CH641985A5

CH641985A5 - Verfahren zur herstellung gerichtet erstarrter gussstuecke.

Info

Publication number: CH641985A5
Application number: CH750579A
Authority: CH
Inventors: Fritz Staub
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1979-08-16
Filing date: 1979-08-16
Publication date: 1984-03-30
Also published as: DE2933761A1; FR2462951B1; GB2056342A; DE2933761C2; FR2462951A1; GB2056342B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gerichtet erstarrter Gussstücke durch Vakuum- oder Schutzgasgiessen in Präzisionsgiessformen, wobei die überhitzte Schmelze in eine vorgeheizte keramische Form eingegossen wird, die aus einem keramischen Formteil besteht, der am unteren Ende durch eine von einem Kühlmittel durchflossene Platte aus gut wärmeleitendem Material abgeschlossen ist.

Bekanntlich lassen sich bestimmte Eigenschaften - beispielsweise mechanische Hochtemperatur-Eigenschaften -

von gegossenen Werkstücken, beispielsweise von Gasturbinenschaufeln, erheblich verbessern, wenn die Werkstücke aus gerichtet erstarrtem Material bestehen. Bei diesen sind die beim Erstarren gewachsenen Kristalle mit ihren Achsen in einer Vorzugsrichtung, die beispielsweise die Längsrichtung der Turbinenschaufel ist, angeordnet, was durch gezieltes und gesteuertes Abkühlen der Schmelze nach dem Ab-guss erreicht wird. Die bisher dafür angewandten Verfahren, mit denen ein Fortschreiten der möglichst senkrecht zur gewünschten Wachstumsrichtung der Kristalle verlaufenden, ebenen Erstarrungsfront erzwungen wird, sind zeitraubend und kostspielig; denn bei ihnen ist im Vakuum bzw. in der Schutzgasatmosphäre ein Heizen der mit der Schmelze gefüllten Form notwendig, wobei die Heizung entsprechend dem Fortschreiten der Erstarrungsfront ebenfalls verschoben werden muss. Diese Verfahren erfordern daher einen erheblichen Investitionsaufwand für relativ zur Form verschiebbare oder über die Höhe der Form eine regelbare unterschiedliche Heizleistung abgebende Heizeinrichtungen in der Vakuum- oder Schutzgasgiesseinrichtung. Ein bekanntes Verfahren für die Herstellung gerichtet erstarrter Gussstücke und für eine dazu bisher verwendete Vorrichtung sind beispielsweise in der DE-OS 2 230 317 beschrieben. Dort ist eine Vorrichtung gezeigt, bei der in einem Vakuum-Gefäss eine relativ zur Form verschiebbare Heizung vorhanden ist; die Form besteht dabei in üblicher Weise aus einer Keramikschale, die keinen Boden aufweist, sondern auf eine gut wärmeleitende, von einem Kühlmittel durchflossene Platte aufgesetzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bisher bekannten Verfahren zu vereinfachen, insbesondere das Heizen der Form im Vakuum- oder Schutzgasgefäss zu vermeiden und die dafür notwendigen Heizeinrichtungen sowie die zugehörigen Transporteinrichtungen, mit denen diese Heizeinrichtungen relativ zur Form verschoben werden, entbehrlich zu machen.

Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäss dadurch gelöst, dass der von Isolationsmaterial umhüllte keramische Formteil nach der Vorheizung von seiner Heizvorrichtung getrennt und auf der in einem Vakuumbehälter angeordneten Platte montiert wird, dass anschliessend der Behälter evakuiert und gegebenenfalls mit Inertgas begast wird und dass schliesslich die überhitzte Schmelze unmittelbar anschliessend ohne nochmalige, vorherige Aufheizung der Form abgegossen wird, wobei die Überhitzung der Schmelze, sowie die Vorheizung und die Massen des keramischen Formteils und seiner Isolation so aufeinander abgestimmt werden, dass die einfliessende Schmelze mindestens die den Formhohlraum umschliessende Wand des keramischen Formteils auf eine über der Liquidus-Temperatur der Schmelze liegende Temperatur aufheizt, und wobei ferner durch üher die Höhe unterschiedliche Dicken der Formwand und/oder der sie umhüllenden Isolationsschichten die Abkühlungsbedingungen so gewählt werden, dass mindestens im Erstarrungsbereich der Schmelze die Formwandtemperatur auf jedem zur Oberfläche der Kühlplatte parallelen Niveau mindestens gleich der örtlichen Temperatur der Schmelze ist.

