DE10151000A1

DE10151000A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Formgusskokille

Info

Publication number: DE10151000A1
Application number: DE10151000A
Authority: DE
Inventors: Xi Yang; Ronald James Keller
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2002-04-25
Also published as: JP4077184B2; JP2002120043A; FR2815285A1; US6749006B1; GB0124294D0; GB2369594B; FR2815285B1; GB2369594A

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Formen einer keramischen Formgusskokille um ein verlorenes Wachsmodell eines Gegenstandes, bei dem das Modell mit einem keramischen Schlamm beschichtet wird, ein keramisches teilchenförmiges Material, das auf eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur erwärmt wurde, auf die Schlammschicht aufgetragen wird, die keramische Schlammschicht mit den darauf vorgesehenen keramischen Teilchen getrocknet wird und die Beschichtungs-, Auftragungs- und Trocknungsschritte wiederholt werden, um eine Kokille auf dem Modell aufzubauen. Der keramische Schlamm mit den darauf vorgesehenen keramischen Teilen wird anfangs während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstroms relativ geringer Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur über ungefähr 80 DEG F und anschließend während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstroms relativ geringer Feuchtigkeit bei einer Temperatur, die nicht über 80 DEG F liegt, getrocknet. Auf diese Weise lassen sich keramische Kokillen in einer Zeit von typischerweise weniger als 10 Stunden bei erheblich geringerer Rissbildungsgefahr herstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen einer keramischen Formgusskokille zum Gießen von Metallen und Legie rungen.

Beim Gießen von Gasturbinenschaufeln aus Superlegierungen unter Ver wendung herkömmlicher gleichachsiger und gerichteter Erstarrungstechniken wer den keramische Kokillen mit oder ohne keramischem Kern mit geschmolzenem Metall oder einer geschmolzenen Legierung gefüllt, das bzw. die in der Kokille (Gießform) erstarrt. Die keramische Kokille wird durch das bekannte Wachsaus schmelzverfahren hergestellt, bei dem ein verlorenes (Wachs-) Modell der Schaufel oder anderen Gegenstandes mehrfach in einen keramischen Schlamm getaucht, von überflüssigem Schlamm befreit und anschließend mit keramischen Teilchen wie z. B. Keramiksand (Stuck) stuckatiert wird, um die Wanddicke der Kokille auf einen gewünschten Wert zu bringen. Das Modell wird dann aus der Kokille durch thermi sche oder chemische Wachsentfernungstechniken entfernt, und die Grünform wird dann erhitzt, um eine ausreichende Formfestigkeit zum Gießen zu entwickeln. Die US Patente 5,335,717 und 5,975,188 beschreiben derartige Verfahren zum Herstel len keramischer Kokillen.

Derzeit eingesetzte Wachsausschmelzverfahren verwenden Keramikschläm me auf Wasserbasis und Wachsmodelle niedriger Temperatur. Die Herstellung einer keramischen Kokille um ein solches Modell dauert typischerweise mehr als 40 Stunden.

Modellmaterialien wie z. B. Wachs werden üblicherweise bei Modelltempera turen von weniger als 78°F verwendet, da das Wachsmodell bei Wachstemperaturen oberhalb 80°F schmilzt oder erweicht, was eine Verformung des Modells zur Folge hat. Wenn das Modell mit einer Schicht aus keramischem Schlamm beschichtet wird, sinkt außerdem die Temperatur des Modells, da es Verdampfungswärme lie fert. Dieser Temperaturabfall verringert nicht nur die anschließende Trocknungsge schwindigkeit des keramischen Schlamms, sondern hat auch einen Modellschrumpf während des Abkühlens und eine anschließende Expansion beim erneuten Erwär men des Wachsmodells zur Folge, wobei der letztere Vorgang unglücklicherweise mit dem Trocknen und Härterwerden der Schlammschicht zusammenfällt. Rissbil dung in der Kokille kann durch das unterschiedliche thermische Expansionsverhal ten des relativ stark expandierenden Wachsmodells und der relativ wenig expandie renden Kokillenlage eingeleitet werden, wenn die Wachstemperatur auf Umge bungstemperatur zurückkehrt, ehe der nächste Eintauch-/Stuckatierschritt des Wachsausschmelzverfahrens erfolgt.

Luftströme hoher Temperatur und niedriger Feuchtigkeit (beispielsweise 1 bis 10% relative Luftfeuchtigkeit) bei hoher Strömungsgeschwindigkeit werden häufig bei dem Wachsausschmelzverfahren nach jedem Eintauch-/Stuckatierschritt verwendet, um die Herstellung der Kokille zu beschleunigen, dies kann zu einem größeren Temperaturabfall in den ersten Minuten nach dem Eintauchen des Modells in den Schlamm zur Folge haben. Risse in den Schlammschichten können während des Kokillenherstellungsverfahrens und auch während des Modellentfernungsvor ganges als Folge des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens des Modells und der Kokille auftreten. Die US-A-4,114,285 beschreibt Trocknungsbe dingungen zum Herstellen keramischer Kokillen, um das Kokillenherstellungsver fahren zu beschleunigen und zu verbessern.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellungsdauer zum Her stellen einer keramischen Kokille erheblich zu verringern.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Gefahr einer Rissbil dung in der Kokille bei den Kokillenherstellungsschritten und bei dem Modellent fernungsvorgang erheblich zu verringern.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Gemäß einer Ausführungsform schlägt die vorliegende Erfindung ein Ver fahren zum Herstellen einer keramischen Kokille vor, bei dem keramische Teilchen wie z. B. Sand oder Stuck, die auf eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur erwärmt wurden, auf zumindest einige keramische Schlammschichten auf dem Mo dell aufgetragen werden, um Modelltemperaturschwankungen während des Kokil lenherstellungsverfahrens zu verringern.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wer den zumindest einige keramische Schlamm- und Stuckschichten, die auf dem Modell aufgetragen wurden, zunächst während einer Zeitdauer in einen Luftstrom relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur oberhalb einer Degradations temperatur des Modells (z. B. einer Temperatur von ungefähr 80 bis 95°F für ein Wachsmodell) getrocknet und dann anschließend während einer Zeitdauer in einem Luftstrom relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur unterhalb der De gradationstemperatur (die beispielsweise nicht über 78 bis 80°F für ein Wachsmo dell liegt) getrocknet.

