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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von gerichtet
erstarrten Gussteilen.
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STAND DER TECHNIK
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Zur
Herstellung von gerichtet erstarrten Gussteilen werden Gussöfen verwendet.
Mit einem solchen Gussofen können
kompliziert ausgebildete und hohen thermischen und mechanischen
Belastungen aussetzbare Bauteile, etwa Leit- und Laufschaufeln von
Gasturbinen, hergestellt werden. Je nach Verfahrenbedingungen kann
der gerichtet erstarrte Giesskörper
als Einkristall („single
crystal", SX) ausgebildet
oder von in einer Vorzugsrichtung ausgerichteten Stengelkristallen
(„directionally
solidified", DS)
polykristallin gebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist es, dass
die gerichtete Erstarrung unter Bedingungen stattfindet, bei denen
zwischen einem gekühlten
Teil einer geschmolzenes Ausgangsmaterial aufnehmenden Giessform
und dem noch geschmolzenen Ausgangsmaterial ein starker Wärmeaustausch
stattfindet. Es kann sich dann eine Zone gerichtet erstarrten Materials
mit einer Erstarrungsfront ausbilden, welche bei dauerndem Entzug von
Wärme unter
Bildung des direkt erstarrten Giesskörpers durch die Giessform wandert.
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Aus
der Schrift
EP 749 790
A1 ist ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
eines gerichtet erstarrten Giesskörpers bekannt. Die Vorrichtung
besteht aus einer Vakuumkammer, welche eine obere Heizkammer und
eine untere Kühlkammer
enthält.
Beide Kammern sind durch ein Baffle getrennt. Die Vakuumkammer nimmt
eine Giessform auf, welche mit einer Schmelze gefüllt wird.
Für die Herstellung
von thermisch und mechanisch belastbaren Teilen, wie im Falle von
Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, wird beispielsweise eine
Superlegierung auf der Basis von Nickel verwendet. In der Mitte
des Baffles ist eine Öffnung
vorhanden, durch welche die Giessform während des Verfahrens langsam
von der Heizkammer in die Kühlkammer
bewegt wird, so dass das Gussstück
von unten nach oben gerichtet erstarrt. Die Abwärtsbewegung geschieht durch
eine Antriebsstange, auf welcher die Giessform gelagert ist. Der
Boden der Giessform ist wassergekühlt ausgeführt. Unterhalb des Baffles
sind Mittel zum Erzeugen und Führen
einer Gasströmung vorhanden.
Diese Mittel sorgen durch die Gasströmung neben der unteren Kühlkammer
für eine
zusätzliche
Kühlung
und dadurch für
einen grösseren Temperaturgradient
an der Erstarrungsfront.
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Ein ähnliches
Verfahren, welches neben Heiz- und Kühlkammer mit einer zusätzlichen
Gaskühlung
arbeitet, ist beispielsweise auch aus der Patentschrift
US 3,690,367 A bekannt.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung von gerichtet erstarrten Gussteilen
mit Heiz- und Kühlkammer
ist beispielsweise auch in der Druckschrift
US 3,532,155 A beschrieben.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers ist
aus der Druckschrift
US 3,763,926
A bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine mit einer aufgeschmolzenen
Legierung gefüllte
Giessform kontinuierlich in ein auf ca. 260°C aufgeheiztes Bad getaucht.
Hierdurch wird eine besonders rasche Abfuhr von Wärme aus
der Giessform erreicht. Dieses und andere, ähnliche Verfahren sind unter
dem Begriff LMC (liquid metal cooling) bekannt.
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Bei
dendritisch erstarrenden, kubischen Werkstoffen werden als Selektoren
zur Bildung eines Einkristalls beim Beginn der Erstarrung am Boden der
Giessform sogenannte Helixstarter (engl. „helix starter" oder „pig tail
starter") oder Ankeimstarter (engl. „seed starter") eingesetzt.
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Helixstarter,
beispielsweise bekannt aus
US 4,475,582
A ,
US 4,548,255
A oder
US 4,180,119
A , liefern vor allem eine Selektion gemäss der bevorzugten Wachstumsrichtung,
so dass die kristallographische [001]-Richtung des ausgewählten Einkristalls, welche
auch Primärorientierung
genannt wird, ungefähr
in die Ofenlängsrichtung,
d.h. von der Kühlkammer
hin zur Heizkammer, zeigt.
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Ankeimstarter übertragen
die kristallographische Orientierung des einkristallinen Keims auf
das zu erstarrende Gussstück.
Dabei werden alle drei Richtungen [100], [010], [001] eingestellt,
so dass nicht nur die [001]-Richtung
oder Primärorientierung, sondern
auch die sogenannte Sekundärorientierung [100]
und [010], auf das Gussteil übertragen
werden.