Mit dem neuen Verfahren ist in dem Vakuumgefäss ein Heizen der Form weder vor dem Abguss noch danach notwendig, da der Formhohlraum durch die überhitzte Schmelze zunächst über die Erstarrungstemperatur erhitzt und zunächst mindestens auf dieser gehalten wird; die durch unterschiedliche Dicken der Formschale und/oder von Isolationsschichten erzwungenen Abkühlungsbedingungen gewährleisten ein Fortschreiten der Erstarrungsfront in der gewünschten Richtung. Falls erforderlich, können die Abkühlungsbedingungen und damit das neue Verfahren - beispielsweise durch entsprechende Form und Dicke der Isolationsschichten in dem entsprechenden Höhenbereich der Form - so aus5

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gestaltet werden, dass an das von der kühlmitteldurchflossenen Platte abgewandte Ende des gerichtet erstarrten Gussstückes ein regellos erstarrter Bereich anschliesst; einen solchen regellos erstarrten Bereich kann beispielsweise der Schaufelfuss einer gerichtet erstarrten Turbinenschaufel bilden.

Um das Eindringen von Verunreinigungen aus der vom Kühlmittel durchflossenen Platte in die Schmelze zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn mit der kühlmitteldurchflossenen Platte eine Zwischenplatte aus dem Material des Gussstückes wärmeleitend verbunden wird.

Neben einer Variation der Schichtdicken für die keramische Formschale und/oder die Isolationsschicht, die diese umgeben, lassen sich die Abkühlungsbedingungen auf einfache Weise variieren, wenn die Dicken der Kühlplatte und/ oder der Zwischenplatte verändert werden.

Weiterhin kann ein Losreissen des beim Erstarren schwindenden Gussstückes von der Zwischenplatte vermieden werden, wenn der Formhohlraum an seinem unteren Ende - beispielsweise durch Abrunden seiner Kanten - gegen die Zwischenplatte hin aufgeweitet wird.

Das neue Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt eine auf einer kühlmitteldurchflossenen Platte befestigte keramische Formschale, die über ihre Höhe variable Abkühlungsbedingungen aufweist;

Fig. 2 gibt eine Variante für den oberen Teil der Formschale nach Fig. 1 wieder.

Die Grundlage des Ausführungsbeispiels bildet die Herstellung einer gerichtet erstarrten Gasturbinenschaufel aus der Nickel-Basis-Legierung IN 738 LC; diese Legierung weist bekanntlich folgende Zusammensetzung auf (in Gew.-%): C 0,11; Cr 16,0; Co 8,5; Mo 1,7; W 2,6; Ta 1,7; Nb 0,9; AI 3,5; Ti 3,5; Zr 0,05; B 0,01 und Ni Rest.