Keramische Kokillen lassen sich auf diese Weise in weniger als 10 bis 20 Stunden je nach Gussformstück und somit Formkompliziertheit aufbauen, wobei die Gefahr einer Rissbildung in der Kokille während des Kokillenaufbauvorgangs und anschließenden Modellentfernungsvorgangs erheblich verringert wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsformen der vorliegenden Er findung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm mehrerer Stationen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 1A eine schematische Seitenansicht einer herkömmlichen Wachsmo dellanordnung auf einer Vorrichtung, die an einem Trocknerauslass eines Trockner raumes angeordnet ist;

Fig. 1B eine schematische Seitenansicht eines Gießformhandgriffes;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Stuckatierturmes für das erfindungsgemäße Verfahren;

Fig. 3 eine Vorderansicht des Stuckatierturmes in Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Formen einer kerami schen Kokille um ein verlorenes Modell eines aus Metall oder einer Legierung zu gießenden Gegenstand des mit dem Ziel, die Zeit zum Herstellen der keramischen Ko kille erheblich zu verringern und die Gefahr einer Rissbildung der Kokille während der Verarbeitungsschritte und dem Modellentfernungsvorgang erheblich zu verrin gern.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein verlore nes Modell mit einem keramischen Schlamm auf Wasserbasis beschichtet, werden keramische Teilchen (z. B. keramische Sand- oder Stuckteilchen), die auf eine Tem peratur über Umgebungstemperatur erwärmt wurden, auf die Schlammschicht auf getragen, wird überschüssiger Schlamm von dem Modell abgezogen und die kera mische Schlammschicht mit den keramischen Teilchen anfangs während einer Zeit dauer unter Verwendung eines Luftstromes relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur oberhalb einer Degradationstemperatur des Modells getrocknet und anschließend während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstromes relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur unterhalb der Degradationstempera für getrocknet. Die Degradationstemperatur des Modells ist hierbei eine Tempera tur, bei der das Modell zu schmelzen, zu erweichen oder sich zu verformen beginnt, wobei die Degradationstemperatur für ein Wachsmodell beispielsweise bei ungefähr 78°F liegt. Die Beschichtungs-, Abzieh-, Auftragungs- und Trocknungsschritte werden dann wiederholt, um eine Kokille gewünschter Dicke auf dem Modell auf zubauen.

Beim Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens besteht das verlorene Modell typischerweise aus einem herkömmlichen Wachsmodellmaterial, das im Bereich von 75 bis 85°F, im allgemeinen bei unge fähr 78°F schmilzt bzw. erweicht. Das Wachsmodell wird üblicherweise durch Spritzgießen oder in anderer Weise in eine Sollform des aus Metall oder einer Le gierung zu gießenden Gegenstandes gebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf Wachsmodellmaterial beschränkt und kann auch unter Verwen dung anderer Modellmaterialien wie z. B. ultraviolettaushärtenden SLA (stero lithographischen) Harzen, Polystyrol und anderen polymeren Materialien durchge führt werden.

Die keramischen Schlämme sind typischerweise Schlämme auf Wasserbasis einer Temperatur unterhalb 78°F, vorzugsweise 72 bis 75°F plus oder minus 1°F für ein Wachsmodell. Ein keramischer Innenschicht-Schlamm wird auf das Modell in der Weise aufgetragen, dass das Modell zunächst in den keramischen Schlamm in einem Behälter P1 an einer Tauchstation S1 (Fig. 1) getaucht wird. Die Zusammen setzung des Schlamms wird in Abhängigkeit von Spezifikationen des Formgussstü ckes und dem in der Kokille zu gießenden Metalls bzw. Legierung ausgewählt. Überschüssigen Schlamm lässt man in herkömmlicher Weise von dem Modell über dem Behälter an der Tauchstation S1 (Fig. 1) abtropfen, und dann werden feine keramische Sand- oder Stuckteilchen auf die nasse keramische Schlammschicht auf dem Modell in herkömmlicher Weise an einer Stuckatierstation S3 (Fig. 1) aufge tragen, beispielsweise durch Schauern des keramischen Sandes oder Stucks unter Schwerkraft aus einem Trichter oberhalb des beschichteten Modells.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird, wie in Fig. 1A schema tisch gezeigt, eine herkömmliche Wachsmodellanordnung 10 durch Zusammen schweißen mehrerer Wachsmodelle 11 der Gussformstücke, eines Wachsausgieß behälters 12, Wachsspeisers 13 und weiterer wahlweise vorgesehener Wachsgussteile hergestellt. Wenn die herzustellende keramische Kokille bei gerichteten Erstar rungsverfahren verwendet werden soll, kann die Wachsmodellanordnung 10 in her kömmlicher Weise auf einer Vorrichtungsplatte F angeordnet werden. Wenn die herzustellende keramische Kokille bei gleichachsigen Erstarrungsverfahren ver wendet werden soll, kann die Vorrichtungsplatte F weggelassen werden. Ein dreh barer Roboterarm 90 erfasst eine Pinole P an einem Gießformhandgriff 14, der an dem Wachsausgießbehälter 12 befestigt ist, und taucht die Modellanordnung 10 in den keramischen Schlamm im Schlammbehälter an der Tauchstation S1, hebt die Modellanordnung 10 aus dem keramischen Schlamm heraus, um überschüssigen keramischen Schlamm von der Modellanordnung 10 tropfen zu lassen, und bewegt dann die mit keramischem Schlamm beschichtete Modellanordnung zu der Station S3, wo der Roboterarm 90 die Modellanordnung so ausrichtet, dass ihre Längsachse horizontal verläuft, und bewegt dann die Modellanordnung 10 in den Stuckatierturm T1, wo ein Gelenk 92 des Roboterarms 90 die Modellanordnung 10 um die Längs achse dreht, während Stuck oder Sand bei einer Temperatur oberhalb Umgebungs temperatur durch Schwerkraft auf die Modellanordnung 10 geschauert wird. Die Stationen S2 in Fig. 1 sind Eingabestationen, an denen neue Wachsmodellanord nungen in korrekter Ausrichtung bereit gestellt werden, um von dem Roboterarm erfasst zu werden.

