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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von DS/SC Gusskörpern. Das Verfahren ist vorzugsweise ein DS/SC- bzw. Bridgman-Verfahren. Die Formkörper eignen sich insbesondere zur Verwendung als Turbinenschaufeln oder Rotorschaufeln oder dergleichen. Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung ermöglichen die Herstellung von Formkörpern mit weniger Gussfehlern z.B. Fehlkörnern.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von DS/SC-Gusskörpern sind aus dem Stand der Technik bekannt. Herkömmlich wird hier ein Bridgman-Verfahren verwendet, das sich für die Herstellung von Gusskörpern eignet, die großen thermischen oder mechanischen Belastungen standhalten können. Als Beispiel solcher teilweise kompliziert ausgestalteten Teile, können unter anderem Turbinenschaufeln und/oder Rotorschaufeln in Flugzeug- oder Gasturbinen genannt werden. Die thermische und mechanische Belastungsfähigkeit solcher Teile wird dabei durch die gerichtete / einkristalline Erstarrung des Gusskörpers im Herstellungsprozess erreicht, da während dem Erstarren Einkristalle oder Stängelkristalle in vorteilhafter Richtung ausgerichtet werden.
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Zum Beispiel beschreibt
DE 196 02 554 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Gießen und gerichteten Erstarren von mehreren Gusskörpern. In dem Dokument des Standes der Technik werden mehrere Gusskörper in vorgeheizten Gussformen auf einer kreisförmigen Kühlfläche stehend nach dem Abguss durch Relativbewegung gegenüber einer Heizkammer nach Maßgabe der Erstarrungsgeschwindigkeit kontinuierlich aus dieser abgezogen. Damit ist das dort beschriebene Verfahren mit dem hier erfindungsgemäßen verwandt. Ein wesentlicher Unterschied besteht allerdings darin, dass im erfindungsgemäßen Verfahren die Anordnung der Formschalen nicht kreisförmig um einen Hohlraum herum ausgestaltet ist. Aus dem im Stand der Technik verwendeten Verfahren ergeben sich Probleme hinsichtlich der Wärmeabstrahlung aus den Formschalen. Die Anordnung der Formschalen in den Verfahren aus dem Stand der Technik ist in den
4A und
4B schematisch gezeigt. Es ist erkennbar, dass sich im Zentrum der kreisförmig angeordneten Formschalen eine Senke befindet, um Wärmeabstrahlung sowohl nach innen als auch nach außen zu ermöglichen. Um Körper von besonderer Qualität, insbesondere mit geringer Fehlkornbildung zu erhalten, ist es erforderlich, während der Abkühlung der Körper innerhalb der Formschalen einen hohen Temperaturgradienten zwischen den Formhohlräumen und der Umgebung zu erzielen.
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Die kreisförmige Anordnung der Formschalen ist im Stand der Technik weit verbreitet. So wird auch in
DE 602 01 487 T2 und in
US 4,773,467 eine kreisförmige Anordnung der Formschalen vorgeschlagen. Bei dieser Anordnung ist die Wärmezufuhr und die Wärmeabfuhr zu bzw. von den erstarrenden Gussteilen bedingt durch die rotationssymmetrische Anordnung der Gussteile in einer Traube/Gussbaum ungleichmäßig und begrenzt. Die Außenseiten der Gussteile haben einen wesentlich besseren Wärmeaustausch mit der Umgebung als die Innenseiten der Gussteile. Dies führt zu einer Schieflage der Erstarrungsfront und zu einem zu geringen Wärmeaustausch mit der Umgebung. Dies kann zu strukturellen Materialdefekten der Gusskörper führen, die u.a. als „anisotrope Kristalle“ oder „freckle“ bezeichnet werden. Solche Materialdefekte verringern den Ertrag solcher Produktionsmethoden. Zusätzlich nimmt die Kühleffizienz bei vergrößerten und/oder komplex ausgestalteten Gusskörpern ab, was die Produktionseffizienz solcher Verfahren negativ beeinflusst.
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Folglich besteht ein Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das die Erstellung von Formkörpern mit höherer Materialqualität ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche gelöst.