Zunächst wird eine keramische Formschale 1 (Fig. 1) in der für Präzisionsgiessformen üblichen Weise mit Hilfe eines verlorenen Modells aus einzelnen Schichten aufgebaut; das Modell wird dabei mehrfach in eine Tauchmasse aus Schmelzmullit getaucht, der mit einem Äthylsilikatbinder angesetzt ist. Jede Tauchschicht wird anschliessend mit körnigem Schmelzmullit besandet. Die Tauchungen und das Be-sanden werden so lange fortgesetzt, bis eine Schalendicke von etwa 10 mm erreicht ist, was beispielsweise 10 Tauchungen erfordert. Es ist jedoch auch möglich, andere Schalendicken zu verwenden und insbesondere in einer Formschale 1 über die Höhe unterschiedliche Wandstärken vorzusehen, um die Abkühlungsbedingungen im gewünschten Sinne zu beeinflussen; so kann man beispielsweise unten, d.h. in der Nähe der noch zu beschreibenden Kühleinrichtung 2, eine Wandstärke oder Schalendicke von 10 mm vorsehen, die sich dann nach oben bis zum Trichter 3 gleichmässig zunehmend, beispielsweise auf 20 mm vergrössert. Weiterhin besteht die Möglichkeit, kritische Stellen der Formschale 1 -beispielsweise am Übergang lc vom Schaufelblatt la zum Schaufelfuss Id - mit einem Zement aus Aluminiumoxid und einem Silikatbinder zu verstärken.

Am unteren Ende geht der das Schaufelblatt bildende Teil la der Formschale 1 in einen flanschartigen Ansatz 1b über, während sich nach oben an das Schaufelblatt der Schaufelfuss Id anschliesst. Auf diesen ist oben ein Trichter 3 aufgesetzt, der gleichzeitig als Speiser und als «Wärmespeicher» dient. Er ist auf der linken Seite der Fig. 1 und 2 zu einem Schnabel 4 für das Eingiessen der Metallschmelze 5 ausgestaltet.

Der Übergang le des Formhohlraumes vom Bereich la des Schaufelblattes zum flanschartigen Ansatz lb, mit dem die Formschale 1 auf der noch zu beschreibenden Kühleinrichtung 2 abgestellt wird, erfolgt in einem Bogen, so dass sich am unteren Ende eine kleine Verbreiterung des Formhohlraumes ergibt. Diese dient dazu, ein den Wärmeübergang auf die Kühleinrichtung 2 verschlechterndes Abheben oder Abreissen des beim Erstarren schwindenden Gussmaterials von der Kühleinrichtung 2 zu verhindern.

Die nur schematisch dargestellte Kühleinrichtung 2, die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in einer Vakuumgiesseinrichtung montiert ist, besteht aus einem von Kühlwasser durchflossenen Hohlkörper 6 aus einem niedrig legierten Kohlenstoffstahl. Der Hohlkörper 6 ist über nur schematisch dargestellte Leitungen 7 und 8, die durch die Vakuum-Schleuse des nichtgezeigten Gefässes der Vakuum-Giesseinrichtung nach aussen geführt sind, an das Kühlwassernetz angeschlossen. Auf dem Hohlkörper 6 ist mit Hilfe eines handelsüblichen Nickel-Basis-Lotes, das zusätzlich mindestens Chrom und Bor enthält, eine Zwischenplatte 9 aus dem Gussmaterial artgleichen Material, also aus In 738, aufgelötet. Auf die Grösse dieser Zwischenplatte 9, mit deren Hilfe Verunreinigungen der Schmelze durch in Lösung gehendes Material des Hohlkörpers 6 verhindert werden, sind die Abmessungen des flanschartigen Ansatzes lb der Formschale 1 angepasst, so dass diese auf der Zwischenplatte 9 definiert gehalten und zentriert wird. Zusätzlich wird die Formschale 1 von einer Aufspann Vorrichtung auf die Zwischenplatte 9 gepresst; von dieser Aufspannvorrichtung sind nur die zu beiden Seiten der Formschale 1 auf dem flanschartigen Ansatz lb aufliegenden Schenkel 10 dargestellt.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist um die Formschale 1 Isolationsmaterial 11 gewickelt, das aus einem etwa 12 mm dicken Keramik-Filz aus Al203-Fa-sern besteht. Wie Fig. 1 zeigt, reicht die Isolation 11 nicht bis zum Ansatz lb der Formschale 1, sondern endet in einem gewissen Abstand darüber. Nach oben fortschreitend sind zunächst eine, dann zwei und unter Umständen schliesslich drei Schichten der Isolation 11 vorgesehen (Fig. 2). Gehalten werden diese Schichten 11 durch Nickeldraht, mit dem sie umwickelt werden. Die nach oben ansteigenden Schichtdik-ken der Isolation 11 - ebenso wie die erwähnten unter Umständen vorhandenen Änderungen der Wandstärken der Formschale 1 - dienen dazu, eine von unten nach oben fortschreitende, auf jeder Niveauhöhe längs des Umfangs möglichst gleichmässige Abkühlung des Formhohlraumes und damit der Schmelze zu erzwingen, wodurch ein von unten nach oben gerichtetes Wachsen von Stengelkristallen erreicht wird.