Der Stuckatierturm S3 enthält eine Kammer 112, in der die nasse, mit kera mischem Schlamm beschichtete Modellanordnung 10 horizontal ausgerichtet ange ordnet ist und von dem Roboterarm 90 gedreht wird, um die Außenflächen der Mo dellanordnung 10 losen, trockenen keramischen Stuckteilen SP auszusetzen, die von einem Trichter 132 oberhalb des Stuckatierturmes S3 durch die Kammer 112 auf die beschichtete Modellanordnung 10 nach unten fallen. Ein abwärts gerichteter Staubfänger-Luftvorhang wird an einer vorderen Öffnung 112a der Kammer 112 durch ebene Luftströme gebildet, die aus Luftdüsen 154 austreten, welche von einer Druckluftleitung 152 mit Druckluft beaufschlagt werden. Staubsammelkanäle 200 mit vertikalen schlitzförmigen Öffnungen 200a sind auf gegenüberliegenden Seiten der vorderen Öffnung 112a angeordnet, um aus der Kammer 112 abgegebenen Staub zu sammeln. Der Trichter 132 umfasst mehrere längliche elektrische Heiz elemente 141, die an den Seitenwänden des Trichters 132 so angeordnet sind, dass sie den Trichter 132 überspannen und die keramischen Stuckteilen SP auf eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur erwärmen, wie weiter unten noch ge nauer beschrieben wird. Ein Thermoelement T ist in dem Trichter 132 angeordnet, um die Stucktemperatur zu erfassen und ein entsprechendes Signal an eine elektri sche Leistungssteuerung C abzugeben, die eine elektrische Stromzufuhr PS steuert, welche mit den Heizelementen 141 verbunden ist, um eine Solltemperatur oberhalb Umgebungstemperatur in dem Trichter 132 aufrecht zu erhalten.

Der Trichter 132 umfasst eine mit Öffnungen (Schlitzen) versehene ortsfeste Platte 133 und eine mit Öffnungen (Schlitzen) versehene bewegliche Platte 135, welche von einer Stellvorrichtung 139 so bewegt wird, dass die Plattenöffnungen ausgerichtet werden, damit erwärmte Stuckteilchen mit gesteuertem Durchsatz vom Trichter 132 nach unten durch die Kammer 112 fallen können. Keramische Stuck teilchen, die auf die mit keramischem Schlamm beschichtete Modellanordnung auftreffen, bilden eine Stuckschicht, die an der keramischen Schlammschicht haftet. Keramische Stuckteilchen, die nicht an dem nassen keramischen Schlamm auf der Modellanordnung hängen bleiben, fallen in einen Stucksammler 129 an der Boden öffnung der Kammer 112. Ein Elevator 170 ist mit Eimern 171 an einer Endloskette 172 versehen, um die gesammelten Stuckteilchen über eine Rutsche 176 und einen Trommelabscheider 190 in den Trichter 132 zurückzuführen. Der Trommelabschei der 190 wird von einem elektrischen Motor 194 gedreht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die keramischen Sand- oder Stuckteilchen während ihres Aufenthaltes in dem Trichter 132 von den Heiz elementen 141 auf eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur erwärmt, bei spielsweise auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 90°F und 200°F, vor zugsweise 120°F bis 180°F plus/minus 5°F für eine auf einem Wachsmodell aufge brachte Kokille, ehe die Teilchen auf die nasse Schlammbeschichtung aufgetragen. werden. Durch den Einsatz erwärmter keramischer Sand- oder Stuckteilchen wird zusätzliche Wärme bereitgestellt, um den Trocknungsvorgang zu beschleunigen und die Trocknungszeit für die nasse Schlammschicht zu verringern. Außerdem wird hierdurch die Modellkühlung durch Verdampfung reduziert, wodurch Temperatur schwankungen des Wachsmodells und Spannungen in der keramischen Schicht während des Stuckatiervorganges reduziert.