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Um
in Gussteilen mit sprunghaften Querschnittsaufweitungen, wie etwa Überhängen, Armen oder
Plattformen, welche sich nicht in Ofenlängsrichtung (z.B. quer zur
Ofenlängsrichtung)
erstrecken, ein einkristallines Gefüge zu erzielen ist in vielen
Fällen
neben dem einkristallinen Wachstum durch das Bauteil selbst auch
eine zusätzliche
Führung
des einkristallinen Wachstums ausserhalb des Bauteils in solchen
Querschnittsaufweitungen erforderlich. Solche Einkristallführungen
(engl. „grain
continuator" oder „grain
feeder") sind bekannt
in Form von Ansatzstücken
an die Querschnittsaufweitung, welche einen kontinuierlicheren Übergang
ermöglichen,
in Form von nicht notwendigerweise geraden, stabförmigen Verbindungsstücken zu
der Querschnittsaufweitung oder in Form von Kombinationen daraus.
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Aus
der Literatur ist weiter bekannt, dass sich die Qualität des einkristallinen
Gefüges
im Lauf der gerichteten Erstarrung mit zunehmender Gussteilgrösse verschlechtert,
was ein limitierender Faktor für
grosse einkristalline Bauteile sein kann. Insbesondere können sich
im Einkristall sogenannte Subkorngrenzen (d.h. Grenzen zwischen
benachbarten Bereichen mit gewisser Differenz der kristallographischen
Orientierung) bilden und ihre Orientierungsdifferenz erhöhen, so
dass schliesslich das vom Hersteller vorgegebene Akzeptanzlimit überschritten wird.
Dieser Verschlechterungseffekt ist am grössten bei gerichtetem Wachstum
nahe den kristallographischen <100>-Richtungen, während er
nahe den <111>-Richtungen praktisch verschwindet. Nahe
den <110>-Richtungen liegt die
Verschlechterung je nach Literaturstelle zwischen der <100>- und <111>-Richtungen oder sie ist ähnlich wie
in <100>-Richtungen.
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Ein
wesentlicher Nachteil der genannten Verfahren besteht darin, dass
bei zunehmender Gussteilgrösse
die kristalline Qualität
des Einkristalls abnimmt, insbesondere durch Entstehung und Verschlechterung
von Subkorngrenzen, was schliesslich das vom Hersteller vorgegebene
Akzeptanzlimit überschreiten
kann. Kritische Subkorngrenzen können
insbesondere dort entstehen, wo der durch das Bauteil wachsende
Kristall mit dem durch Einkristallführungen gewachsenen Kristall
zusammentrifft. Die Verschlechterung der Einkristallqualität ist besonders deutlich
bei der Herstellung von grossen Turbinenschaufeln, welche häufig nahe
der <100>-Richtungen erstarrt werden.
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Eine
Erstarrung nahe der <111>-Richtungen kann zwar
Subkorngrenzen verbessern, aber durch den nicht in Hinblick auf
Subkornbildung optimierten Gussteilaufbau, insbesondere der Einkristallführungen
ist der Effekt beschränkt
und teilweise zufällig. Darüberhinaus
resultiert bei Erstarrung nahe der <111>-Richtungen
eine höhere
Unterkühlung
der Dendritenspitzen während
des Wachstums, wodurch die Bildung von Fehlkörnern, also neu gekeimten Körnern mit
weitgehend zufälliger
kristallographischer Orientierung, begünstigt wird, so dass diese Prozessvariante
nur eingeschränkt
eingesetzt werden kann. Weiterhin weisen kubische Metalle eine Anisotropie
verschiedener Eigenschaften auf, so dass insbesondere der für den Bauteileinsatz
wesentliche Elastizitätsmodul
sich ändert,
was wiederum eine Änderung
des Bauteildesigns erfordern kann.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Ziel der Erfindung die genannten Nachteile zu vermeiden. Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu entwickeln,
welches die beschriebenen Nachteile der existierenden Verfahren
so weit reduziert, dass grosse, komplex geformte Gussteile, insbesondere
Turbinenschaufeln, mit besserer kristalliner Qualität herstellbar
sind.
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Erfindungsgemäss wird
die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines gerichtet
erstarrten Gussteils gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der mindestens eine Überhang
bzw. die mindestens eine sprunghafte Querschnittserweiterung mit
mindestens einer Einkristallführung
oder mindestens einem Übergangsstück mit dem
Einkristallstarter oder einer anderen, geeigneten Stelle des Gussteils
verbunden ist, wobei die Hauptwachstumsrichtung in der Einkristallführung bzw.
im Übergangsstück in <111>- oder in <110>-Richtung geschieht.
