechdehnung angeführt, welche bei der Prüfung von Probekörpern mit 38 mm Länge und 3 mm Durchmesser aus einer hochhitzefesten Legierung auf Nickelbasis bei einer Temperatur von 980" C und einer Belastung von 21 kp/mm2 erhalten wurden. Einkristalline Probekörper K,L,M,N und polykristalline Probekörper O,P,Q,R wurden nach der thermischen Behandlung geprüft, die in der Haltezeit derselben während vier Stunden bei der Temperatur 12200 C, in der Abkühlung an der Luft und der nachfolgenden Alterung während 32 Stunden bei 870" C bestand.
Tabelle Bez. des Dauer in Dehnung, Ein- Prüfungsart Probe- Std. vor der % schnürung körpers Zerstörung K 283 20,0 30,0 Dauerfestigkeit L 141,4 20,0 30,0 Dauerfestigkeit M 282,5 24,8 31,4 Kriechen N 321,0 25,5 31,5 Kriechen 0 16,0 1,0 2,0 Dauerfestigkeit P 30,5 3,5 6,5 Q 29,0 2,0 6,5 R 11,5 3,5 6,5
Wie aus der Tabelle hervorgeht, übertreffen die Prüfungsergebnisse der einkristallinen Probekörper K,L,M,N beträchtlich die Prüfungsergebnisse für die polykristallinen Probekörper O,P,Q,R sowohl nach der Lebenszeit vor der Zerstörung als auch nach der Dehnung und Einschnürung, was für die einkristallinen Turbinenschaufeln eine Verlängerung der Betriebszeit des Turbinenmotors um das 4- bis 6fache bedeutet.
The invention relates to a process for the production of monocrystalline products, in which molten metal is poured into at least one mold, the base plate of which is cooled, whereupon the actual crystallization process is carried out by gradually cooling the mold from bottom to top after the crystal that forms as a result of the cooling has germinated as well as a facility to carry out the procedure.
The present invention can be used primarily in metallurgy, in particular for the production of single-crystal castings.
This invention can also be used in the manufacture of ingots and products made of metals and their alloys with any or predetermined crystallographic orientation, for example in the manufacture of turbine motor loops, permanent magnets and the like. like
The monocrystalline products differ from the usual polycrystalline products primarily in the lack of boundaries between differently and arbitrarily oriented crystals, which often represent a weak point in the operation of the products, especially at elevated temperatures. Since a crystal also has the anisotropy, i. H. its properties, especially the magnetic and mechanical properties, are dependent on the crystallographic orientation, an optimal crystal orientation can be used when using single-crystal products, which gives the product the greatest advantages in terms of operating conditions.
Studies show that the service life of monocrystalline blades in a turbine engine at the maximum operating temperature of the engine increases by about four times and at moderate temperatures by 8 to 10 times compared to polycrystalline blades, while the performance of monocrystalline permanent magnets is higher than that of magnets with polycrystalline ones Structure increased three to four times.
A method of manufacturing single crystal products is known which consists in pouring molten metal into a mold, the base plate of which is cooled, followed by the actual crystallization process after the number of crystals that are formed as a result of the cooling have germinated by gradually cooling the mold from bottom to top.
In the known method, a ceramic mold is used, the bottom of which is a water-cooled metal plate, to which the mold is connected by means of a flange provided with screw bolts.
The molten metal is poured into the mold.
A large number of small equiaxed crystals with any crystallographic orientation form on the bottom of the mold as a result of abrupt undercooling of the melt, as is usually observed during the crystallization of the metal poured into a cold mold on the mold walls and the bottom.
As a result of the growth of the competition, only the fastest growing crystals of this multitude of crystals remain alive, whose direction of growth parallel to the edge of a cubic crystal cell has the crystallographic designation 001. These crystals are practically parallel to each other and grow normal to the surface of the water-cooled plate. At a certain distance from the plate, the vertical space of the form merges into a horizontal channel, whereby those crystals are removed which adjoin the transition. The columnar crystals merge into tabular ones.