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Beschreibung
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Herstellung von DS/SC-Gusskörpern mit wenigstens einem Heizelement, einem Baffle, einer Kühlplatte und einer Kühlanordnung, wobei die Kühlanordnung unterhalb der Heizzone angeordnet ist und die Kühlplatte beweglich ausgestaltet ist, so dass Formschalen, die auf der Kühlplatte angeordnet sind, von einer Position in der Heizzone an eine Position unterhalb der Heizzone bewegt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschalen in einer Reihe oder mehreren Reihen angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Heizelement und die Kühleinrichtung parallel und symmetrisch zu der Reihe oder den Reihen der Formschalen ausgerichtet.
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Damit weist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine parallel-symmetrische Ofenkonstruktion auf. Damit unterscheidet sich diese Konstruktion von Vorrichtungen für das herkömmliche Bridgman-Verfahren, bei dem die Formschalen radial angeordnet sind. Bei metallographischen und thermischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass in der herkömmlichen radialen Heizeranordnung die innenseitigen Formkörper ungünstigen thermischen Einflüssen bzw. hohen thermischen Unterkühlungen ausgesetzt sind. Da eine Formschale nach dem herkömmlichen Verfahren überwiegend an der Außenseite durch direkte Strahlung der Heizer aufgeheizt wird, bleibt die Innenseite, die zur Mittelsäule hin ausgerichtet ist, aufgrund von Abschattungen deutlich kälter als die Außenseite. Dies führt zu höherer Fehlkornquote auf der Schattenseite. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Formschalen und Heizelementen werden diese Effekte vermieden.
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Das Heizelement oder die Heizelemente sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie einen im Wesentlichen rechteckigen Grundriss aufweisen. Dabei können die Heizelemente die senkrechten Flächen einer Heizzone mit rechteckigem Grundriss darstellen. Dies kann mit einem einzigen Heizelement oder mit einer Mehrzahl von Heizelementen erreicht werden. Beispielsweise kann je ein Heizelement für die Längsseiten und je ein Heizelement für die Stirnseiten der Heizzone zum Einsatz kommen. Die Heizelemente können senkrecht angeordnet sein. Die Heizelemente können Widerstandsheizungen sein. Es sind auch andere Heizungen denkbar. Insbesondere kann das Heizelement auch ein indirektes Heizelement sein, wie beispielsweise ein Suszeptor. Die „Heizzone“ beschreibt den Bereich in der Vorrichtung, in welchem die Formschalen erhitzt werden, sich also im Einflussbereich eines Heizelements befinden.
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Wenn in dieser Beschreibung von „rechteckig“ die Rede ist, so ist damit bei dreidimensionalen Strukturen die Geometrie der Grundfläche bzw. des Grundriss‘ dieser Strukturen gemeint.
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Die Kühlanordnung schließt sich vorzugsweise unmittelbar nach unten an die Heizzone an, so dass Formschalen, die aus dem Einflussbereich der Heizelemente hinaus bewegt werden, unmittelbar anschließend in den Einflussbereich der Kühlanordnung gelangen („Kühlzone“). Die Kühlanordnung ist vorzugsweise ein kühlmittelgekühlter Kühlring. Die Kühlanordnung ist vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig. Dies ist zweckmäßig, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten.
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Unterhalb der Heizzone ist vorzugsweise das Baffle angeordnet. Das Baffle ist vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig. Das Baffle dient dazu, die Heizzone von der Kühlzone unterhalb der Heizzone zu isolieren.
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Durch den im Wesentlichen rechteckigen Aufbau der Vorrichtung werden die Formschalen durch direkte Strahlung des Heizelements in der Heizzone symmetrisch aufgeheizt und mit der rechteckigen Kühlanordnung in der Kühlzone symmetrisch abgekühlt. Dadurch werden besonders hochwertige Gusskörper erhalten.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung von DS/SC-Gusskörpern, umfassend die Schritte
- • Einfüllen geschmolzenen Materials in vorgeheizte Formschalen, die sich im Einflussbereich wenigstens eines Heizelements in einer Heizzone befinden,
- • Abziehen der Formschalen aus der Heizzone durch das Baffle in die Kaltzone, um ein gerichtetes/einkristallines Erstarren des geschmolzenen Materials herbeizuführen,
- • Entnahme der Gusskörper aus den Formschalen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Formschalen in einer Reihe oder mehreren Reihen angeordnet sind. Vorzugsweise sind das Heizelement und die Kühleinrichtung parallel und symmetrisch zu der Reihe oder den Reihen der Formschalen ausgerichtet.