Die keramischen Sand- oder Stuckteilchen können auch in der Weise aufge bracht werden, dass die Sand- oder Stuckteilchen in einem fluidisierten Bett fluidi siert werden und das beschichtete Modell in den fluidisierten Sand bzw. Stuck ein getaucht wird. Erwärmtes Gas wie z. B. Trockenluft oder Stickstoff kann zum Er wärmen des Sandes oder Stuckes auf die geeignete Temperatur verwendet werden, wobei auf fluidisierendes Gas von Umgebungstemperatur vor dem Eintauchen des Modells in den fluidisierten Sand oder Stuck umgeschaltet wird.

Der nasse keramische Schlamm mit den keramischen Sandteilchen wird zu nächst während einer bestimmten Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstromes relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Trockenkugel-Temperatur der Luft oberhalb der Degradationstemperatur des Modells (z. B. ungefähr 80°F für ein Wachsmodell) getrocknet und dann anschließend während einer bestimmten Zeitdauer unter Ver wendung eines Luftstroms relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Trockenkugel- Temperatur der Luft unterhalb der Degradationstemperatur des Modells (z. B. nicht oberhalb 78°F) getrocknet. Die Degradationstemperatur ist die Temperatur, bei der das Modell zu schmelzen, zu erweichen oder sich in anderer Weise zu verformen beginnt.

Beispielsweise wird im Fall einer Wachsmodellanordnung die keramische Schlammschicht mit den keramischen Sandteilchen anfangs unter Verwendung ei nes Luftstroms einer Temperatur im Bereich von 85 bis 90°F und dann unter Ver wendung eines Luftstroms bei einer niedrigeren Temperatur im Bereich von 75 bis 78°F getrocknet. Der trocknende Luftstrom hat eine Strömungsgeschwindigkeit ty pischerweise oberhalb von ungefähr 200 Fuß/Min (z. B. 250 Fuß/Min) und eine re lative Luftfeuchtigkeit von ungefähr 1 bis 10% (z. B. 10% relative Feuchtigkeit). Die Modellanordnungen mit der Schlammbeschichtung und den Sandteilchen wer den anfangs bei einer Trockenkugel-Temperatur der Luft im Bereich von 85 bis 90°F in einem ersten Trocknerraum R1 getrocknet und dann bei der niedrigeren Temperatur im Bereich von 75 bis 78°F in einem zweiten Trocknerraum R2 ge trocknet (Fig. 1).

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, kann der Roboterarm 90 durch eine Öffnung OP in dem Trocknerraum R2 ausgefahren werden, um jede beschichtete Modellanordnung 10 (die in Fig. 1 als gestrichelte Kreise dargestellt sind) auf einem herkömmlichen angetriebenen, indexierbaren Überkopfförderer 200 (Fig. 1A, 1B) aufzuhängen, welcher die Modellanordnungen 10 durch den Raum R1 und dann durch den Raum R2 fördert. Beispielsweise umfasst jeder Gießformhandgriff 14 einen Haken 14a, der an einem von dem Förderer 200 getragenen Gießformträger 210 angreift. Der Raum R1 ist ein Raum mit sechs Wänden innerhalb des größeren Raumes R2. Der Raum R1 ist gegenüber dem Raum R2 durch gleitbare Steuertüren D1, D2 getrennt, welche öffnen, um die Modellanordnungen 10 hindurchtreten zu lassen, und welche geeignete Öffnungen haben, durch die der Förderer 200 in den Raum R1 hinein und aus ihm heraus bewegt werden kann:

Der Raum R1 enthält einen Luft-Zuführkanal 201 mit einer Auslassöffnung 202, wobei ein Gebläse 203 an einer inneren vertikalen Seitenwand des Zuführka nals 201 vorgesehen ist, um erwärmte trockene Luft in seitlicher Richtung (z. B. horizontal), wie durch Pfeile angedeutet, in Richtung auf die Modellanordnungen 10 strömen zu lassen, die auf dem Förderer 200 durch den Raum R1 wandern. Die erwärmte trockene Luft wird mit der Temperatur, dem Durchsatz und der relativen Feuchtigkeit, wie sie oben erläutert wurden, zugeführt. Eine Trockenmittel-Luft konditionieranlage AC1 ist vorgesehen, um Trocknerluft mit der Soll-Temperatur, dem Soll-Durchsatz und der relativen Soll-Feuchtigkeit dem Kanal 201 zuzuführen. Eine Rückführleitung 204 mit einer Rückführöffnung 205 an ihrer vertikalen Sei tenwand ist in dem Raum R1 angeordnet, um verbrauchte trockene Luft zu der Luftkonditionieranlage AC1 zurückzuführen. Nachdem die beschichteten Modell anordnungen 10 in dem Raum R1 zunächst getrocknet wurden, verlassen sie diesen Raum über die Öffnung der Tür D2 und gelangen in einen größeren Raum R2 in Form eines Tunnels, wo sie mit der niedrigeren Temperatur im Bereich von 75 bis 78°F weitergetrocknet werden. Der Raum R2 enthält mehrere Trocknerluft-Aus lässe 302 an einem gemeinsamen Kanal 301, der oberhalb des Förderers 200 ange ordnet ist und sich über dessen Länge erstreckt. Jeder Auslass 302 umfasst ein ent sprechendes Gebläse 303, um Trocknerluft nach unten zu lenken, wie durch Pfeile angedeutet, die dann an den Modellanordnungen 20 vorbei zu einem gemeinsamen Rückführkanal 305 strömt (Fig. 1A), welche unterhalb des Förderers 200 angeord net ist und sich über dessen Länge erstreckt. Eine herkömmliche Sikkativ-Luft- Konditionieranlage AC2 ist zum Zuführen konditionierter Luft mit dem Zuführka nal 301 und zur Aufnahme verbrauchter trockener Luft mit dem Rückführkanal ver bunden. Der Förderer 200 bewegt jede Modellanordnung 10 schrittweise zu jedem Trocknerluft-Auslass 302, wenn sie durch den Raum R2 auf ihrem Weg zurück zu dem Roboterarm 90 längs des Fördererabschnittes CR wandert.