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Der
Gegenstand dieser Erfindung ist es, den beschriebenen Nachteil der
Verschlechterung der kristallinen Qualität von einkristallin gerichtet
erstarrten Gussteilen aus dendritisch erstarrenden, kubischen Werkstoffen
mit zunehmender Gussteilgrösse zu
reduzieren. Dazu werden die folgenden Massnahmen zur besseren Auswahl,
Kontrolle und Beibehaltung der kristallographischen Orientierung
relativ zum Bauteil während
der gerichteten Erstarrung des Gussteils eingesetzt, insbesondere
die Verwendung eines Einkristallstarters mit festgelegter Primär- als auch
Sekundärorientierung
(z.B. einkristalliner Ankeimstarter), die Ansatzspositionen und
Ausrichtung der Einkristallführungen,
die Positionierung und Orientierung des oder der Bauteile im Giessofen,
so dass sich die Winkeldifferenzen zwischen Subkörnern im Bauteil durch bevorzugtes
Wachstum nahe der Richtungen <111> und/oder <110> in ausgewählten Gussteilbereichen
verringern.
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Bei
Bauteilen, welche sich noch im Designprozess befinden, kann darüber hinaus
auch eine Verbesserung der Bauteilgeometrie, insbesondere Überhänge, Arme,
Plattformen oder innere Hohlräume
(z.B. Kühlgeometrie
bei Turbinenschaufeln), mit dem Ziel einer verbesserten Wirksamkeit
und/oder Umsetzbarkeit der angeführten
Massnahmen erfolgen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1–3 drei
Ausführungsformen
einer erfindungsgemässen
Turbinenschaufel,
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4 die
Ausführungsform
nach einer der 1 bis 3 von der
Turbinenschaufelspitze aus gesehen,
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5–7 drei
weitere Ausführungsformen
einer erfindungsgemässen
Turbinenschaufel,
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8 die
Ausführungsform
nach einer der 5, 6 oder 7 vom
Einkristallstarter aus gesehen,
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Es
werden nur die für
die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente
werden in unterschiedlichen Figuren gleich bezeichnet.
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WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die 1 bis 8 zeigen
eine nach dem erfindungsgemässen
Verfahren hergestellte Turbinenschaufel 10. Selbstverständlich kann
sich ebenso um ein anderes gerichtet erstarrtes Gussteil handeln, welches
mit den unter „Stand
der Technik" erwähnten Gussöfen hergestellt
wird. Eine Gussform wird in den Gussofen, welcher aus einer oberen
Heizkammer und aus einer unteren Kühlkammer besteht, gelegt, mit
einer flüssigen
Legierung gefüllt
und dann von der oberen Heizkammer in die untere Kühlkammer
geführt,
wobei sich an der Grenze zwischen den beiden Kammern die Erstarrungsfront
bildet, welche von unten nach oben durch das Gussteil wandert. Auf
diese Weise erstarrt das Gussteil gerichtet. Dies ist aber allgemein
aus dem Stand der Technik bekannt. Die nachfolgenden Ausführungen
beziehen sich auf die Anordnung des Gussteils in dem Gussöfen vor,
während
bzw. nach der gerichteten Erstarrung. Der Gussofen ist aber aus
Gründen
der Einfachheit in den Figuren nicht dargestellt.
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Gemäss den 1 bis 4 kann
die Turbinenschaufel 10, welche einen Schaufelfuss 5,
eine Plattform 4, ein Schaufelblatt 3 und eine
Schaufelspitze 11 aufweist, mit kristallographischer <100>-Orientierung nahe
der Schaufellängsrichtung
mit der Schaufelspitze 11 nach unten in die Kühlkammer
und mit einem Einkristallstarter 1 etwa mittig unterhalb vom
Schaufelblatt 3 positioniert werden. Ein sich auf die Grösse der
Schaufelspitze 11 erweiterndes Übergangsstück 2 lässt den
Einkristall vom Starter 1 in die Blattspitze 11 wachsen.
Einkristallführungen 6 ausgehend
vom Übergangsstück 2 (1 und 2) oder
dem Schaufelblatt 3 (3) lassen
den Einkristall in insbesondere die äusseren Bereiche der Schaufelplattform 4 oder
Plattformen und eventuell vorhandene, sich quer zur Erstarrungsrichtung sprunghaft
erweiternde Überhänge wachsen,
wo ansonsten Fehlkörner
entstehen würden.
