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PATENTANSPRÜCHE
1. Verbundgiessverfahren zur Herstellung eines Verbundgussgegenstandes, bei dem ein festes metallisches Formteil in einer Form angebracht wird und dann ein geschmolzenes Metall um in der Form freiliegende Abschnitte des Formteils gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegenden Abschnitte vor dem Giessvorgang mit einer Legierung beschichtet werden, die mindestens ein den Schmelztemperaturbereich dieser Legierung unter den Schmelztemperaturbereich des Formteils und/oder des Giessmetalls herabsetzendes Element enthält, wobei die Beschichtungslegierung den gleichen Hauptbestandteil wie wenigstens eines der zu verbindenden Metalle hat,
und dass der sich ergebende Verbundgussgegenstand nach der Erstarrung des geschmolzenen Metalls bei einer Temperatur unterhalb des Schmelztemperaturbereiches des Formteils oder des erstarrten Metalls einer Wärmebehandlung zur Erzielung einer Diffusion des schmelzpunktherabsetzenden Elementes in das Formteil und in das erstarrte Metall unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil anisotrope metallurgische Eigenschaften hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform eine längliche Kornstruktur aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus einem gerichtet erstarrten Gussstück mit säulenförmiger Kornstruktur besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus einem gerichtet erstarrten Gussstück mit etwa eutektischer Zusammensetzung besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus einer Zusammensetzung mit einer faserverstärkten Metallmatrix besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil die geometrische Form eines Tragflügelprofils hat.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus einer Nickelsuperlegierung besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus einer Kobaltsuperlegierung besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die borhaltige Legierung eine Nickellegierung ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1010 und 1230 "C ausgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslegierung Bor als schmelzpunktherabsetzendes Element enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslegierung zwischen 1 und 4 Gew.-% Bor enthält.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslegierung zwischen 5 und 25 Gew.- % Chrom, zwischen 1 und 4 Gew.- % Bor, zwischen 0,05 und 0,2 Gew.- % Kohlenstoff enthält, während der Rest im wesentlichen aus Nickel besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslegierung Silicium als schmelzpunktherabsetzendes Element enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslegierung zwischen 2 und 8 Gew.-% Silicium enthält.
17. Metallischer Verbundgussgegenstand hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Nickelsuperlegierung über eine Zwischenverbindungszone aus einer borhaltigen Nickellegierung mit einer zweiten Nickelsuperlegierung verbunden ist, dass die erste und die zweite Nickelsuperlegierung aus der Verbindungszone eindiffundiertes Bor enthalten und dass die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Superlegierung mit der Verbindungszone kleine säulenartige Körner mit senkrechtem Verlauf zu der Grenzfläche enthält.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundgiessverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen danach hergestellten Verbundgussgegenstand.
Verbundgiessverfahren sind an sich in der Literatur und in Patentschriften bereits beschrieben. Im grossen und ganzen dienen diese Verfahren jedoch der Erzeugung metallurgischer Verbindungen zwischen dem Formteil und dem darumgegossenen Metall. Dazu wird beispielsweise auf die USA-Patentschriften 3 279 006 und 3 342 564 verwiesen. In diesen Patentschriften ist die Herstellung von zusammengesetzten Metallgegenständen durch Vakuumschmelzen eines metallischen Materials beschrieben, das eine gewünschte Eigenschaft im gegossenen Bereich aufweist, wobei eine feuerfeste Form mit einem zur Aufnahme von geschmolzenem metallischem Material geeigneten Hohlraum im Vakuum erhitzt wird, in dem wenigstens ein Teil der Oberfläche des Metallgegenstandes freiliegt, wonach das geschmolzene metallische Material unter Aufrechterhaltung einer inerten Atmosphäre eingegossen wird.
Die Verbindung zwischen dem erstarrten geschmolzenen Metall und dem Formteil resultiert aus der Legierungsbildung zwischen dem Formteil und dem angegossenen Metall unter Erzeugung eines metallurgisch verbundenen Bereichs.
Eine metallurgische Verbindung ist zwar ein wirksames Mittel zum Verbinden der zwei Teile zu einem Verbundgussgegenstand, doch lassen sich solche Verbindungen nur mit Schwierigkeiten zuverlässig und reproduzierbar erzielen. In der Praxis ist ein sehr hohes Vakuum oder eine extrem inerte Atmosphäre zur Verhinderung von Verunreinigungen am Grenzflächenbereich erforderlich, damit Verunreinigungen am Grenzflächenbereich, die die Festigkeit der Verbindung herabsetzen könnten, verhindert werden.
Die Temperatur des an fänglich im Giesshohlraum vorhandenen Formteils und des geschmolzenen Metalls müssen solche Werte haben, dass weder eine zu rasche Abkühlung des angegossenen Metalls eintritt, was die Verbindungsfestigkeit durch Verhinderung einer ausreichenden Legierungsbildung herabsetzen könnte, noch eine zu langsame Abkühlung erfolgt, was zu völligem Schmelzen des anfänglich festen Formteils führen könnte.
Der physische Kontakt zwischen den beiden zu verbindenden Materialen kennzeichnet sich dadurch, dass eine extreme Annäherung nicht nur durch die Fähigkeit von geschmolzenem Metall, sogar mikroskopisch kleine Hohlräume in dem anfänglich festen Formteil auszufüllen, sondern auch dadurch gefördert wird, dass in dem angegossenen Material infolge seiner Erstarrung und seiner anschliessenden Abkühlung von einer höheren Temperatur aus als die des anfänglich festen Materiais eine relativ grössere Kontraktion auftritt. Der dabei entstehende physische Kontakt schliesst die zerstörungsfreie Untersuchung des Gegenstandes auf die Güte seiner Verbindung aus, es sei denn, es wird eine vollständige Trennung vorgenommen.
Es hat sich gezeigt, dass die bei der Herstellung eines Verbundgussgegenstandes herrschenden Bedingungen während der Vorerhitzung der Form und während des Vergiessens so sein können, dass in dem Verbindungsbereich Zonen mit einer metallurgischen Verbindung und Zonen ohne metallurgische Verbindung nebeneinander existieren können. Wenn die Ausgestaltung des Gegenstandes im Hinblick auf einen zufriedenstellenden Betriebseinsatz ausschliesslich auf einer metallurgischen Verbindung beruht, dann können nichtfeststellbare Be
Achse der Hauptbeanspruchung verlaufen. Diese Verbundteile zeigen stark gerichtete, d. h. anisotrope Eigenschaften; sie können auch durch Verwendung von Kombinationen aus hitzebeständigen Materialien erzeugt werden.