Nachdem die Modellanordnung den obigen Bearbeitungsvorgängen ausge setzt worden ist, wird sie vom Förderer 200 entfernt und einer weiteren Verarbei tung zugeführt, bei der weitere primäre und sekundäre Schichten aus Schlamm und Sand oder Stuck aufgebracht werden, um die Kokille bis zu einer bestimmten Wandstärke aufzubauen. Hierbei taucht der Roboterarm 90 die bereits beschichtete Modellanordnung 10 in einen der keramischen Schlammbehälter P1, P5, P6, P7 an den entsprechenden Stationen S1, S5, S6 und S7, lässt überschüssigen Schlamm abtropfen und trägt dann keramische Stuckteilchen an dem Stuckatierturm T1 oder T2 auf. Die Schlammbehälter P1, P5, P6, P7 enthalten typischerweise unterschiedli che keramische Schlämme, während der Stuckatierturm T1 an der Station S3 und der Stuckatierturm T2 an der Station S4 typischerweise unterschiedliche Arten ke ramischer Stuckteilchen in ihren Trichtern 32 haben, um eine Kokille mit unter schiedlichen Schichten aus keramischem Schlamm und keramischen Stuckteilchen entsprechend dem durchzuführenden Metallgießvorgang aufzubauen. Jede Zusatz schicht aus keramischem Schlamm und keramischen Stuckteilchen wird in dem Raum R1 und anschließend in dem Raum R2 getrocknet, wie weiter oben beschrie ben wurde. Eine typische Wanddicke der Kokille liegt im Bereich von 1/8 bis 1/2 Zoll, wenngleich auch andere Wanddicken je nach Anwendung möglich sind. Bei spielsweise kann eine zweite bis achte Schicht auf die erste Schicht aufgebracht werden. Die Zusammensetzung und Anzahl Zusatzschichten können je nach An wendung unterschiedlich gewählt werden. Eine äußere Deckschicht mit einem keramischen Schlamm ohne Sand oder Stuck kann auf die äußerste Zusatzschicht zum Verschließen der Kokille aufgebracht werden.

Die Zusatzschichten und die Deckschicht bestehen typischerweise aus ande ren Keramikschlämmen und anderen Sand- bzw. Stuckteilchen als denjenigen, die für die Innenschicht verwendet werden. Der Keramikschlamm der ersten Schicht zum Gießen von Superlegierungen auf Nickelbasis kann beispielsweise ein Schlamm sein, der feines Aluminiumoxidpulver in einer Menge von 75 Gew.-% in einer kolloidalen Siliziumoxidsuspension auf Wasserbasis enthält, mit weiteren her kömmlichen Additiven, wie z. B. Tensiden, organischen Grünfestigkeitsadditiven und Schaumreduktionsmitteln; derartige Additive sind beispielsweise in der US-A- 5,975,188 beschrieben. Der Innenschichtschlamm kann mit Sandteilchen aus Schmelz-Sinterkorund (Aluminiumoxid) versehen sein. Die nächst der Innenschicht aufgetragenen primären Zusatzschichten (z. B. die zweite und dritte Schlamm- /Sandschicht) können einen relativ niedrig-viskosen Schlamm auf Wasserbasis mit kolloidalem Siliziumoxid und geschmolzenem Siliziumoxid- und Zirkon-Pulver und einem etwas gröberen geschmolzenen Siliziumoxidsand aufweisen. Weitere sekundäre Zusatzschichten (z. B. die vierte bis achte Schicht) und die auf den pri mären Zusatzschichten aufgetragene Deckschicht können einen höher-viskosen Schlamm auf Wasserbasis mit kolloidalem Siliziumoxid und geschmolzenem Sili ziumoxid- und Zirkon-Keramikpulver und noch groberem geschmolzenem Silizi umoxidsand bzw. -stuck aufweisen.

Die Zusatzschichten und die Deckschicht werden in der oben beschriebenen Weise aufgebracht, wobei jeder Keramikschlamm eine Temperatur im Bereich von ungefähr 72°F bis 75°F plus/minus 1°F für Wachsmodelle hat. Jede Zusatzschicht wird auf das beschichtete Modell in der Weise aufgebracht, dass zuerst das be schichtete Modell in den entsprechenden keramischen Schlamm getaucht wird, dass man überflüssigen Schlamm abtropfen lässt und dass man auf die nasse keramische Schlammschicht die keramischen Sand- bzw. Stuckteilchen (unter Schwerkraft) schauert, welche auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 90°F bis 200°F, vor zugsweise 90 bis 180°F plus/minus 5°F erwärmt wurden. Jede Zusatzschicht und Deckschicht mit den keramischen Sandteilchen wird zunächst unter Verwendung eines Luftstroms relativ niedriger Feuchtigkeit bei einer Temperatur oberhalb der Degradationstemperatur und anschließend unter Verwendung eines Luftstroms rela tiv niedriger Feuchtigkeit bei einer Temperatur unterhalb der Degradationstempera tur getrocknet. Insbesondere für eine Wachsmodellanordnung erfolgt der erste Trocknungsvorgang bei einer Lufttemperatur im Bereich von 85 bis 90°F und der zweite Trocknungsvorgang bei einer Lufttemperatur von 75 bis 80°F. Der Trock nerluftstrom hat einen Durchsatz von mehr als 200 Fuß/Min und eine relative Feuchtigkeit von ungefähr 1 bis 10%; wie bereits oben beschrieben wurde. Vor zugsweise werden die zweite bis vierte Zusatzlage bei einer Lufttemperatur von 75 bis 78°F getrocknet, während die fünfte bis achte Zusatzlage und die Decklage bei einer Lufttemperatur von 75 bis 80°F. getrocknet werden. Typische Parameterberei che zum Verarbeiten von Wachsmodellen gemäß der Erfindung sind in der folgen den Tabelle 1 angegeben.