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Die Formschalen sind in einer Ausführungsform in einer Gussform angeordnet. Die Gussform weist mindestens eine Formschale auf. Die Formschalen und/oder die Gussform weisen eine Einfüllöffnung auf. Die Formschalen sind vorzugweise unten offen.
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Beim Abziehen der Formschalen aus der Heizzone kühlen die Gusskörper innerhalb der Formschalen durch Wärmeabstrahlung unter die Solidustemperatur des Materials ab.
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Die Formschalen sind erfindungsgemäß in einer Reihe angeordnet, also insbesondere auf einer gedachten Geraden angeordnet und damit vorzugsweise parallelsymmetrisch. Somit besteht ein wesentlicher Unterschied des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik darin, dass die Formschalen nicht kreisförmig bzw. radial um einen Mittelpunkt herum angeordnet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Wärmeaustausch von den Formschalen mit der Umgebung im Wesentlichen gleichmäßig und effektiver erfolgt, was zu einer besseren Materialqualität führt.
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Die Formschalen können in einer Gussform angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Gussform bis zu 8 Formschalen auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Gussform bis zu 5 Formschalen auf und bevorzugt bis zu 3 Formschalen. Statt einer Gussform mit mehreren Formschalen kann das Verfahren auch mit mehreren Gussformen, die ihrerseits eine oder mehrere Formschalen aufweisen, durchgeführt werden. Die im Wesentlichen rechteckige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt es, mehrere Heizzonen vorzusehen. Die Vorrichtung weist dann mehr als eine Heizzone mit vorzugsweise im Wesentlichen rechteckigem Grundriss auf. In jeder Heizzone kann das erfindungsgemäße Verfahren mit wenigstens einer Formschale durchgeführt werden.
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Die Formschale und/oder Gussform ist vorzugsweise aus einem Feuerfestmaterial gefertigt. Besonders bevorzugt sind keramische Materialien, insbesondere Oxidkeramiken. Ein besonders bevorzugtes keramisches Material ist Aluminiumoxid (Al2O3). Die Gussform muss im Betrieb sehr hohen Temperaturen widerstehen. Daher hat es sich bewährt, die zuvor genannten Materialien als Material für die Gussform zu verwenden. Auch der Einfülltrichter und/oder die Gießkanäle, die Bestandteile der Gussform sein können, sind vorzugsweise aus diesem Material gefertigt.
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Die Formschalen haben vorzugsweise die Form von Turbinenschaufeln. Unter Turbinenschaufeln werden erfindungsgemäß auch Rotorschaufeln verstanden. Vorzugsweise weisen alle Formschalen im Wesentlichen dieselbe Form auf. Erfindungsgemäß sind die Formschalen hintereinander oder nebeneinander angeordnet.
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Während des Verfahrens stehen die Formschalen vorzugsweise auf der Kühlplatte. Das flüssige Material wird in die Formschale gefüllt und trifft durch den offenen Boden der Formschale auf die Kühlplatte auf. Durch den Kontakt mit der Kühlplatte wird die gerichtete/einkristalline Erstarrung eingeleitet. Zum Zwecke der Kühlung sind die Gussform und/oder die Formschalen deshalb auf der Kühlplatte angeordnet. Vorzugsweise weist die Kühlplatte Leitungen für ein Kühlmittel auf. Durch die Kühlung des flüssigen Materials durch die offenen Formschalen wird ein gerichtetes/einkristallines Erstarren der Körper gewährleistet.
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Nach dem Einfüllen werden die Formkörper in den Formschalen von unten nach oben gekühlt. Dies erfolgt durch eine Relativbewegung der Formschalen gegenüber der Heizzone. Dabei werden entweder die Formschalen nach unten aus der Heizzone hinaus oder die Heizelemente nach oben bewegt. Mit anderen Worten, die Relativbewegung wird durch ein Absenken der Formschalen gegenüber der Heizzone oder durch ein Anheben der Heizelemente gegenüber den Formschalen erreicht.