Ein weiteres Beispiel für Bauteile mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften sind gerichtet erstarrte eutektische Legierungen. Diese eutektischen Legierungen erstarren zur lamellaren oder stabförmigen Strukturen, die zusammengesetzten faserverstärkten Teilen insofern gleichen, als ein verhältnismässig starkes stab- oder blattförmiges Material die schwächere Matrix verstärkt.
Es gibt weitere Beispiele für metallurgische Strukturen, die eine ausgeprägte mikrostrukturelle Gerichtetheit und eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften zeigen. Stark gedehnte und in Längsrichtung ausgerichtete Körner, wie sie für Hochtemperaturlegierungen charakteristisch sind, die aus verdichtetem Metallpulver nach dem sogenannten mechanischen Legierungsverfahren oder nach einem Verfahren mit gerichteter Rekristallisation von geschmiedetem Material erhalten werden, sind weitere Beispiele für anisotrope metallurgische Strukturen, in dem Sinne, wie sie hier angewendet werden.
Die Herstellung von Gegenständen mit solchen anisotropen Strukturen ist mit Problemen verbunden, die in der Regel auf Querschnittsänderungen zurückzuführen sind. So kann beispielsweise bei der Herstellung gegossener, für den Betrieb bei hoher Temperatur bestimmten Schaufeln für Gasturbinen die gerichtete Erstarrung Schwierigkeiten bereiten, wenn dabei grosse Abmessungenänderungen auftreten.
Die abruptesten und störendsten Änderungen treten dabei an den Übergängen des Profilteils und dem massiveren Befestigungsteil oder Fussteil der Schaufeln und dem sogenannten Schaufelversteifungsband auf. Diese Stellen neigen oft zu inneren Defekten und/oder Zusammensetzungsänderungen, die in der Giessereitechnik als Schrumpfporosität bezeichnet werden und die durch Änderungen der Erstarrungsgeschwindigkeit verursacht werden. Ausserdem können die durch die Fussteile oder Schaufelversteifungsbänder gebildeten Absätze als Haftstellen für nichtmetallische Verunreinigungen, beispielsweise für Einschlüsse oder Schlacke wirken.
Im Fall von Schaufeln oder Flügeln wird die gerichtete anisotrope Gussstruktur in der Regel in dem Profilteil des Gegenstandes erwünscht, der der den schärfsten Temperaturbedin: gungen und Umgebungsbeanspruchungen ausgesetzte Bereich ist. Das Giessverfahren ist jedoch so gestaltet, dass der ganze Gegenstand nach dem mit gerichteter Erstarrung arbeitenden Verfahren gegossen wird, das bei komplizierten Teilen die Schwierigkeiten bei der Herstellung eines den Betriebsanforderungen Rechnung tragenden Gegenstandes unverhältnismässig vergrössert.
Es gibt weitere Strukturen, bei denen die Herstellung von gerichtet erstarrten Tragflügelprofilteilen auf Grund der vorliegenden geometrischen Einschränkungen mit Schwierigkeiten verbunden ist. Ein Beispiel hierfür sind einstückig gegossene Turbinenlaufräder, die aus einem Nebenteil bestehen, der an der Felge mehrere Tragflügelprofilteile trägt.
Solche Räder können in gegossener Form mit einer gleichachsigen gegossenen Konstruktur nach dem Präzisionsgiessverfahren hergestellt werden. Das erhaltene Produkt zeigt sowohl im Tragflügelprofilteil als auch im Nabenteil im wesentlichen die gleiche Mikrostruktur der gegossenen Körner, und die Eigenschaften sind mehr oder weniger isotrop. Die Korngrösse kann zwar etwas variieren, doch liegt in der Längsrichtung der Tragflügelprofilteile keine bevorzugte Ausrichtung oder Anisotropie vor. In der Praxis wird das Problem der Erzielung eines Rades mit gerichtet erstarrten Tragflügelprofilteilen so angegangen, dass das Rad aus getrennt gegossenen Schaufeln zusammengebaut wird, die mechanisch auf der Felge einer getrennt hergestellten Scheibe mit gleichachsigen Körnern befestigt werden, wobei die Scheibe üblicherweise durch Schmieden hergestellt wird.
In der Felge der Scheibe angebrachte Nuten dienen der Verankerung der Fussteile der einzelnen Schaufeln. Diese Art des Zusammenbaus ist im Vergleich mit einem einstückigen Guss extrem teuer. Die technische Anwendung dieses Verfahrens zeigt jedoch, wie günstig die selektive Verbindung anisotroper metallurgischer Strukturen und deren Kombination mit anderen metallurgischen Strukturen zu einem Gesamtgegenstand, beispielsweise einem Turbinenrad, ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Formteil mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften hergestellt, und Abschnitte der Vorform, die mit dem Gussmetall zu verbinden sind, werden mit einer Legierung beschichtet, die Bor enthält, damit ihr Schmelzpunkt bezüglich des Formteils und der zu giessenden Legierung erniedrigt wird; die Beschichtungslegierung ist dabei sowohl mit dem Formteil als auch mit dem erstarrten geschmolzenen Metall verträglich.
Abhängig vom gewünschten Festigkeitsgrad der mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens zu erzielenden metallurgischen Verbindung kann die Zusammensetzung der Beschichtungslegierung in bezug auf die Legierungen des Formteils und des angegossenen Metalls variiert werden; von der Variation ist lediglich der Anteil an Bor ausgenommen, der wesentlich höher als im Formteil oder im erstarrten Metall ist.
Wenn beispielsweise zwei Materialien aus im wesentlichen ähnlichen Superlegierungsverbindungen für das Formteil und die angegossenen Metallabschnitte mit einem hohen erforderlichen Festigkeitsgrad der Verbindung verwendet werden sollen, dann kann die Zusammensetzung der Beschichtungslegierung so ausgewählt werden, dass sie der Zusammensetzung der angrenzenden Legierungen sehr nahe kommt. Wenn jedoch die Festigkeit der metallurgischen Verbindung der Festigkeit des Formteils oder des angegossenen Metalls nicht sehr nahe kommen muss, wie es beispielsweise bei Bauteilen der Fall ist, die im Betrieb relativ geringen Belastungen ausgesetzt sind, wird eine relativ einfache Beschichtungslegierung bevorzugt, die den zu verbindenden Legierungen hinsichtlich einiger chemischer Hauptbestandteile gleicht.
In jedem Fall sollte der Hauptbestandteil der Beschichtung gleich dem Hauptbestandteil wenigstens eines der zu verbindenden Metalle sein.
