CH636783A5

CH636783A5 - Keramikform und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: CH636783A5
Application number: CH811478A
Authority: CH
Inventors: Douglas Russel Hayes
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-08-01
Filing date: 1978-07-28
Publication date: 1983-06-30
Also published as: FR2399275A1; GB2003063A; SE7808213L; FR2399275B1; GB2003063B; IL55250A; US4133368A; JPS5441228A; IT1097546B; IL55250A0; DE2833515A1; DE2833515C2; CA1107031A; IT7826361A0; JPS6243777B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Keramikform zum Giessen von Einkristallmetallgegenständen sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Form.

Zum Giessen von Einkristallmetallgegenständen ist eine Form bekannt (US-PS 3 494 209), die eine Kristallwachstumszone oder einen Kristallwachstumshohlraum am unteren Ende und einen schmalen Durchlass darüber hat, der mit der Wachstumszone in Verbindung steht. Im allgemeinen ist die Wachstumszone der Form unten offen, so dass, wenn die Form beim Giessen auf eine Abschreckplatte gestellt wird, das darin befindliche schmelzflüssige Metall in einer Richtung zum Erstarren gebracht wird, damit sich ein Stengelfügewachstum zu dem Durchlass hin ergibt. Der schmale Durchlass dient zum Auswählen eines einzigen Kristalls unter den zahlreichen Kristallen, die in dem Wachstumshohlraum nach oben wachsen und sich weiter durch die Form ausbreiten. Bislang ist es üblich, dem Durchlass die Form einer Wendel oder Schraubenlinie und einen Querschnitt zu geben, der im Vergleich zu dem des Wachstumshohlraums klein ist (US-PS'en 3 625 275, 3 627 015, 3 667 533, 3 690 368, 3 700 023 und 3 712 368).

Es ist bekannt, die zum Einkristallgiessen benutzten Formen nach dem Schalenform- oder Wachstumsschmelzverfahren herzustellen, bei welchem Schichten aus Keramikmaterial auf ein verlorenes Modell, beispielsweise ein Wachsmodell, aufgebracht werden. Das Wachsmodell hat im allgemeinen einen Gegenstandsteil, einen Schraubenlinien- oder Wendelteil und einen Wachstumszonenteil, wobei der Schraubenlinienteil von Hand mit Wachs zwischen die anderen geklebt wird. Die so miteinander verbundenen Wachsteile werden dann mit Keramikschichten bedeckt, um um sie herum eine Schalenform zu bilden. Nachdem die Keramikschale bis zu der gewünschten Dicke aufgebracht ist, wird das Wachsmodell ausgeschmolzen, und es bleibt eine Keramikschalenform zurück, die einen oberen Gegenstandshohlraum hat, der mit einem unteren Wachstumshohlraum durch einen schraubenlinienförmigen Durchlass kleinen Querschnittes verbunden ist.

Infolge des geringen Querschnittes und der infolgedessen geringen Festigkeit der Wendel aus Wachs ergeben sich Probleme bei dem Miteinanderverbinden der Wachsmodellteile und bei dem Schalenformen durch Verziehen oder Brechen der Wachswendel und anderer Wachsteile. Aufgrund dieser Probleme ist es erforderlich, dass das Personal bei diesen Arbeiten äusserste Sorgfalt walten lässt. Trotz dieser Sorgfalt kommt es jedoch allzuhäufig zum Verziehen und Brechen der Wendel, was eine geringere Produktion und höhere Giesskosten zur Folge hat.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren werden Formen zum Giessen von Einkristallen geschaffen, indem ein vorgegossenes zentrales Formteil oder Verstärkungsteil zwischen vorgegossene äussere Formteile eingebaut wird (US-PS 3 965 963). Bei diesem Verfahren werden die Formteile vorgeformt oder vorgegossen, indem eine Keramikaufschläm-mung in einen geeignet gestalteten Formhohlraum eingeleitet wird.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine verbesserte Form zum Giessen von Einkristallmetallgegenständen und ein Verfahren zum Herstellen der Form zu schaffen.

Eine solche Keramikform weist eine Präzisionsform mit einem Hauptgegenstandshohlraum auf und ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass an ihrem unteren Ende unter dem Gegenstandshohlraum und mit diesem in Verbindung stehend ein vorgeformter Einkristallanfangseinsatz aus Keramik eingebettet ist, der unter einen Wachstumshohlraum mit einem offenen unteren Ende, das während des Giessens mit einer Abschreckplatte in Berührung ist, und einen aufwärts geneigten Durchlass hat, der den s

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Wachstumshohlraum mit dem Gegenstandshohlraum verbindet und so gestaltet ist, dass er einen einzigen metallischen Kristall aus dem Wachstumshohlraum zur weiteren Ausbreitung durch den Gegenstandshohlraum hindurch auswählt.