Then, with the help of a next transition space, which is normal to the first, a crystal adjoining the transition is brought out of this group of tabular crystals, which is now introduced into the vertical space of the mold which forms the product.
In this way, a seed is selected with the crystallographic direction 001, from which the basic product, for example the blade of a turbine engine, also grows.
This method has a number of disadvantages, one of which is the possibility of obtaining the products in only one crystallographic orientation, namely 001. This eliminates the possibility of making products with other orientations, such as 112, 111, which can outperform 001 in a number of operating characteristics.
In addition, the entire system of junctions and cavities under the cavity of the product is discarded as waste; H. the purpose of this system is only to remove only one crystal, which is inserted into the cavity of the mold forming the product. The same system of auxiliary cavities removes the product a considerable distance from the cooler, which hinders intensive cooling of the product, thereby reducing its mechanical properties.
The invention is based on the object of creating a method for the production of monocrystalline products and such a device for carrying out this method, in which the mold for pouring the melt of the product material into it and the cooling conditions of this mold would enable the production of a product which is grown directly from a seed forming on the bottom of the mold, while the crystallographic orientation is specified depending on the requirements placed on the product.
This object is achieved by means of the method according to the invention, which is characterized in that the product is produced in at least one form which contains two cavities: the upper main space, which imitates the shape of the product, and a lower auxiliary space adjoining this, which in The shape of a truncated cone that widens downwards and has a horizontally stretched wedge-shaped protrusion on its lower base, at the top of which the conditions of an extremely abrupt undercooling with the aid of the cooler are established for the formation of a crystal nucleus in this tip and its rapid expansion creates along the contour of the base plate.
The proposed method is implemented in a device which contains at least one mold for pouring the melt of the product material into it, which mold has a flat horizontal base plate, and a cooler which is located under the base plate of the mold parallel to it.
According to the invention, the mold contains two cavities: an upper main space, which imitates the shape of the product, and a lower auxiliary space adjoining this, which is designed in the form of a truncated cone that widens downwards and which has a horizontally stretched cone on its lower base Has wedge-shaped projection.
To conveniently accommodate the shape of the product in the heated chamber and to make efficient use of its volume, it is useful that the auxiliary spaces of at least two shapes are connected by the tips of the wedge-shaped projections and form a block, while their junction is over the central part of the Cooler and represents the point of origin of the only natural crystal nucleus that forms at least two products with the same crystallographic orientation.
It is convenient that the shape of a large product, which can be accommodated in the heated chamber alone, has two auxiliary spaces under the main space, which are connected by the tips of the wedge-shaped projections and the junction of which is above the central part of the cooler.
In one of the variant embodiments of the invention, an artificial seed is introduced via the seed at the point where the natural crystal seed is formed, which makes it possible to obtain a crystal with a crystallographic orientation of the product axis predetermined by the artificial seed.
In another embodiment of the invention, the seeder is a body of revolution cut out of a crystal of the known crystallographic orientation, the rotation of which sets the crystallographic plane of the seeder parallel to the plane of the product.
Another embodiment variant is that at the point of origin of the natural crystal nucleus it has the shape of an inoculation pocket for receiving the inoculant, which is arranged normal to the base plate of the mold.
In a further embodiment of the invention, a unit for cooling it for the purpose of regulating the melting of the inoculation is located under the inoculation in contact with the same.
The next variant of the invention enables the manufacture of planed products, for which purpose a core is inserted into the mold, which is removed after the crystallization has ended.
In the device according to the invention, when the artificial crystal seed is used, a recess is provided in the central part of the cooler for the inoculation bag with the inoculator and for the cooling unit of the inoculator, which enter this recess when the cooler is lifted.
A detailed description of the invention will now be given with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows the scheme of the device for the production of single-crystal products according to the invention, overall view, longitudinal section,
Fig. 2 the same, an embodiment variant,
3 shows the mold for producing a single-crystal cast block, longitudinal section,
4 shows the diagram of a block of two shapes,
5 shows the diagram of a block of six molds for the production of single-crystal blades of a turbine engine,
6 shows the diagram of a mold for the production of a large product,
7 shows the auxiliary space of the mold for producing a monocrystalline cast block, plan view,
8 shows the auxiliary space of the mold for the production of a monocrystalline blade,
9 the same, an embodiment variant,
10 shows a turbine blade,
Fig.