Wenn das Formteil und das mit ihm verbundene erstarrte Metall aus Nickellegierungen bestehen, wird beispielsweise die Verwendung einer Legierung vorgezogen, die vorwiegend eine Nickelzusammensetzung ist und Chrom im Bereich von 5 bis 25 %, Kohlenstoff im Bereich von 0,05 bis 0,2 % und etwa 1 bis 4% Bor zur Erzielung einer Schmelzpunktreduzierung enthält. Besonders bevorzugt ist eine Bor enthaltende Legierung mit 15 % Chrom, etwa 3,5 % Bor, etwa 0,1% Kohlenstoff und einen Rest aus Nickel. Diese Legierung hat einen Schmelzpunkt von etwa 1054 "C (1930 "F), der niedriger als der Schmelzpunkt einer der zwei zu verbindenden Superlegierungen liegt.
Nickelsuperlegierungen haben beispielsweise Schmelzpunkte im Bereich zwischen etwa 1230 bis 1650 "C (2250 bis 3000 "F). Die Bor enthaltende Verbindung kann auf dem Formteil als Beschichtung mittels eines beliebigen Verfahrens aufgebracht werden, beispielsweise durch Galvanisieren, durch Abscheidung aus der Dampfphase oder durch Auftragen in Form eines Sprühnebels, eines Pulvers oder einer Paste. Wenn eines der beiden zuletzt genannten Aufbringungsverfahren angewendet wird, dann sollte die Legierung mit den Beschichtungsbereichen verschmolzen werden, damit eine kontinuierliche Schicht der borhaltigen Legierung entsteht.
Das Aufbringen der Beschichtung erfolgt vorzugsweise im Vakuum oder in einer anderen schützenden Umgebung, damit die Verbindung mit dem Formteil unterstützt wird. Die spezielle Umgebung kann im Hinblick auf die Erfordernisse der Formteillegierung und der Beschichtungszusammensetzung variiert reiche mit einer unzureichenden Verbindung zu einem vorzeitigen Ausfall führen.
Es sei auf den vorveröffentlichen Artikel von U. Okapuu und G.S. Calvert mit dem Titel An Experimental Cooled Radial Turbine in Agard Conference Proceedings Nr. 73 über Hochtemperaturturbinen, Agard-CP-73-71, Papier Nr. 10, Januar 1971 verwiesen, wo die Herstellung des Rotors einer Gasturbine durch Verbundgiessen einer Nabe aus einer Nikkelsuperlegierung um die Fussteile von vorhergegossenen Schaufeln aus einer Nickelsuperlegierung beschrieben ist. Die Ausgestaltung basierte dabei auf der Erzielung einer metallurgischen Verbindung, obwohl einige wenige kleine Ausnehmungen vorgesehen waren, die einen gewissen mechanischen Halt geben sollten. Die Fussteile waren dabei so abgeschrägt, dass ohne die Ausnehmungen und ohne eine metallurgische Verbindung die Turbinenschaufeln ohne weiteres aus dem Nabenteil entfernt werden konnten.
Die Anwendung von Vakuumvorheiz- und Vakuumgiessbedingungen, die auf vorher durchgeführten Tests an Gussstücken bewirkt, die ein Modell der Verbindung lieferten, führten in der Praxis dazu, dass die metallurgische Verbindung auf einen einzigen Bereich des Fussteils begrenzt war. Die sich dabei ergebende Leistungsfähigkeit des Verbundgussteils war nicht voll ausreichend, da sich die Verbindung an nicht vollständig metallurgisch gebundenen Stellen löste.
Der zur Erzielung der erforderlichen Integntät im metallurgischen Sinn erforderliche Grad der Verbindung ist so, dass eine Legierungszone infolge örtlichen Schmelzens oder einer örtlichen Diffusion ohne eine deutliche, schwächende Bestandteile enthaltende Grenzfläche auftritt. Selbst die Anwesenheit eines dünnen Films aus einem die Verbindung schwächenden Bestandteil mit einer Dicke von nur 0,25 ,um (0,00001 inch) oder sogar weniger, kann zur Verhinderung der Verbindung ausreichen. In einigen Metallen und Legierungen sind ausgeprägte Abnahmen der mechanischen Festigkeit und der Duktilität bekannt, wenn zwischen den einzelnen Körnern Filme mit einer Dicke von nur einigen wenigen Atomschichten vorhanden sind.
Zu diesen Folgen können Verunreinigungen der Zusammensetzung, unrichtige Metallbearbeitungs- oder Metallgiessverfahren, Wärmebehandlungen oder Kombinationen dieser Einflüsse führen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verbundgiessverfahrens bzw. eines Verbundgussgegenstandes mit verbesserter metallurgischer Verbindung zwischen dem Formteil und dem umgossenen Metall, insbesondere für aus wärmebeständigem Material bestehende Verbundgussgegenstände. Die Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruch 1, hinsichtlich des Verbundgussgegenstandes durch die Merkmale des Anspruchs 17.
Bei einem solchen Verfahren sind die einzuhaltenden Verfahrensbedingungen weniger streng, weil die Beschichtung des festen metallischen Formteils, z.B. einer Turbinenschaufel Tragfläche mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften, mit einer Legierung erfolgt, die aufgrund der Anwesenheit kleinerer Mengen eines oder mehrerer Elemente, beispielsweise Bor, einen herabgesetzten Schmelzpunkt hat. Die Beschichtungslegierung hat z.B. einen Schmelzpunkt, der unter dem Schmelzpunkt des Formteils und des mit diesem zu verbindenden Giessmetalls liegt.
Die Beschichtung kann im Vakuum oder in einer anderen geeigneten Schutzumgebung bei einer Temperatur aufgebracht werden, die gerade zur Erzielung einer Verschmelzung mit der Formteiloberfläche ausreicht; ferner kann die Beschichtung mit einer minimalen Zeitdauer erfolgen, damit eine merkliche Zwischenlegierung mit der Legierung des Formteils vermieden wird.
Das beschichtete Formteil wird dann in einer Form angebracht, die einen Giesshohlraum aufweist, der die gewünschte Form des mit dem Formteil zu verbindenden gegossenen Metalls hat. Bei der Vorbereitung zum Giessen wird die Form im Vakuum erhitzt, damit eine Verunreinigung der beschichteten Oberfläche verhindert wird. Das geschmolzene Metall wird im Vakuum in den Giesshohlraum eingegossen, und es verfestigt sich um diejenigen Abschnitte des Formteils, an denen eine Verbindung erwünscht ist. Während des Giessens kann die Beschichtung in einem gewissen Ausmass schmelzen, wenn das relativ heisse Giessmetall Wärme auf das Formteil überträgt. Die Verbindung zwischen den zwei Materialien wird daher auf Grund der Anwesenheit der einen relativ niedrigeren Schmelzpunkt aufweisenden Beschichtung verbessert.