TABELLE 1

Modellmaterial: Wachs
Schlammtemperatur: 75-75 ± 1°F
Stucktemperatur: 90-180°F ± 5°F
Trocknungsfeuchtigkeit: Niedrig, 1-10%
Luftstrom: Höher und turbulent (< 200 Fuß/Min)

In der Tabelle 1 und in den weiteren Tabellen sind die Temperatur I und die Zeit I sind die Trockenkugel-Temperatur der Luft und die Gesamttrocknungszeit im Raum R1, und die Temperatur II und die Zeit II sind die Trockenkugel-Temperatur der Luft und die gesamte Trocknungszeit im Raum R2. Der Ausdruck "rH" ist die relative Feuchtigkeit.

Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung, nicht jedoch zur Be schränkung der Erfindung.

Es wurden identische Wachsmodelle mit einer Degradationstemperatur von ungefähr 78°F bei allen Beispielen verwendet. Den Modellen wurde durch Spritz gießen die Form eines Düsenrings eines Gasturbinentriebwerks verliehen.

Beispiel 1

Ein Modell wurde in einen Innenschicht-Schlamm getaucht, der aus einer kolloidalen Siliziumoxid-Suspension auf Wasserbasis mit einem Aluminiumoxid- Keramikpulver einer Größe von -325 Mesh (d. h. weniger als 325 Mesh US- Standard) in einer Menge von 72 Gew.-% des Schlamms mit einer Viskosität von 18 Sek. besteht. Die Viskosität ist hierbei wie auch bei den folgenden Beispielen die Zahn-Nr.-4-Cup-Viskosität. Der Innenschicht-Schlamm enthielt ferner weniger als 5 Gew.-% Kobalt enthaltendes Keramikpulver einer Größe von 20 µm sowie weniger als 2,5 Gew.-% organischer Zusätze für eine verbesserte Benetzung, erhöhte Grün festigkeit und reduzierte Schaumbildung. Das eingetauchte Modell wurde durch Schwerkraft von überschüssigem Schlamm befreit und mit feinem Sand (Schmelz aluminiumoxid von 120 Mesh) beschichtet, der erwärmt wurde, wie in der Tabelle 2 dargestellt ist. Das entsprechend aufbereitete Modell wurde in einer Trocknungssta tion gesteuerter Temperatur und Feuchtigkeit eingebracht und zunächst in einem Luftstrom einer Temperatur von 86°F 15 Minuten lang getrocknet und dann in ei nem Luftstrom einer Temperatur von 75°F 30 Min. lang getrocknet, wie in der Ta belle 2 dargestellt. Der Luftstrom hatte eine Strömungsgeschwindigkeit von unge fähr 250 Fuß/Min. und eine relative Feuchtigkeit, die von ungefähr 15% unmittelbar nach Trocknungsbeginn auf weniger als 7% während des ersten fünfzehnminütigen Trocknungsvorgangs abnahm. Die relative Feuchtigkeit des Luftstroms betrug we niger als 7% während des dreißigminütigen zweiten Trocknungsvorganges.

Primäre Zusatzschichten wurden auf die Innenschicht ohne vorgenässte Schlämme aufgetragen, um die Verarbeitung zu beschleunigen. Das beschichtete Modell wurde in einen relativ niedrigviskosen Schlamm aus kolloidalem Silizium oxid auf Wasserbasis mit Schmelzsiliziumoxid-Pulver einer Größe von -200 Mesh in einer Menge von 60 Gew.-% des Schlamms getaucht. Der primäre Zusatzschicht- Schlamm enthielt ferner weniger als 2 Gew.-% organischer Zusätze für eine verbes serte Benetzung, verbessertes Abtropfen, eine erhöhte Grünfestigkeit und verringer te Schaumbildung. Der Schlamm wurde für die zweite und dritte Zusatzschicht mit einer Viskosität von 12 Sek. verwendet. Nach dem Abtropfen des überschüssigen Schlammes wurde das beschichtete Modell mit Schmelzaluminiumoxid von 90 Mesh besprenkelt, das für den zweiten Tauchvorgang auf 150°F erwärmt worden war, sowie mit tabularem Aluminiumoxid von 28 × 48 Mesh (d. h. einer Stuckteil chengröße von weniger als 28 Mesh und mehr als 48 Mesh US-Standard), die eben falls auf 150°F erwärmt worden waren, für den dritten Tauchvorgang. Die entspre chenden Schichten wurden in einem Luftstrom einer Strömungsgeschwindigkeit von mehr als 50 Fuß/Min während Zeiten und unter Verwendung von Parametern getrocknet, wie sie in der Tabelle 2 angegeben sind und weiter oben für die Innen schicht beschrieben wurden.