11 the same, a variant,
12 side view of the shovel lock,
13 side view of the blade wing,
14 shows a monocrystalline cylindrical cast block,
Fig. 15 cylindrical cast blocks made in one block from two molds from one seed,
Fig. 16 cylindrical ingots made in one block of four shapes from a seed,
17 shows two monocrystalline cylindrical cast blocks, produced from an artificial seed via an inoculation,
18 shows the same, orientation in a stereographic triangle,
19 shows the orientation of casting blocks produced in a block from two molds in a stereographic triangle,
20 shows the orientation of cast blocks produced in a block of four molds in a stereographic triangle,
21 shows two monocrystalline cylindrical cast ingots with inoculants produced in one ingot with them.
The device for the production of monocrystalline products contains a mold 1 (FIG. 1) which is surrounded by a graphite heating element 2, mounted on power supply lines 3. The mold 1 has a main cavity A, which imitates the shape of the product, and an auxiliary cavity B, which adjoins the former from below. Under the mold 1 there is a cooler 4. The mold 1 together with the heating elements 2 and the cooler 4 are housed in a vacuum chamber 5 with water-cooled walls. A vertical rod 6 is inserted through the top cover of the chamber 5 and can move up and down with respect to the chamber 5. In its interior, the rod has a channel for cooling it with water during work. The drive of the rod consists of an electric motor with gear (not shown in the drawing).
At the end of the rod 6, a holder 7 for fastening the mold 1 to the chamber 5 is attached. The bottom of the chamber 5 is penetrated by a vertical movable rod 8, at the upper end of which the cooler 4 is mounted within the chamber 5. The rods 6 and 8 are aligned with one another. The cooler 4 represents a horizontal flat plate which is cooled by means of water flowing in through a channel made in the rod 8 which communicates with a channel in the body of the plate of the cooler 4. The rod 8 is also driven by an electric motor via a gear (not shown). The mold is suspended from the holder 7 via a transition piece 9, which serves as a gripper for holding the mold 1. A seed crystal is used to manufacture products with a given crystallographic orientation.
Here, the form 1 (FIG. 2) of the product is equipped with an inoculation bag 10 in which an inoculant 11 is accommodated. A metallic nut 12 is attached under the vaccine 11 in the vaccination pocket 10, to which a cooling unit 13 for cooling the vaccine 11 is attached, which is in contact with the lower vaccination surface. The cooling unit 13 for the inoculator 11 serves to dissipate heat from this and to regulate its melting. In this case, the cooler 4 has a hole 14 in its central part, into which the inoculation pocket 10 with the inoculation 11 and the cooling unit 13 for the inoculation 11 are introduced.
The depth of the hole 14 depends on the size of the inoculant 11 and the cooling unit 13, which are to be completely immersed in the recess 14 so that the cooler 4 can come into contact with the base plate of the mold 1 to carry out the crystallization process.
The cooling unit 13 for the inoculation 11 consists of a metallic, for example copper, cylinder which is inserted into a cup 15 which can move along the surface lines of the cylinder. As a result, the length of the cooling unit 13 can be changed and the size of the distance between the base plate of the mold 1 and the cooler 4 can be regulated.
The mold 1 contains two cavities: the upper main space A, which imitates the shape of the product, and the auxiliary space B adjoining the former, which is designed in the form of a truncated cone that widens downwards and has a wedge-shaped projection extending in the horizontal direction on its lower base owns.
The execution of such a projection takes place during the production of the mold 1 by the melt-out process.
In this case, a light-melting mass, for example a paraffin-stearin mixture or urea, is poured into a metallic mold, the interior of which mimics the shape and dimensions of the future product. The model obtained is immersed in a thick binding compound, onto which a layer of finely ground, granular material, for example electro corundum, is poured through a sieve. After drying, the model is dipped again and the granular material is poured in until eighteen layers have been applied.