In welcher Höhe der Formschale 1 dabei der Anfang der Isolation 11 bzw. der Anfang einer weiteren Schicht derselben liegen müssen, wird rein experimentell bestimmt, wobei das Einhalten der gewünschten Wachstumsrichtung für die Kristalle, d.h. das Fortschreiten der Erstarrungsfront tatsächlich senkrecht zur Achse des Formhohlraumes, anhand der gewachsenen Kristalle kontrolliert werden kann.

Fig. 1 zeigt die Isolation 11 einer Formschale 1, bei der der Schaufelfuss ld und der Trichter 3 in regellos gewachsenen Kristallen erstarren, weil in ihren Höhenbereichen die Isolation 11 überall die gleiche Dicke aufweist und eine Vorzugsrichtung für das Fortschreiten der Erstarrung in diesen Bereichen daher nicht mehr gegeben ist.

Eine solche Vorzugsrichtung wird bei der Form nach Fig. 2 zumindest für den Bereich ld des Schaufelfusses auch dadurch erzwungen, dass um den Bereich ld und den Trichter 3 eine zusätzliche, weitere Isolationsschicht 11 gelegt ist. In der Form nach Fig. 2 wird daher zumindest der Schaufelfuss ld ebenfalls noch gerichtet erstarren.

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Abschliessend sei die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kurz skizziert:

In einem Ofen, beispielsweise in einem Muffelofen, wird die Formschale 1 einschliesslich ihrer Isolation 11 auf etwa 1200 °C aufgeheizt. Unabhängig davon erfolgt das Schmelzen des Gussmaterials in einer Vakuum-Giesseinrichtung unter einem Druck von etwa 5 x 10-4 mbar in einem handelsüblichen Tiegel aus Si-Al-Oxid. Die Aufzeizung der Schmelze wird so lange fortgesetzt, bis ihre Temperatur mindestens 200 °C über der durch Messung zu 1325 °C ermittelten Liquidus-Temperatur liegt, wobei das Vakuum durch eine Schutzgasatmosphäre ersetzt wird, die beispielsweise aus Argon unter einem Druck von etwa 100-250 mbar besteht. Durch das Schutzgas werden auch bei den hohen Temperaturen ein Abdampfen von Schmelzenmaterial in das Vakuum und Reaktionen der Schmelze mit dem Material des Tiegels und der Formsehale 1 weitgehend unterbunden.

Sind die erforderlichen Temperaturen der Formschale 1 und der Schmelze - im beschriebenen Beispiel erfolgt die Aufheizung der Schmelze beispielsweise bis zu einer Temperatur von 1650 °C - erreicht, so wird die heisse Schale auf der in einer Vakuum-Schleuse befindlichen Kühleinrichtung 2 montiert und durch die Aufspannvorrichtung festgehalten; die erwähnte gegenseitige Anpassung der quadratischen Zwischenplatte 9 und des Formschalenfusses lb fixiert dabei die Formschale 1 - relativ zu dem im Vakuum-Ofen befindlichen, die abzugiessende Schmelze enthaltenden Tiegel - in der richtigen Stellung, wobei durch eine Markierung sichergestellt ist, dass der Einguss 4 der Formschale 1 in die richtige Richtung der Zwischenplatte 9 weist.

s Nach der Montage der Formschale 1 auf der Kühleinrichtung 2 und dem Einschalten des Kühlmittelflusses wird die Schleuse geschlossen, evakuiert und die Kühleinrichtung 2 mit der Formschale 1 in die Schutzgasatmosphäre der Vakuum-Giesseinrichtung eingefahren, wobei gegebenenfalls io durch Einspeisung zusätzlichen Schutzgases der gewünschte Schutzgasdruck aufrechterhalten wird. Nach dem Einfahren der Form wird die überhitzte Schmelze unmittelbar abgegossen.