Im Anschluss an das Giessen wird der Verbundgussgegenstand, der aus dem Formteil, dem angegossenen Metall und der Zwischenbeschichtung zusammengesetzt ist, einer Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur ausgesetzt, damit eine zusätzliche Verbindung bewirkt wird, indem eine Kombination eines Rückschmelzens in der Beschichtungszone, einer Diffusion des oder der den Schmelzpunkt herabsetzenden Elemente aus der Beschichtung in die angrenzenden, zu verbindenden Legierungen und einer Diffusion anderer Elemente in die oder aus der Beschichtung zur Verbesserung der Verbindungshomogenität bewirkt. Bei dem Vorgang wird der Schmelzpunkt der Beschichtungszone durch Absenken der Menge des oder der den Schmelzpunkt herabsetzenden, in ihr enthaltenen Elemente wesentlich angehoben.
Die Beschichtung, die die Zwischenzone bildet, wirkt als Hartlot, das so ausgewählt werden kann, dass es zusammensetzungsmässig dem umgebenden Metall ausreichend ähnlich ist, so dass die sich nach der Wärmebehandlung ergebende Verbindung mechanische Eigenschaften aufweist, die den Eigenschaften des umgebenden Metalls angenähert sind.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert; Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Formteils in Gestalt eines Tragflügelprofils, das mit zwei Versteifungsbändern unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens verbunden werden soll,
Fig. 2 eine Darstellung, die veranschaulicht, wie das Formteil von Fig. 1 in einem Wachsmodell für die Herstellung der Präzisionsgussform aufgenommen wird, und
Fig. 3 eine Darstellung der Anordnung nach dem Bilden der Präzisionsgussform um das Modell und dem Entfernen des Modells unter Erzeugung eines Giesshohlraums zur Aufnahme von geschmolzenem Metall.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Bauelementen für Gasturbinen aus wärmebeständigen Legierungen, insbesondere wenn das Bauelement anisotrope metallurgische Eigenschaften aufweist.
Unter dem Betriff anisotrope metallurgische Eigenschaften ist zu verstehen, dass das Bauteil parallel zur Hauptbeanspruchungsachse verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist.
Im Fall einer Tragflügelform wurde diese Struktur durch eine gerichtete Erstarrung eines Gussstücks zur Erzielung säulenförmiger Körner erzeugt, die parallel zur Hauptachse des Tragflügels ausgerichtet sind. Diese Kornorientierung führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Widerstandes gegen Intergranularbrüche bei erhöhten Temperaturen, so dass auch die Kriechfestigkeit, die Duktilität und insbesondere die Beständigkeit gegen Wärmeermüdung verbessert werden.
Ein weiteres Material mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften ist ein zusammengesetztes, aus einer faserverstärkten Metallmatrix bestehendes Gebilde. Dabei werden Fasern, beispielsweise Borfasern, Siliziumborfasem oder Graphitfasern in eine Metallmatrix, beispielsweise Aluminium, in Form dünner Lagen eingebettet, und die Lagen werden in die gewünschte Tragflügelform eingelegt und dann durch Diffusion miteinander verbunden, wobei die Fasern in Richtung der werden; sie könnte beispielsweise zusätzlich zum Vakuum eine Wasserstoff- oder Argonatmosphäre enthalten.
Für den Fachmann auf dem Gebiet des Hartlötens im Brennofen ist offensichtlich, dass die Auswahl einer falschen Umgebung zum Verschmelzen der Beschichtung ein leicht erkennbares schlechtes Fliessen und schlechtes Benetzen des Formteils mit der Beschichtung ergibt und zur Durchführung einer korrigierenden Änderung des Verfahrens Anlass gibt.
In gleicher Weise können die Temperaturen, bei denen die Beschichtung aufgeschmolzen wird, abhängig von der Beschichtungslegierung verändert werden. Für die oben erwähnte spezielle Beschichtungslegierung hat sich gezeigt, dass eine Schmelztemperatur von 1066 C (1950 "F) im Vakuum die gewünschte Beschichtungsverschmelzung und Beschichtungshaftung am Formteil in einer Zeitdauer von 5 Minuten bei der Schmelztemperatur ergibt. Allgemein muss die Beschichtungslegierung ohne Rücksicht auf ihre Zusammensetzung bei der niedrigstmöglichen Temperatur und in der kürzesten Zeitperiode aufgebracht werden, damit eine Reduzierung ihres Borgehalts durch Diffusion in das Formteil und somit eine Anhebung ihres Schmelzpunkts vermieden wird.
Auf Grund der Art der Aufbringungsverfahren sind die Abmessungen der Beschichtungszone nach dem Verschmelzen klein. Vorzugsweise wird die Beschichtungsdicke auf weniger als 125,um (0,005 inch) begrenzt.
In Fig. 1 ist ein mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften ausgestattetes Formteil 10 in Form eines Tragflügelprofils dargestellt, das säulenförmige, längs der Hauptbeanspruchungsachse verlaufende Körner 11 aufweist. An beiden Enden des Formteils 10 befinden sich zwei Vorsprünge 12 und 13, die so angeordnet sind, dass sie das Formteil mit dem anschliessend angebrachten Metallgussteil mittels einer metallurgischen Verbindung verankern. Die Bereiche, in denen am Formteil 10 zuvor die Bor enthaltende Beschichtungslegierung aufzubringen ist, liegen in den Zonen 14 und 15, die die Vorsprünge 12 und 13 einschliessen.
Anschliessend wird nach Fig. 2 ein verlorenes Modell aufgebaut. Das Formteil 10 wird zwischen zwei Nachbildungen 16 und 17 von Versteifungsbändern gehalten, mit denen das Formteil 10 verbunden werden soll. Das Modell kann aus Wachs, Polystyrol oder aus Mischungen der beiden Materialien bestehen. Die Versteifungsbänder-Nachbildungen 16 und 17 sind mit Angusskanäle bildenden Teilen 18 bzw. 19 verbunden, die von einem Angusstrichter 20 gespeist werden; alle diese Teile bestehen aus dem Material des verlorenen Modells.
Wie bereits erwähnt wurde, kann das Formteil 10 aus einem beliebigen Material mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften bestehen. Gerichtet erstarrte Legierungen aus Nickel und Kobalt sind für diese Zwecke besonders geeignet.