Zum Herstellen einer solchen Form sieht die Erfindung die folgenden Schritte vor:

a) Bereitstellen eines vorgeformten Einkristallanfangseinsatzes aus Keramik, der unten einen Wachstumshohlraum mit einem offenen unteren Ende, das während des Giessens mit einer Abschreckplatte in Berührung ist, eine Modellbefestigungsfläche an dem zu dem Wachstumshohlraum entgegengesetzten Ende und einen aufwärts geneigten Durchlass hat, der den Wachstumshohlraum mit der Modellbefestigungsfläche verbindet.

b) Bereitstellen einer Modellform, die einen inneren Hohlraum in der Gestalt des zu giessenden Gegenstandes hat,

c) Anordnen des Einsatzes derart, dass seine Modellbefestigungsfläche mit dem inneren Hohlraum der Modellform in Verbindung ist, und Einleiten von Modellmaterial in den Hohlraum, um ein verlorenes Gegenstandsmodell zu formen und gleichzeitig das Modell an der Befestigungsfläche oben an dem Anfangseinsatz zu befestigen, wobei der aufwärts geneigte Durchlass des Einsatzes den Wachstumshohlraum mit dem Gegenstandsmodell verbindet,

d) Formen einer Keramikform um die Anordnung aus Anfangseinsatz und verlorenem Gegenstandsmodell herum durch Präzisionsformen, wobei das untere Ende des Wachstumshohlraums offengelassen wird, und e) Entfernen des verlorenen Gegenstandsmodells aus der präzisionsgeformten Anordnung, um eine Form zu schaffen, die einen Gegenstandshohlraum und einen unter demselben eingebetteten vorgeformten Anfangseinsatz hat, wobei der Wachstumshohlraum des Einsatzes mit dem Gegenstandshohlraum durch den aufwärts geneigten Durchlass verbunden ist.

Die Form und das Verfahren nach der Erfindung sind besonders vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt der Schaffung eines äusserst genauen und reproduzierbaren Kristallanfangseinsatzes in der Form und der beträchtlichen Verringerung der manuell auszuführenden Zusammenbauarbeiten und der Verziehungs- und Bruchgefahr der Wendel. Darüber hinaus kann der Kristallanfangseinsatz überprüft werden, und es ist möglich, seine Konfiguration und seine Struktur spezifischen Gussmetallen und Gussgegenständen anzupassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines vorgeformten Anfangseinsatzes aus Keramik,

Fig. 2 in einer Seitenansicht den vorgeformten Anfangseinsatz aus Keramik, der mit einem verlorenen Modell einer Gasturbinenschaufel verbunden und im Schnitt dargestellt ist, und

Fig. 3 eine Schnittansicht des Anfangseinsatzes von Fig. 1 nach dem Präzisionsformen und nach dem Entfernen des Wachsmodells.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen vorgeformten Einkristallanfangseinsatz 2 aus Keramik allein bzw. verbunden mit einem verlorenen Modell, welches der Anschaulichkeit halber als eine Gasturbinenschaufel 4 mit einem Flügelprofilabschnitt 4a, einem Wurzelabschnitt 4b und einem Giesstrich-ter 4c dargestellt ist. Der Anfangseinsatz 2 hat einen Keramikkörper 6, der unten mit einem Wachstumshohlraum 8 versehen ist, welcher an seinem unteren Ende 8a, mit dem er in herkömmlicher Weise auf eine Abschreckplatte (nicht dargestellt) gestellt wird, offen ist. Mit dem oberen Ende des Wachstumshohlraums und mit dem unteren Ende des verlorenen Schaufelmodells steht ein schraubenlinienförmiger Durchlass 10 in Verbindung, dessen Querschnitt im Vergleich zu dem des Wachstumshohlraums klein ist. Während des Giessens dient der schraubenlinienförmige Durchlass 10 zum Auswählen eines einzigen Metallkristalls unter den zahlreichen Kristallen, die in der Wachstumszone nach oben wachsen, wobei der ausgewählte Kristall sich dann durch den Gegenstandshohlraum hindurch weiter ausbreitet, wie es aus der oben genannten US-PS 3 494 709 bekannt ist. Der Keramikkörper kann auch ein oder mehrere Wachsabflusslöcher (nicht gezeigt) aufweisen, die das Entfernen des verlorenen Schaufelmodells später erleichtern. Diese Löcher würden vertikal ausgerichtet sein und das untere Ende des Modells mit dem Wachstumshohlraum 8 verbinden, um Abflusskanäle zu schaffen. Vorzugsweise hat das von dem Wachstumshohlraum abgewandte Ende des Keramikkörpers eine Modellbefestigungsfläche 13 von geeigneter Form, die das untere Ende des Wurzelabschnitts des Schaufelmodells aufnimmt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist.