The model is then melted out or dissolved while the shell is roasted. The mold 1 produced should have a flat bottom, the thickness of which should be the same over its entire surface. This is necessary to ensure a constant thermal conductivity of the floor over the entire surface.
The seed 11 represents a body of revolution, for example a cylinder or a cone, which is cut out of a single crystal with a known crystallographic orientation. In this way the crystallographic orientation of the vaccine 11 is also known. By rotating the inoculant 11 about its axis, its crystallographic plane is set parallel or at a predetermined angle to the plane of the product.
The output of the cooler 4 is selected as a function of the time required for cooling the base plate of the mold 1 and for subcooling the melt of the material filling its auxiliary space B. If the cooler 4 is too powerful, it can produce the cooling not only of the base plate of the mold 1, but also of the portions of the side face of the mold which bear against it, which is undesirable. When the cooler 4 is low, the process of subcooling the melt of the material in the auxiliary space B of mold 1 and the germination of the crystal is drawn out too long, which affects the homogeneity of the single crystal of the product with regard to the crystallographic orientation at the beginning of its growth can have a disruptive effect.
For the production of hollow products, e.g. B. blades of a turbine engine with a cavity intended for their cooling, a core 16 is placed in the mold 1, which mimics the shape of the cavity within the product.
The essence of the proposed method for producing single-crystal products is that the layer of melt poured into the mold 1 will be thinnest in the tip of the wedge-shaped projection of the auxiliary space of the mold. In addition, the thermal conductivity of the melt over the central part of the auxiliary space is significantly higher than the thermal conductivity of the material of mold 1 over the thin layer of melt in the tip of the wedge-shaped projection.
As a result, under the influence of the cooler 4, a sharp undercooling is generated in the wedge-shaped projection, which gradually decreases along the contour of the base area of the auxiliary space, which is why a radial temperature gradient is recorded in the direction of its tip. All the causes listed above favor the germination of the crystal in the tip of the wedge-shaped projection of the mold 1 and its rapid expansion along the circumference of the base area, which excludes the formation of parasitic crystals in this area.
The facility works as follows.
The mold 1 located in the vacuum furnace 5 is heated with the aid of heating elements 2 to a temperature which is above the start of crystallization of the melt.
The metal, which has been melted in a separate furnace, is then poured into the mold 1. The temperature of the melt is checked immediately beforehand using an immersion thermocouple. The temperature of the melt at the moment of pouring into the mold should be 100-120 higher than the temperature at the start of crystallization, but slightly lower than the temperature of mold 1, so that after pouring it close to the base plate of the mold by 30- 40 C compared to the temperature of the walls of the mold 1 is lower at the same level. The overheated metal requires other cooling conditions, which can lead to the formation of parasitic crystals on the base plate of the mold.
When the mold 1 is heated, the cooler 4 is at such a distance from its base plate that its cooling influence on the mold is practically excluded.
After the metal has been poured into the mold 1, a holding time is observed which is necessary to establish a match between the temperature of the melt and the mold.
At the end of the holding time, the temperature of the melt directly on the base plate of mold 1 should be 30-40 C higher than the temperature at the start of crystallization.
In order to bring about the germination of the crystal, the cooler 4 attached to the movable rod 8 is brought up to the base plate of the mold 1 at a speed which ensures its contact with the mold 1 at a time when the temperature of the melt on its base plate is around 30-40 C lower than the temperature of the start of crystallization. In the example given, this process takes 10-12 minutes.
At the moment of contact of the cooler 4 with the base plate of the mold 1, the melt in the wedge-shaped projection of the auxiliary space B and a little above it has already solidified. Thus, during the time of the gradual approach of the cooler 4 to the base plate of the mold 1 in the tip of its wedge-shaped projection, the melt has undercooled and the formation of a single crystal nucleus has occurred, which has then spread around the circumference of the base plate of the mold 1.
After the contact between the cooler 4 and the mold 1 has been established, the latter is released from the holder 7, and the mold 1 is gradually guided out of the zone of the heating elements 2 downwards on the cooler 4 with the aid of the rod 8. The speed of movement of the cooler 4 with the mold 1 standing on it depends on the shape of the product.