Die Chemie dieser Legierungen ist im Laufe der Jahre entwikkelt worden; sie bildet kein besonderes Merkmal der Erfindung. Zur Erläuterung der chemischen und anderen Eigenschaften von Nickel- und Kobaltsuperlegierungen wird auf die Tabelle 1 im Anhang der Arbeit mit dem Titel The Superalloys von Sims et al., veröffentlicht bei John Wiley & Sons, verwiesen. Die Tabelle 1 erscheint auf den Seiten 596 und 597; in ihr sind viele handelsübliche Nickel- und Kobaltsuperlegierungen aufgezählt. Auf die an der genannten Stelle enthaltene Beschreibung wird hier Bezug genommen.
Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung wird dann einem üblichen Präzisionsgiessverfahren unterworfen. Es gibt zwar viele Möglichkeiten zur Herstellung von Giessformen nach diesem Verfahren, doch wird erfindungsgemäss bevorzugt die in der USA-Patentschrift 2 932 864 beschriebene Methode angewendet. Bei der dort beschriebenen Methode wird ein zerstörbares Modell des herzustellenden Gegenstandes bei Raumtemperatur durch Eintauchen in eine hochschmelzende Teilchen und ein Bindemittel enthaltende wässrige Aufschlämmung überzogen. Der Überzug wird dann isotherm getrocknet, so dass die Temperatur des Modells konstant bleibt.
Das Trocknen erfolgt durch Überleiten von Luft mit kontrollierter Feuchtigkeit über das überzogene Modell, wobei die Luft soviel Feuchtigkeit enthält, dass eine etwa konstante Temperatur der feuchten Thermometerkugel aufrechterhalten wird, die etwa der Ausgangstemperatur des Modells entspricht, und wobei die Temperatur der trocknen Thermometerkugel um mindestens 5,6 "C (10 "F) höher liegt als die der feuchten. Das Modell wird dann in weitere wässrige Aufschlämmungen aus dem hochschmelzenden Stoff zur Bildung aufeinanderfolgender Schichten auf dem Modell getaucht. Jede nachfolgende Schicht wird wie vorstehend beschrieben isotherm getrocknet, während die Temperatur im wesentlichen konstant gehalten wird. Schliesslich wird das Modell entweder in einem Ofen oder in einem Autoklav herausgeschmolzen.
Die dabei erhaltene Form ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. Sie enthält einen Angusstrichter 21, durch den zwei Angusskanäle 22 und 23 gespeist werden, die wiederum zwei Giesshohlräume 24 und 25 speisen, die die Versteifungsbänder des Tragflügel-Profilteils bilden sollen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die das beschichtete Formteil enthaltende Form vor dem Giessvorgang im Vakuum auf eine Temperatur von etwa 870 "C vorgeheizt, so dass die Giessform dann bereit ist, das geschmolzene und im Vakuum gegossene Metall aufzunehmen. Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, das das geschmolzene Metall bei einer relativ niedrigen Temperatur gegossen werden kann, also bei Bedingungen, die normalerweise nur eine mechanische Verbindung erzeugen würden, da das Schmelzen der borhaltigen Beschichtung in diesem Stadium nicht erforderlich ist.
Nachdem das Giessmetall dann erstarrt ist, wird der Verbundgussgegenstand aus der Form herausgenommen und einer ausreichenden Wärmebehandlung unterzogen, damit ein Wandern von Bor aus der Zwischenschicht sowohl in das Formteil als auch in das erstarrte geschmolzene Metall verursacht wird.
Allgemein kann die Wärmebehandlung bei Temperaturen im Bereich zwischen 1010 und 1230 "C ausgeführt werden, wobei ein Bereich von 1120 bis 1190 C bevorzugt ist. Die Ausführung der Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise unter inerten Bedingungen, beispielsweise in einem Vakuum von 10 bis 15,um. Die Zeitdauer der Wärmebehandlung kann stark variieren; sie kann nur eine halbe Stunde dauern oder bis zu 20 Stunden oder mehr verlängert werden. Während dieser Wärmebehandlung erhöht das Wandern von Bor aus der Zwischenschicht die Schmelztemperatur dieser Schicht. Die Bordiffusion dient auch dazu, die erzielte Verbindung zu verbessern.
Eine Analyse des Zwischenbereichs ergibt, dass quer zur Breite dieses Bereichs keine plötzlichen Zusammensetzungs änderungen auftreten, so dass der Zwischenbereich physikalische Eigenschaften aufweist, die denen der umgebenden Bereiche sehr ähnlich sind, was insbesondere dann gilt, wenn die Zusammensetzung der borhaltigen Beschichtung so ausgewählt war, dass sie eng an die zu verbindenden Legierungen angenähert war.
Es war zu beobachten, dass das Gussteil in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche zur Zwischenschicht relativ kleine säulenartige Körner aufweist, die senkrecht zur Grenzfläche zwischen den zwei Superlegierungen verlaufen, was auf die von dem relativ kalten Formteil abgezogene Wärme zurückzuführen ist.
Bor stellt zwar das besonders bevorzugte Diffusionsmittel zur Verbesserung der Verbindung dar, doch ist es auch möglich, beträchtliche Siliziumanteile in die Zwischenschicht in einem Anteilsbereich zwischen 2 und 8 % einzubringen. Silizium diffundiert jedoch relativ langsam in das umgebende Metall.
Auch Phosphor mit einem anteiligen Bereich von 1 bis 4% kann als Zusatz in der Verbindungsschicht verwendet werden, jedoch weist dieser Stoff keine so grosse Wirksamkeit wie Bor auf.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens wird somit eine verbesserte metallurgische Verbindung gewährleistet, ohne dass ein Grenzflächenschmelzen während des Giessens zur Erzielung einer metallurgischen Verbindung notwendig ist.
Die Diffusion des Bors bei der Wärmebehandlung führt zu einer stabilen Zusammensetzungsbedingung an der Grenzfläche, die eine beträchtliche Ähnlichkeit zwischen der Verbindungszone und dem angrenzenden festen Formteil sowie den angegossenen Abschnitten ergibt. Die sich ergebende Verbindung weist somit mechanische Eigenschaften auf, die denen der verbundenen Superlegierungen angenähert sind.
Der Fachmann kann erkennen, dass im Rahmen der Erfindung ohne weiteres auch Abwandlungen vorgenommen werden können.
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PATENT CLAIMS
1. A composite casting method for producing a composite casting, in which a solid metallic molded part is attached in a mold and then a molten metal is poured around sections of the molded part that are exposed in the mold, characterized in that the exposed sections are coated with an alloy before the casting process which contains at least one element which reduces the melting temperature range of this alloy below the melting temperature range of the molded part and / or the cast metal, the coating alloy having the same main constituent as at least one of the metals to be joined,
and that the resulting composite molded article is subjected to heat treatment after the solidification of the molten metal at a temperature below the melting temperature range of the molded part or the solidified metal to achieve diffusion of the melting point lowering element into the molded part and into the solidified metal.