Die sekundären Zusatzschichten (vierte bis achte Zusatzschicht und Deck schicht) werden dann in der Weise aufgebracht, dass das beschichtete Modell in einem höher viskosen Schlamm aus kolloidalem Siliziumoxid auf Wasserbasis mit Schmelzsiliziumoxid-Pulver einer Größe von -200 Mesh in einer Menge von 66 Gew.-% des Schlamms getaucht wird. Der Schlamm für die sekundären Zusatz schichten enthielt ebenfalls weniger als 2 Gew.-% organische Zusätze für eine ver besserte Benetzung, ein verbessertes Abtropfen, eine erhöhte Grünfestigkeit und eine geringere Schaumbildung und hatte eine Viskosität von 19 Sek. Nach dem Ab tropfen des überschüssigen Schlammes wurde jede Schlammschicht mit einem gro ben Sand (14 × 28 Mesh Mulgrain 47) stuckatiert, der auf 150°F erwärmt worden war. Die Schlammschichten wurden in einem gesteuerten Luftstrom einer Strö mungsgeschwindigkeit von mehr als 250 Fuß/Min während Zeiten und unter Ver wendung von Parameters getrocknet, wie sie in Tabelle 2 angegeben sind und oben für die Innenschicht beschrieben wurden. Nach dem Auftragen der Deckschicht er folgte die Endtrocknung der Kokillen ebenfalls wie in der Tabelle 2 angegeben.

TABELLE 2

Die gemäß der Tabelle 2 hergestellte Kokille wurde einem Modellentfernungsvor gang unterworfen, bei dem das Wachsmodell durch Dampf in einem Autoklav ent fernt wurde, und die resultierende Kokille wurde dann auf 1600°F in Luft zwei Stunden lang beheizt, um eine ausreichende Farmfestigkeit zum Gießen zu entwi ckeln. Nach dem Feuerungsvorgang wurde die Kokille aufgeschnitten und auf Feh ler untersucht. Es fanden sich keine Risse oder anderen Defekte.

Standardbeispiel 2

Ein Modell wurde in den Innenschicht-Schlamm, der beim Beispiel 1 ver wendet wurde, getaucht, von überschüssigem Schlamm durch Schwerkraft befreit und mit feinem Sand (Schmelzaluminiumoxid von 120 Mesh) beschichtet, der auf 72°F erwärmt war. Der mit Sand versehene nasse Innenschicht-Schlamm wurde in eine Trocknerstation gesteuerter Temperatur und Feuchtigkeit eingebracht und in statischer Luft bei einer Temperatur von 75°F drei Stunden lang getrocknet, wie in Tabelle 3 angegeben. Primäre Zusatzschichten wurden auf die Innenschicht wie bei dem Beispiel 1 aufgebracht, und zwar ohne vorgenässte Schlämme, um die Verar beitung zu beschleunigen. Das beschichtete Modell wurde in den primären Zusatz schicht-Schlamm des Beispiels 1 getaucht, und das beschichtete Modell wurde mit Schmelzaluminiumoxid von 90 Mesh, das auf 72°F für den zweiten Tauchvorgang erwärmt wurde, und mit tabularem Aluminiumoxid von 28 × 48 Mesh, das in der gleichen Weise für den dritten Tauchvorgang erwärmt wurde, besprenkelt. Die mit Sand versehenen nassen Schichten wurden in umgebungsmäßig kontrollierter, rela tiv statischer Luft während Zeiten und unter Verwendung von Parametern, wie sie in Tabelle 3 angegeben sind, getrocknet.

Die sekundären Zusatzschichten (vierte bis achte Schicht und Deckschicht) wurden dann durch Eintauchen des beschichteten Modells in den höher viskosen sekundären Zusatzschicht-Schlamm des Beispiels 1 aufgebracht. Nach Abtropfen des überschüssigen Schlamms wurde jede Schlammschicht mit grobem Sand (14 × 28 Mesh Mulgrain 47) beschichtet, der auf 72°F erwärmt wurde. Die Schichten wurden in einem umgebungsmäßig kontrollierten Luftstrom mit einer Strömungsge schwindigkeit von mehr als 100 Fuß/Min während Zeiten und unter Verwendung von Parametern getrocknet, wie sie in Tabelle 3 angegeben sind. Nach der Endbe schichtung erfolgte die Endtrocknung der Kokillen in der gleichen Weise wie in Tabelle 3 angegeben.

TABELLE 3

Die gemäß Tabelle 3 hergestellte Kokille wurde einem Modellentfernungs vorgang unterzogen und bei 1600°F in Luft zwei Stunden lang beheizt, wie in Bei spiel 1. Nachdem Heizvorgang wurde die Kokille aufgeschnitten und auf Fehler untersucht. Es wurden keine Spallingdefekte beobachtet; es fanden sich jedoch sechs kleine Risse zwischen Flügelsegmenten, welche zu Gießfehlern hätten führen können, die eine Nachbearbeitung erfordert hätten.