Im allgemeinen wird der Kristallanfangseinsatz 2 aus Keramik in einer geeigneten Kokille durch ein bekanntes Hochdruck- oder Niederdruckkeramikspritzverfahren vorgegossen. Selbstverständlich kann, nachdem eine geeignete Kokille hergestellt worden ist, der Einsatz in grossen Stückzahlen aus geeignetem Keramikmaterial hergestellt werden, das dann für die zu giessenden Metalle und zu verwendenden Formmaterialien speziell massgeschneidert werden kann. Ein typisches Keramikmaterial, das beim Giessen von Legierungen auf Nickelbasis benutzt werden kann, ist ein Gemisch, das etwa 20% Siliciumdioxid und 30% Zirconium-oxid enthält. Andere Materialien, die für diesen Zweck geeignet sind, sind dem Fachmann geläufig.

Die Verwendung eines vorgeformten oder vorgegossenen Anfangseinsatzes aus Keramik bietet mehrere Vorteile, zu denen eine verbesserte Masskontrolle und eine verbesserte Reproduzierbarkeit sowie die Gelegenheit gehören, den Einsatz überprüfen zu können, bevor er in die Feingiessform aus Keramik eingebettet wird. Darüber hinaus kann die Dik-ke des Keramikkörpers nach Bedarf verändert werden, um eine bessere Isolierwirkung in dem Bereich des Wachstumshohlraums und des schraubenlinienförmigen Durchlasses zu schaffen und dadurch die Wärmegradienten zu verbessern und die Gefahr einer falschen Kristallkeimbildung zu minimieren. Selbstverständlich werden die umfangreichen manuellen Zusammenbauarbeiten, die beim Stand der Technik erforderlich sind, im wesentlichen beseitigt. Mit Hilfe des vorgeformten Einkristallanfangseinsatzes können die Kristallbildung und die Kristallauswahl optimiert und Gussstücke höherer Qualität hergestellt werden.

Das bevorzugte Verfahren zum Befestigen des vorgeformten Anfangseinsatzes an dem Schaufelmodell beinhaltet die Verwendung einer metallischen Modellform, die die Gestalt der zu giessenden Schaufel einschliesslich des Giess-trichters hat. Bei diesem Verfahren wird die Befestigungsfläche 13 des Anfangseinsatzes 2 dem Forminneren in Verbindung gebracht, und schmelzflüssiges Wachs oder anderes Modellmaterial wird eingeleitet. Das Schaufelmodell wird mit der gewünschten Gestalt geformt und gleichzeitig an dem Anfangseinsatz 2 an dessen Fläche 13 befestigt, wenn das Wachs daran erstarrt. Das durch dieses Verfahren hergestellte Gebilde ist in Fig. 2 gezeigt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da das manuelle Zusammenbauen des Anfangseinsatzes und des heiklen Modells beseitigt worden ist.

Nachdem das Gebilde von Fig. 2 hergestellt worden ist, wird es herkömmlichen Präzisionsformoperationen ausge5

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setzt, zu denen das Schalen- oder Massivpräzisionsformen gehören, um eine Keramikform um das Gebilde herum herzustellen. Selbstverständlich muss das Ende 8a des Anfangseinsatzes 2 offenbleiben, damit während des Giessens eine Berührung zwischen dem schmelzflüssigen Metall und der Abschreckplatte hergestellt werden kann. Infolgedessen ist es erwünscht, eine ebene Platte über diesem Ende des Anfangseinsatzes 2 während des Präzisionsformens anzuordnen, um zu verhindern, dass Keramikmaterial die Öffnung verschliesst. Nach dem Formen kann die Platte leicht entfernt werden.

Bei dem Schalenpräzisionsformen wird das Gebilde wiederholt in eine Keramikaufschlämmung eingetaucht und getrocknet, bis eine Keramikschale von ausreichender Dicke für eine Formwand erzielt ist. Als Beispiel ist eine Keramikschalenform 14, die durch dieses Formverfahren hergestellt worden ist, in Fig. 3 nach dem Entfernen des Schaufelmodells gezeigt. In Fig. 3 ist die Schalenform mit einem Basis* oder Flanschteil 15 gezeigt, der während des Giessens mit gerichteter Erstarrung auf der Abschreckplatte (nicht dargestellt) ruht.