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Die
kristallographische Ausrichtung des Einkristallstarters 1 relativ
zur Turbinenschaufel 10 wird so gewählt, dass die Primärorientierung
[001] in Schaufellängsachse
zeigt. Der Einkristallstarter 1, das Übergangsstück 2, die Einkristallführungen 6 und
geometrische Bauteilaufweitungen werden so in bezug auf die Sekundärorientierung
[100] bzw. [010] positioniert bzw. kristallographisch orientiert,
dass sich darin ein günstiges
Einkristallwachstum, also bevorzugt nahe den <111>-
und/oder <110>-Richtungen einstellt.
Insbesondere können
dazu schräge
Abschnitte und schräge
Ansatzstücke 7,
welche zusätzlich
unter Ausnutzung der Sekundärorientierung
ausgerichtet sind, verwendet werden.
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Der
Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass zwar im Schaufelblatt 3 wegen
des Wachstums nahe <100> eine Verschlechterung
in der kristallinen Qualität auftritt,
aber sich die Orientierungsdifferenz (Winkeldifferenzen zwischen
Subkörnern)
zwischen dem im Schaufelblatt 3 und dem in den Einkristallführungen 6 gewachsenen
Einkristall verringert, da in den Einkristallführungen 6 nur eine
geringere Verschlechterung der Qualität auftritt.
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Die 5 bis 8 zeigen
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Verfahrens. Die Turbinenschaufel 10, welche insbesondere
eine kristallographischer <100>-Orientierung nahe
der Schaufellängsrichtung
aufweist, wird schräg
mit einer Schaufelblattkante 8, bevorzugt der Austrittskante, hin
zur Kühlkammer
zeigend angeordnet und ein Einkristallstarter 1 wird etwa
mittig unterhalb vom Schaufelblatt 3 positioniert. Ein
sich auf die gesamte Länge (5)
oder auf ein Teilstück
(6,7) der hin zur Kühlkammer
zeigenden Schaufelblattkante 8 erweiterndes Übergangsstück 2a, 2b, 2c lässt den
Einkristall vom Starter 1 in das Schaufelblatt 3 wachsen. In
den 6 und 7 entsteht dadurch ein Hohlraum 9,
zwischen dem Übergangsstück 2b, 2c und der
Schaufelblattkante 8.
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Einkristallführungen 6 (6–8)
ausgehend vom Übergangsstück 2a, 2b, 2c,
vom Schaufelblatt 3 oder von der Plattform 4 lassen
den Einkristall in insbesondere die hin zur Kühlkammer zeigenden Bereiche
der Schaufelplattform 4 bzw. eventuell vorhandene, sich
quer zur Erstarrungsrichtung sprunghaft erweiternde Überhänge wachsen,
wo ansonsten Fehlkörner
entstehen würden.
Dies ist aber analog zu den Ausführungen,
welche zu dem 1 bis 4 gemacht
wurden. Die kristallographische Ausrichtung des Einkristallstarters 1 relativ
zur Schaufel wird so gewählt,
dass das Einkristallwachstum hauptsächlich nahe einer <111>- oder mindestens nahe
einer <110>-Orientierung erfolgt
und die Sekundärorientierung
[100] bzw. [010] im Übergangsstück 2a, 2b, 2c,
in den Einkristallführungen 6 und
in geometrischen Bauteilaufweitungen ein günstiges Wachstum, also bevorzugt
nahe den <111>- und/oder <110>-Richtungen bewirkt, sowie falls gewünscht, die
Primärorientierung
[001] in Richtung der Schaufellängsachse
zeigt.
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Der
Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass im Gussteil wegen des
Wachstums nahe <111> bzw. <110> nur eine sehr geringe
bzw. geringe Verschlechterung der kristallinen Qualität auftritt
und zusätzlich
durch die schräge
geometrische Anordnung praktisch überall durch geometrische Anteile
in Richtung der Hauptwachstumsrichtung die Tendenz zur Bildung von
Fehlkörnern
reduziert wird. Die bevorzugte Wahl der Austrittskante und nicht
der Eintrittskante sowie die darüber
hinaus bevorzugte Wahl eines Teilstücks davon zur Verknüpfung mit
dem Übergangsstück 2a, 2b, 2c bietet
den Vorteil, dass nur relativ wenige und einfache Nachbearbeitungsoperationen
zur Entfernung des Übergangsstücks notwendig
sind.
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- 1
- Einkristallstarter
- 2
- Übergangsstück
- 2a
- Übergangsstück
- 2b
- Übergangsstück
- 2c
- Übergangsstück
- 3
- Schaufelblatt
- 4
- Plattform
- 5
- Schaufelfuss
- 6
- Einkristallführung
- 7
- Ansatzstück
- 8
- Schaufelblattkante
von Turbinenschaufel 10
- 9
- Hohlraum
- 10
- Turbinenschaufel
- 11
- Blattspitze
von Turbinenschaufel 10