In order to prevent parasitic crystals from forming on the surface of the product, the temperature of the walls of the mold 1 above the growth front should be maintained above the temperature at which the metal starts to solidify, which is achieved by maintaining the temperature gradient, possibly about 10 degrees / cm, is ensured.
The crystal growth is controlled in such a way that the interface between melt and crystal, i.e. H. the growth front, is maintained at the same level with respect to the heating element 2 of the mold 1. This control is provided by a thermocouple that monitors the position of the growth front and whose displays should be constant until the end of the lowering of the mold 1 into the cold zone.
In the manufacture of hollow products, the core 16 introduced into the mold (FIGS. 12 and 13) does not cause any changes in the formation and in the growth of the crystal nucleus. Here, the crystal flows around the core 16 on all sides by spreading over the surface of the base plate of the mold 1. After the product has been manufactured, the core is removed by hydrodynamic or some other method.
If the inoculation device 11 is used to manufacture the product, it is inserted into the inoculation bag 10. The inoculation pocket 10 and the cooling unit 13 for the inoculation 11 enter the recess 14 in the central part of the cooler 4 during the displacement of the cooler 4. Here, the movable cup 15 rises up until it coincides with the main cylinder of the cooling unit 13, the length of which is reduced. At the moment of contact between the cooler 4 and the base plate of the mold 1, the inoculation pocket 10 and the cooling unit 13 are completely immersed in the recess 14 and do not impede this contact.
The rest of the manufacturing process for the product is the same as in the previous case.
For more efficient use of the volume of the vacuum chamber 5, at least two products are usually produced in this at the same time. Here, the auxiliary spaces of at least two molds 1 are connected to the tips of the wedge-shaped projections by forming a block. The connection point is located above the central, ie the coldest part of the cooler 4. The molds 1 are set up symmetrically to one another. Four, six and more shapes can be connected in the same way.
In this case, the crystal germinates at the junction of the wedge-shaped projections, and the process continues in the same way as in the production of just one product.
In a similar manner, inoculants can be produced which have the known crystallographic orientation given by the artificial seed (FIG. 21).
FIG. 15 shows monocrystalline cylindrical cast blocks which are produced in one block from two molds according to the method according to the invention.
19 and 20 show the results of the Laue method determination of the crystallographic orientation of the cast ingots which are each made in a ingot of two and four molds 1, respectively. As can be seen from the two stereographic triangles, the deviations in orientation do not exceed two degrees in the two cases.
Turbine blades produced according to the proposed method are shown in FIGS. 10 and 11. 17 shows two cylindrical cast blocks C and D with a common base area, which have the crystallographic orientation specified by the inoculator 11.
In FIG. 18, the results of the determination of the orientation of the two ingots in comparison with the crystallographic orientation of the inoculant 11 are shown.
The results are in the range of two degrees.
The table below shows the results of the determination of fatigue strength and creep strain which were obtained when testing specimens 38 mm long and 3 mm in diameter made from a high-temperature nickel-based alloy at a temperature of 980 ° C. and a load of 21 kp / mm2 Monocrystalline specimens K, L, M, N and polycrystalline specimens O, P, Q, R were tested after the thermal treatment, which was the holding time of the same for four hours at the temperature 12200 C, in the cooling in the air and the subsequent aging for 32 hours at 870 ° C.
Table Description of the duration in elongation, one test type Trial hours before% lacing body Destruction K 283 20.0 30.0 Fatigue strength L 141.4 20.0 30.0 Fatigue strength M 282.5 24.8 31 4 Creep N 321.0 25.5 31.5 Creep 0 16.0 1.0 2.0 Fatigue strength P 30.5 3.5 6.5 Q 29.0 2.0 6.5 R 11.5 3, 5 6.5
As can be seen from the table, the test results of the monocrystalline test specimens K, L, M, N considerably exceed the test results for the polycrystalline test specimens O, P, Q, R both after the lifetime before the destruction and after the expansion and constriction, which for the monocrystalline turbine blades means an extension of the operating time of the turbine engine by 4 to 6 times.