Wenn Wachsabflusslöcher in dem Anfangseinsatz 2 vorgesehen sind, wird das Entfernen des Wachsschaufelmodells s durch Ausschmelzen sehr erleichtert, da der schraubenlinien-förmige Durchlass einen ziemlich kleinen Querschnitt und deshalb eine begrenzte Abflusskapazität hat. Vor dem Giessen ist es jedoch erforderlich, vorgeformte Keramikstopfen oder dergleichen in die Abflusslöcher einzuführen, um zu io verhindern, dass metallische Kristalle während des Giessens durch die Löcher nach oben wachsen.

Bei dem Massivpräzisionsformen wird das Gebilde von Fig. 2 in einen Behälter oder Kasten gestellt und die Kera-mikformaufschlämmung wird herumgegossen, wobei jedoch 15 das Ende 8a des Anfangseinsatzes ausgenommen bleibt. Nachdem die Aufschlämmung erhärtet ist, wird das Schaufelmodell in der oben beschriebenen Weise entfernt, um die gewünschte Form zu schaffen.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Keramikform zum Giessen von Einkristallmetallgegenständen, die eine Präzisionsform mit einem Hauptgegenstandshohlraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an ihrem unteren Ende unter dem Gegenstandshohlraum und mit diesem in Verbindung stehend ein vorgeformter Einkristallanfangseinsatz aus Keramik eingebettet ist, der unten einen Wachstumshohlraum mit einem offenen unteren Ende, das während des Giessens mit einer Abschreckplatte in Berührung ist, und einen aufwärts geneigten Durchlass hat, der den Wachstumshohlraum mit dem Gegenstandshohlraum verbindet und so gestaltet ist, dass er einen einzigen metallischen Kristall aus dem Wachstumshohlraum zur weiteren Ausbreitung durch den Gegenstandshohlraum hindurch auswählt.
2. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Präzisionsform eine Keramikschalenform ist.
3. Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstandshohlraum die Gestalt einer Gasturbinenschaufel hat.
4. Form nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangseinsatzdurchlass schrauben-linienförmig ist.
5. Verfahren zum Herstellen einer Keramikform nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines vorgeformten Einkristallanfangseinsatzes aus Keramik, der unten einen Wachstumshohlraum mit einem offenen unteren Ende, das während des Giessens mit einer Abschreckplatte in Berührung ist, eine Modellbefestigungsfläche an dem zu dem Wachstumshohlraum entgegengesetzten Ende und einen aufwärts geneigten Durchlass hat, der den Wachstumshohlraum mit der Modellbefestigungsfläche verbindet,

b) Bereitstellen einer Modellform, die einen inneren Hohlraum in der Gestalt des zu giessenden Gegenstandes hat,

c) Anordnen des Einsatzes derart, dass seine Modellbefestigungsfläche mit dem inneren Hohlraum der Modellform in Verbindung ist, und Einleiten von Modellmaterial in den Hohlraum, um ein verlorenes Gegenstandsmodell zu formen und gleichzeitig das Modell an der Befestigungsfläche oben an dem Anfangseinsatz zu befestigen, wobei der aufwärts geneigte Durchlass des Einsatzes den Wachstumshohlraum mit dem Gegenstandsmodell verbindet,

d) Formen einer Keramikform um die Anordnung aus Anfangseinsatz und verlorenem Gegenstandsmodell herum durch Präzisionsformen, wobei das untere Ende des Wachstumshohlraums offengelassen wird, und e) Entfernen des verlorenen Gegenstandsmodells aus der präzisionsgeformten Anordnung, um eine Form zu schaffen, die einen Gegenstandshohlraum und einen unter demselben eingebetteten vorgeformten Anfangseinsatz hat, wobei der Wachstumshohlraum des Einsatzes mit dem Gegenstandshohlraum durch den aufwärts geneigten Durchlass verbunden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass schmelzflüssiges Wachs in die Modellform eingeleitet wird, um ein Wachsmodell zu formen und dieses gleichzeitig mit dem Einsatz zu vereinigen.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form durch schalenweises Präzisionsformen hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachsmodell durch Erhitzen entfernt wird, wobei das schmelzflüssige Wachs über das offene Ende des Wachstumshohlraums aus der Form herausfliesst.