Beim Abguss heizt die überhitzte Schmelze mindestens ls den Formhohlraum der keramischen Formschale 1, wie er-findungsgemäss gefordert, über die Liquidus-Temperatur auf. Gleichzeitig beginnt jedoch auch das Wachstum der gerichteten Stengelkirstalle von der Kühleinrichtung 2 her.

Nach dem Abguss kann die gefüllte Form entweder di-20 rekt oder erst nach gewisser Zeit, in der die Erstarrung bereits eine gewisse Länge fortgeschritten ist, ausgeschleust und zur weiteren Abkühlung der Luft ausgesetzt werden.

Ist das Gussstück 5 vollständig erstarrt, so wird die Formschale 1 entfernt bzw. zerstört und das Gussstück 5 25 von der Zwischenplatte 9 der Kühleinrichtung 2 getrennt, z. B. einfach abgebrochen, da das Gussstück 5 auf der Zwischenplatte 9 sehr häufig nicht sehr fest haftet.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zur Herstellung gerichtet erstarrter Gussstücke durch Vakuum- oder Schutzgasgiessen in Präzisions-giessformen, wobei die überhitzte Schmelze in eine vorgeheizte keramische Form eingegossen wird, die aus einem keramischen Formteil besteht, der am unteren Ende durch eine von einem Kühlmittel durchflossene Platte aus gut wärmeleitendem Material abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der von Isolationsmaterial (11) umhüllte keramische Formteil (1) nach der Vorheizung von seiner Heizvorrichtung getrennt und auf der in einem Vakuumbehälter angeordneten Platte (6) montiert wird, dass anschliessend der Behälter evakuiert und gegebenenfalls mit Inertgas begast wird und dass schliesslich die überhitzte Schmelze unmittelbar anschliessend ohne nochmalige vorherige Aufheizung der Form (I, 3) abgegossen wird, wobei die Überhitzung der Schmelze sowie die Vorheizung und die Massen des keramischen Formteils (1) und seiner Isolation (11) so aufeinander abgestimmt werden, dass die einfliessende Schmelze mindestens die den Formhohlraum umschliessende Wand des keramischen Formteils (1) auf eine über der Liquidus-Temperatur der Schmelze liegende Temperatur aufheizt, und wobei ferner durch über die Höhe unterschiedliche Dicken der Formwand (1) und/oder der sie umhüllenden Isolationsschichten (11) die Abkühlungsbedingungen so gewählt werden, dass mindestens im Erstarrungsbereich der Schmelze die Formwandtemperatur auf jedem zur Oberfläche der Kühlplatte (6) parallelen Niveau mindestens gleich der örtlichen Temperatur der Schmelze ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlungsbedingungen für den keramischen Formteil (1) so ausgestaltet werden, dass an das von der kühlmitteldurchflossenen Platte (6) abgewandte Ende des gerichtet erstarrten Gussstückes (5) ein regellos erstarrter Bereich anschliesst.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form auf eine unterhalb der Schmelztemperatur des zu vergiessenden Materials liegende Temperatur vorgeheizt und die Schmelze um mindestens 200 °C überhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kühlmittel durchflossenen Platte (6) eine Zwischenplatte (9) aus Schmelzenmaterial wärmeleitend verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der kühlmitteldurchflossenen Platte (6) und/oder der Zwischenplatte (9) zur Variation der Abkühlungsbedingungen verändert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum an seinem unteren Ende in Richtung zur vom Kühlmittel durchflossenen Platte (6) bzw. zur Zwischenplatte (9) hin aufgeweitet wird.