2. The method according to claim 1, characterized in that the molded part has anisotropic metallurgical properties.
3. The method according to claim 1, characterized in that the preform has an elongated grain structure.
4. The method according to claim 1, characterized in that the molded part consists of a directionally solidified casting with a columnar grain structure.
5. The method according to claim 1, characterized in that the molded part consists of a directionally solidified casting with an approximately eutectic composition.
6. The method according to claim 1, characterized in that the molded part consists of a composition with a fiber-reinforced metal matrix.
7. The method according to claim 1, characterized in that the molded part has the geometric shape of an airfoil.
8. The method according to claim 1, characterized in that the molded part consists of a nickel super alloy.
9. The method according to claim 1, characterized in that the molded part consists of a cobalt super alloy.
10. The method according to claim 1, characterized in that the boron-containing alloy is a nickel alloy.
11. The method according to claim 1, characterized in that the heat treatment is carried out at a temperature in the range between 1010 and 1230 "C.
12. The method according to claim 1, characterized in that the coating alloy contains boron as a melting point reducing element.
13. The method according to claim 12, characterized in that the coating alloy contains between 1 and 4 wt .-% boron.
14. The method according to claim 13, characterized in that the coating alloy contains between 5 and 25% by weight chromium, between 1 and 4% by weight boron, between 0.05 and 0.2% by weight carbon, during the The rest consists essentially of nickel.
15. The method according to claim 1, characterized in that the coating alloy contains silicon as a melting point reducing element.
16. The method according to claim 15, characterized in that the coating alloy contains between 2 and 8 wt .-% silicon.
17. Metallic composite cast article produced by the method according to claim 1, characterized in that a first nickel super alloy is connected to a second nickel super alloy via an interconnection zone made of a boron-containing nickel alloy, that the first and the second nickel super alloy contain diffused boron from the connection zone and that the interface between the first and the second superalloy with the connection zone contains small columnar grains perpendicular to the interface.
The invention relates to a composite casting method according to the preamble of claim 1 and a composite cast article produced thereafter.
Composite casting processes have already been described per se in the literature and in patent specifications. On the whole, however, these processes serve to produce metallurgical connections between the molded part and the metal cast around it. For this purpose, reference is made, for example, to US Pat. Nos. 3,279,006 and 3,342,564. These patents describe the manufacture of composite metal articles by vacuum melting a metallic material having a desired property in the cast area, heating a refractory mold with a cavity suitable for receiving molten metallic material in a vacuum in which at least a portion of the The surface of the metal object is exposed, after which the molten metal material is poured in while maintaining an inert atmosphere.
The connection between the solidified molten metal and the molded part results from the alloy formation between the molded part and the cast-on metal to produce a metallurgically connected area.
Although a metallurgical connection is an effective means of connecting the two parts to form a composite casting, such connections can only be achieved reliably and reproducibly with difficulty. In practice, a very high vacuum or an extremely inert atmosphere is required to prevent contaminants at the interface area, so that contaminants at the interface area, which could reduce the strength of the connection, are prevented.
The temperature of the molded part initially present in the casting cavity and of the molten metal must have such values that neither too rapid cooling of the cast-on metal occurs, which could lower the connection strength by preventing sufficient alloy formation, nor slow cooling, which leads to complete Melt the initially solid molded part could result.
The physical contact between the two materials to be joined is characterized by the fact that an extreme approach is promoted not only by the ability of molten metal to fill even microscopic voids in the initially solid molded part, but also by the fact that in the cast-on material as a result of it Solidification and its subsequent cooling from a temperature higher than that of the initially solid material, a relatively greater contraction occurs. The resulting physical contact excludes the non-destructive examination of the object for the quality of its connection, unless a complete separation is made.
It has been shown that the conditions prevailing during the production of a composite cast article during the preheating of the mold and during the casting can be such that zones with a metallurgical connection and zones without a metallurgical connection can coexist in the connection area. If the design of the object is based solely on a metallurgical connection with a view to satisfactory operational use, then non-detectable loading can
Main stress axis. These composite parts show strongly directed, i.e. H. anisotropic properties; they can also be created using combinations of refractory materials.
Another example of components with anisotropic metallurgical properties are directional solidified eutectic alloys. These eutectic alloys solidify into lamellar or rod-like structures that resemble composite fiber-reinforced parts in that a relatively strong rod or sheet-like material reinforces the weaker matrix.
There are other examples of metallurgical structures that show a pronounced microstructural directionality and an anisotropy of the mechanical properties. Highly elongated and longitudinally oriented grains, which are characteristic of high-temperature alloys, which are obtained from compacted metal powder by the so-called mechanical alloy process or by a process with directed recrystallization of forged material, are further examples of anisotropic metallurgical structures in the sense of how they are applied here.
The production of objects with such anisotropic structures is associated with problems which are usually due to changes in cross-section. For example, in the manufacture of cast blades for gas turbines intended for operation at high temperatures, directional solidification can cause difficulties if large dimensional changes occur.
The most abrupt and disturbing changes occur at the transitions of the profile part and the more solid fastening part or foot part of the blades and the so-called blade stiffening band. These spots often tend to internal defects and / or composition changes, which are called shrink porosity in foundry technology and which are caused by changes in the rate of solidification. In addition, the shoulders formed by the base parts or blade stiffening strips can act as adhesion points for non-metallic contaminants, for example for inclusions or slag.
In the case of blades or vanes, the directional anisotropic cast structure is generally desired in the profile part of the object which is the area exposed to the harshest temperature conditions and environmental stresses. However, the casting process is designed in such a way that the entire article is cast according to the process with directional solidification, which increases the difficulties in the production of an article which takes account of the operating requirements disproportionately with complicated parts.
There are other structures in which the manufacture of directionally solidified airfoil parts is difficult due to the existing geometric limitations. An example of this are one-piece cast turbine wheels, which consist of an auxiliary part that carries several aerofoil profile parts on the rim.
Such wheels can be manufactured in a cast form with a coaxial cast structure according to the precision casting process. The product obtained shows essentially the same microstructure of the cast grains both in the airfoil section and in the hub section, and the properties are more or less isotropic. The grain size can vary somewhat, but there is no preferred orientation or anisotropy in the longitudinal direction of the wing profile parts. In practice, the problem of achieving a wheel with directionally solidified airfoil parts is tackled in such a way that the wheel is assembled from separately cast blades that are mechanically attached to the rim of a separately manufactured disc with coaxial grits, the disc usually being made by forging .