Gegenbeispiel 3

Ein Modell wurde in den bei dem Beispiel 1 verwendeten Innenschicht- Schlamm getaucht, durch Schwerkraft von überschüssigem Schlamm befreit und mit feinem Sand (Schmelzaluminiumoxid von 120 Mesh) beschichtet, der auf 72°F erwärmt wurde. Der mit Sand versehene nasse Innenschicht-Schlamm wurde in eine Trocknerstation kontrollierter Temperatur und Feuchtigkeit eingebracht und in stati scher Luft bei einer Temperatur von 75°F 45 Min lang getrocknet, wie in Tabelle 4 angegeben. Primäre Zusatzschichten wurden auf die Innenschicht wie bei dem Bei spiel 1 aufgetragen, und zwar ohne vorgenässte Schlämme, um die Verarbeitung zu beschleunigen. Das beschichtete Modell wurde in den primären Zusatzschicht- Schlamm des Beispiels 1 getaucht, und das beschichtete Modell wurde mit Schmelzaluminiumoxid, das auf 72°F für den zweiten Tauchvorgang erwärmt wur de, und mit tabularem Aluminiumoxid von 28 × 48 Mesh, das in der gleichen Weise für den dritten Tauchvorgang erwärmt wurde, besprenkelt. Die mit Sand versehenen nassen Schichten wurden in umgebungsmäßig kontrollierter, relativ statischer Luft während Zeiten und unter Verwendung von Parametern, wie sie in Tabelle 4 ange geben sind, getrocknet.

Die sekundären Zusatzschichten (vierte bis achte Schicht und Deckschicht) wurden dann durch Eintauchen des beschichteten Modells in den höher viskosen sekundären Zusatzschicht-Schlamm des Beispiels 1 aufgebracht. Nach dem Abtrop fen des überschüssigen Schlamms wurde jede Schlammschicht mit grobem Sand (14 × 28 Mesh Mulgrain 17) stuckatiert, der auf 72°F erwärmt wurde. Die Schlamm schichten wurden in einem umgebungsmäßig kontrollierten Luftstrom einer Strö mungsgeschwindigkeit von mehr als 100 Fuß/Min während Zeiten und unter Ver wendung von Parametern, wie sie in Tabelle 4 angegeben sind, getrocknet. Nach der Beschichtung mit der Deckschicht erfolgt die Endtrockung der Kokillen eben falls wie in Tabelle 4 angegeben.

TABELLE 4

Die gemäß Tabelle 4 hergestellte Kokille wurde einem Modellentfernungs vorgang wie in Beispiel 1 unterworfen. Eine Prüfung nach dem Entfernen des Mo dells zeigte mögliche Fehler, und die Kokille wurde aufgeschnitten und auf Fehler untersucht. Es zeigten sich massive Spallationsfehler zwischen sämtlichen Flügel segmenten und große durchgehende Risse zeigten sich an mehreren Stellen. Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Beispiel 1 führte somit zu einer erfolgrei chen Kokillenherstellung bei stark verringerter Herstellungsdauer gegenüber dem Standardbeispiel 2, das ebenfalls eine Kokille von annehmbarer Qualität, abgesehen von kleineren Defekten aufgrund von Modelltemperaturschwankungen während des Kokillenaufbauvorganges, lieferte, und die Ausführungsform der Erfindung in Bei spiel 1 vermied darüber hinaus die Fehler, die bei einer einfachen Beschleunigung des Standardvorganges gemäß Beispiel 3 auftraten.

Das Beispiel 1, das die vorliegende Erfindung veranschaulicht, erzeugte so mit eine fehlerfreie Kokille im Vergleich zu dem Standardbeispiel 2, das den derzei tigen Stand der Technik darstellt, und im Vergleich zu dem "Gegenbeispiel" 3, das einfache Bemühungen zum Beschleunigen der Kokillenherstellung veranschaulicht.

Claims

1. Verfahren zum Formen einer keramischen Formgusskokille um ein verlo renes Modell eines Gegenstandes, bei dem:
das Modell mit keramischem Schlamm beschichtet wird,
keramische Teil chen, die auf eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur erwärmt wurden, auf die Schlammschicht aufgetragen werden und
die keramische Schlammschicht mit den darauf vorgesehenen keramischen Teilchen getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem überflüssiger Schlamm zwischen dem Beschichtungsschritt und dem Auftragungsschritt abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Be schichtungs-, Auftragungs- und Trocknungsschritte zum Aufbau einer Kokille wie derholt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Modell aus einem Wachsmaterial besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass als keramischer Schlamm ein Schlamm auf Wasserbasis bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 70°F bis ungefähr 75°F verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die keramischen Teilchen eine Temperatur im Bereich von ungefähr 90°F bis ungefähr 200°F haben.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der keramische Schlamm mit den darauf vorgesehenen keramischen Teilchen anfangs während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstroms rela tiv geringer Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur oberhalb einer Degradationstem peratur des Modells und anschließend während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstroms relativ geringer Feuchtigkeit bei einer Lufttemperatur unterhalb der Degradationstemperatur getrocknet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Schlamm mit den keramischen Teilchen auf einem Wachsmodell anfangs während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstroms bei einer Lufttemperatur im Bereich von 85 bis 90°F getrocknet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ke ramische Schlamm mit den keramischen Teilchen auf einem Wachsmodell an schließend während einer Zeitdauer unter Verwendung eines Luftstromes bei einer Lufttemperatur im Bereich von 75 bis 80°F getrocknet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 200 Fuß/Min und einer relativen Feuchtigkeit von ungefähr 1 bis 10% bewegt.

11. Stuckatiervorrichtung mit einer Kammer und einem Trichter oberhalb der Kammer, von denen der Trichter Heizmittel zum Erwärmen von im Trichter befind lichen Stuckteilchen auf eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur aufweist.

12. Stuckatiervorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mehrere elektrische Heizelemente, die in dem Trichter angeordnet sind.

13. Stuckatiervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente den Trichter von einer Seitenwand zu einer anderen Seitenwand überspannen.