Grooves in the rim of the disc serve to anchor the base parts of the individual blades. This type of assembly is extremely expensive compared to a one-piece casting. However, the technical application of this method shows how cheap the selective connection of anisotropic metallurgical structures and their combination with other metallurgical structures to form an overall object, for example a turbine wheel, is.
In the preferred embodiment of the invention, a molded article having anisotropic metallurgical properties is made and portions of the preform to be bonded to the cast metal are coated with an alloy containing boron to lower their melting point with respect to the molded article and the alloy to be cast becomes; the coating alloy is compatible with both the molded part and the solidified molten metal.
Depending on the desired degree of strength of the metallurgical compound to be achieved with the aid of the method according to the invention, the composition of the coating alloy can be varied with respect to the alloys of the molded part and the cast-on metal; The only exception to the variation is the proportion of boron which is significantly higher than in the molded part or in the solidified metal.
For example, if two materials of essentially similar superalloy compounds are to be used for the molded part and the cast-on metal sections with a high required degree of strength of the connection, then the composition of the coating alloy can be selected so that it comes very close to the composition of the adjacent alloys. However, if the strength of the metallurgical connection does not have to come very close to the strength of the molded part or the cast-on metal, as is the case, for example, with components which are exposed to relatively low loads during operation, a relatively simple coating alloy is preferred, which is the one to be joined Alloys are similar in terms of some of the main chemical components.
In any case, the main component of the coating should be the same as the main component of at least one of the metals to be joined.
For example, if the molding and the solidified metal associated therewith are made of nickel alloys, preference is given to using an alloy which is predominantly a nickel composition and chromium in the range from 5 to 25%, carbon in the range from 0.05 to 0.2% and contains about 1 to 4% boron to achieve a melting point reduction. A boron-containing alloy with 15% chromium, approximately 3.5% boron, approximately 0.1% carbon and a remainder made of nickel is particularly preferred. This alloy has a melting point of about 1054 "C (1930" F), which is lower than the melting point of one of the two superalloys to be joined.
For example, nickel super alloys have melting points in the range between about 1230 to 1650 "C (2250 to 3000" F). The boron-containing compound can be applied to the molded part as a coating by any method, for example by electroplating, by vapor deposition or by application in the form of a spray, powder or paste. If one of the latter two application methods is used, the alloy should be fused to the coating areas so that a continuous layer of the boron-containing alloy is formed.
The coating is preferably applied in a vacuum or in another protective environment, so that the connection with the molded part is supported. The specific environment can vary with an inadequate connection to premature failure with regard to the requirements of the molding alloy and the coating composition.
It is based on the prepublished article by U. Okapuu and G.S. Calvert, entitled An Experimental Cooled Radial Turbine in Agard Conference Proceedings No. 73 on high temperature turbines, Agard-CP-73-71, paper No. 10, January 1971, where manufacturing the rotor of a gas turbine by composite casting a hub from a nickel super alloy around the base parts of pre-cast blades made of a nickel super alloy. The design was based on the achievement of a metallurgical connection, although a few small recesses were provided, which should give a certain mechanical hold. The foot parts were so chamfered that the turbine blades could easily be removed from the hub part without the recesses and without a metallurgical connection.
In practice, the use of vacuum preheating and vacuum casting conditions, which, based on previous tests, performed on castings that provided a model of the connection, meant that the metallurgical connection was limited to a single area of the foot part. The resulting performance of the composite casting was not fully sufficient, since the connection loosened at points that were not completely metallurgically bonded.
The degree of connection required to achieve the required integrity in the metallurgical sense is such that an alloy zone occurs as a result of local melting or local diffusion without an interface containing a clear, weakening constituent. Even the presence of a thin film of a weakening component as thin as 0.25 µm (0.00001 inch) or even less can be sufficient to prevent the bond. In some metals and alloys, pronounced decreases in mechanical strength and ductility are known when films with a thickness of only a few atomic layers are present between the individual grains.
Impurities in the composition, incorrect metalworking or metal casting processes, heat treatments or combinations of these influences can lead to these consequences.
The object of the invention is to provide a composite casting method or a composite casting with an improved metallurgical connection between the molded part and the cast metal, in particular for composite castings consisting of heat-resistant material. The solution to this problem is characterized by the features of claim 1 with respect to the method and by the features of claim 17 with regard to the composite cast article.
In such a process, the process conditions to be observed are less stringent because the coating of the solid metallic molding, e.g. a turbine blade aerofoil with anisotropic metallurgical properties, with an alloy that has a reduced melting point due to the presence of smaller amounts of one or more elements, such as boron. The coating alloy has e.g. a melting point below the melting point of the molded part and the casting metal to be connected to it.
The coating can be applied in a vacuum or in another suitable protective environment at a temperature which is just sufficient to fuse with the surface of the molding; Furthermore, the coating can be carried out with a minimal period of time, so that a noticeable intermediate alloy with the alloy of the molded part is avoided.
The coated molded part is then applied in a mold which has a casting cavity which has the desired shape of the cast metal to be connected to the molded part. When preparing for casting, the mold is heated in a vacuum to prevent contamination of the coated surface. The molten metal is poured into the casting cavity in vacuo and solidifies around those portions of the molded part where connection is desired. During casting, the coating can melt to a certain extent if the relatively hot cast metal transfers heat to the molded part. The bond between the two materials is therefore improved due to the presence of the coating which has a relatively lower melting point.
Following casting, the composite cast article, which is composed of the molded part, the cast metal and the intermediate coating, is subjected to a heat treatment at elevated temperature, so that an additional connection is brought about by a combination of remelting in the coating zone, diffusion of the or which causes the melting point-lowering elements from the coating into the adjacent alloys to be joined and a diffusion of other elements into or out of the coating to improve the connection homogeneity. In the process, the melting point of the coating zone is raised substantially by lowering the amount of the element or elements lowering the melting point contained therein.
The coating that forms the intermediate zone acts as a braze, which can be selected so that its composition is sufficiently similar to that of the surrounding metal, so that the bond that results after the heat treatment has mechanical properties that approximate the properties of the surrounding metal.
The invention will now be explained by way of example with reference to the drawing; Show it:
1 is a perspective view of a molded part in the form of an airfoil profile, which is to be connected with two stiffening strips using the method according to the invention,
FIG. 2 is a diagram illustrating how the molded part of FIG. 1 is received in a wax model for the production of the precision mold, and
Fig. 3 is an illustration of the arrangement after forming the precision mold around the model and removing the model to create a casting cavity for receiving molten metal.
The method according to the invention is particularly suitable for the production of components for gas turbines from heat-resistant alloys, in particular if the component has anisotropic metallurgical properties.
The term anisotropic metallurgical properties is to be understood to mean that the component has improved strength properties parallel to the main stress axis.
In the case of a wing shape, this structure was created by directional solidification of a casting to obtain columnar grains aligned parallel to the main axis of the wing. This grain orientation leads to a considerable improvement in the resistance to intergranular fractures at elevated temperatures, so that the creep resistance, the ductility and in particular the resistance to thermal fatigue are also improved.
Another material with anisotropic metallurgical properties is a composite structure consisting of a fiber-reinforced metal matrix. Fibers, for example boron fibers, silicon boron fibers or graphite fibers, are embedded in a metal matrix, for example aluminum, in the form of thin layers, and the layers are inserted into the desired wing shape and then connected to one another by diffusion, the fibers being in the direction of; for example, it could contain a hydrogen or argon atmosphere in addition to the vacuum.
It is obvious to a person skilled in the field of brazing in the furnace that the selection of an incorrect environment for fusing the coating results in easily recognizable poor flow and poor wetting of the molded part with the coating and gives rise to a corrective change in the method.
In the same way, the temperatures at which the coating is melted can be changed depending on the coating alloy. For the above-mentioned special coating alloy, it has been shown that a melting temperature of 1066 C (1950 "F) in vacuum results in the desired coating fusion and coating adhesion to the molded part in a period of 5 minutes at the melting temperature. In general, the coating alloy must be regardless of its composition be applied at the lowest possible temperature and in the shortest time period, so that a reduction in their boron content by diffusion into the molded part and thus an increase in their melting point is avoided.
Due to the nature of the application process, the dimensions of the coating zone after the fusion are small. Preferably the coating thickness is limited to less than 125 µm (0.005 inch).
1 shows a molded part 10 with anisotropic metallurgical properties in the form of an airfoil profile, which has column-shaped grains 11 running along the main stress axis. At both ends of the molded part 10 there are two projections 12 and 13, which are arranged in such a way that they anchor the molded part to the subsequently attached metal cast part by means of a metallurgical connection. The areas in which the boron-containing coating alloy is to be previously applied to the molded part 10 lie in the zones 14 and 15, which include the projections 12 and 13.
A lost model is then built up according to FIG. 2. The molded part 10 is held between two replicas 16 and 17 by stiffening bands with which the molded part 10 is to be connected. The model can be made of wax, polystyrene or a mixture of the two materials. The stiffening belt replicas 16 and 17 are connected to parts 18 and 19, respectively, which form the runner channels and which are fed by a sprue funnel 20; all of these parts are made from the material of the lost model.
As already mentioned, the molded part 10 can consist of any material with anisotropic metallurgical properties. Directionally solidified alloys of nickel and cobalt are particularly suitable for these purposes.
The chemistry of these alloys has been developed over the years; it is not a special feature of the invention. For an explanation of the chemical and other properties of nickel and cobalt superalloys, see Table 1 in the appendix to the work entitled The Superalloys by Sims et al., Published by John Wiley & Sons. Table 1 appears on pages 596 and 597; In it many commercially available nickel and cobalt super alloys are listed. Reference is made here to the description contained at the point mentioned.
The arrangement shown in FIG. 2 is then subjected to a customary precision casting process. Although there are many options for producing casting molds using this method, the method described in US Pat. No. 2,932,864 is preferably used according to the invention. In the method described there, a destructible model of the object to be produced is coated at room temperature by immersion in a high-melting particle and an aqueous slurry containing a binder. The coating is then dried isothermally so that the temperature of the model remains constant.
Drying is carried out by passing air with controlled moisture over the coated model, the air containing enough moisture to maintain an approximately constant temperature of the moist thermometer ball, which corresponds approximately to the initial temperature of the model, and the temperature of the dry thermometer ball by at least 5.6 "C (10" F) higher than that of the wet one. The model is then immersed in further aqueous slurries from the refractory to form successive layers on the model. Each subsequent layer is dried isothermally as described above while maintaining the temperature substantially constant. Finally, the model is melted out either in an oven or in an autoclave.
The shape obtained is shown in Fig. 3 of the drawing. It contains a sprue funnel 21, through which two sprue channels 22 and 23 are fed, which in turn feed two casting cavities 24 and 25, which are intended to form the stiffening strips of the wing profile part. In the preferred embodiment of the invention, the mold containing the coated molded part is preheated in vacuo to a temperature of about 870 ° C. before the casting process, so that the casting mold is then ready to take up the molten and vacuum-cast metal. It is a feature of the invention in that the molten metal can be cast at a relatively low temperature, that is, conditions that would normally only produce a mechanical connection, since melting of the boron-containing coating is not required at this stage.
After the cast metal has solidified, the composite casting is removed from the mold and subjected to sufficient heat treatment to cause boron to migrate from the intermediate layer into both the molded part and the solidified molten metal.
In general, the heat treatment can be carried out at temperatures in the range between 1010 and 1230 ° C., a range from 1120 to 1190 ° C. being preferred. The heat treatment is preferably carried out under inert conditions, for example in a vacuum of 10 to 15 μm The duration of the heat treatment can vary widely, it can last only half an hour or can be extended up to 20 hours or more. During this heat treatment, the migration of boron from the intermediate layer increases the melting temperature of this layer. The boron diffusion also serves to achieve the connection achieved improve.
An analysis of the intermediate area shows that there are no sudden changes in composition across the width of this area, so that the intermediate area has physical properties that are very similar to those of the surrounding areas, which is particularly true when the composition of the boron-containing coating was selected such that that it was closely approximated to the alloys to be joined.
It was observed that the cast part, in the immediate vicinity of the interface with the intermediate layer, has relatively small columnar grains that run perpendicular to the interface between the two superalloys, which is due to the heat removed from the relatively cold molded part.
Although boron is the particularly preferred diffusion agent for improving the connection, it is also possible to introduce considerable silicon fractions into the intermediate layer in a fraction range between 2 and 8%. However, silicon diffuses relatively slowly into the surrounding metal.
Phosphorus with a proportionate range of 1 to 4% can also be used as an additive in the connecting layer, but this substance is not as effective as boron.
With the aid of the method according to the invention, an improved metallurgical connection is thus ensured without an interface melting during the casting being necessary to achieve a metallurgical connection.
The diffusion of the boron during the heat treatment leads to a stable compositional condition at the interface, which results in a considerable similarity between the connection zone and the adjacent solid molded part and the cast-on sections. The resulting connection thus has mechanical properties that approximate those of the joined superalloys.
A person skilled in the art can recognize that modifications can also be made without further ado within the scope of the invention.