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Nach dem bzw. durch das Abziehen der Formschalen aus der Heizzone werden die Formschalen in den kühleren Bereich der Kühlzone überführt, wo die Formkörper in den Formschalen durch Wärmeabstrahlung unter die Solidustemperatur des Materials abkühlen können. Zu diesem Zweck ist unterhalb der Heizzone erfindungsgemäß eine Anordnung zum Kühlen der Formschalen vorgesehen.
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Zwar ist eine Kühlung mit einem Metallbad als Kühlanordnung grundsätzlich möglich, doch ist diese Art der Kühlung unwirtschaftlich. Einerseits ist das verwendete Metall, üblicherweise Zinn, teuer und andererseits muss das Zinnbad in seinem unteren Bereich erhitzt und im oberen Bereich gekühlt werden, um eine effektive Kühlung zu erzielen. Erfindungsgemäß bevorzugte Kühlmedien sind daher vorzugsweise Gase, insbesondere Inertgase wie Helium und/oder Argon. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Formschalen nach dem Hinausführen aus der Heizzone aktiv mit einem Kühlmedium gekühlt, insbesondere durch Gaskühlung.
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Die Kühlanordnung ist von der Kühlplatte zu unterscheiden. Die Kühlplatte wird vorzugsweise ebenfalls mithilfe eines Kühlmittels gekühlt. Im Falle der Kühlplatte ist das Kühlmittel vorzugsweise Wasser.
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Durch die Kühlung der Formschalen während der Relativbewegung gegenüber der Heizzone wird in dem Formkörper eine Erstarrungsfront erzeugt, die während der Relativbewegung von unten nach oben durch den Gusskörper wandert und so eine gerichtete/einkristalline Erstarrung der Gusskörper bewirkt. Daher erfolgt die Relativbewegung gegenüber den Heizelementen nach Maßgabe der Erstarrungsgeschwindigkeit des flüssigen Materials. Eine möglichst gleichmäßige Erstarrungsfront ist wünschenswert und wird erfindungsgemäß verwirklicht.
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Das geschmolzene Material ist erfindungsgemäß ausgewählt aus Metall und Metalllegierungen. Bevorzugte Metalle bzw. Metalllegierungen sind Nickel-Basislegierung und/oder Nickel-Superlegierungen. Die Temperatur, bei der das Befüllen der Form mit dem geschmolzenen Material erfolgt, richtet sich nach dem gewählten Material.
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Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise Mittel zum Absenken der Gussform/Formkörper gegenüber der Heizzone, insbesondere einen Hubtisch oder eine Hubsäule.
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Beispiele
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Es wurden neue Ingots der Superlegierung CMSX-4 verwendet. Für die Formschalen mit den Proben betrug das Gewicht für einen Guss ca. 2,4 kg. Nach dem Evakuieren wurde die Heizzone samt den Formschalen mit einer Aufheizrate von 25°C pro Minute auf 1500°C aufgeheizt. Der Ingot wurde in einem Tiegel geschmolzen und mit einer Temperatur von 1520°C in die Formschalen abgegossen. Nach dem Abguss wurden die Formschalen mit einer konstanten Geschwindigkeit von 3 mm/min durch das Baffle in die Kühlzone bis zur Endposition abgesenkt und abgekühlt. Im Anschluss an die Entfernung der Formschale wurden die Proben mit feinkörnigem Aluminiumoxid sandgestrahlt. Durch Makroätzung mit einem Gemisch aus Wasserstoffperoxid und Salzsäure wurden eventuelle Fehlkörner, die während der Erstarrung an der Gussteiloberfläche entstanden sind, sichtbar gemacht.
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Sowohl in den linear als auch in den parallel angeordneten Proben wurden keine Fehlkörner im Bereich der Probenoberfläche gefunden. Dieses Ergebnis lässt auf ein deutlich homogeneres Temperaturfeld während der Versuche mit der neu entwickelten parallel-symmetrischen Vorrichtung schließen.
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Die Ergebnisse der Versuche sind in 5 dargestellt. Es ist klar ersichtlich, dass die Quote der Fehlkörner bei einer Formschalen-Anordnung in einer Reihe sowohl bei paralleler als auch lineare Anordnung wesentlich besser ist als bei Radialanordnung gemäß Stand der Technik.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Heizelement 2, die von einer Isolierung 1 umgeben ist. Isolierung und Heizelement umgeben die Heizzone. Die Heizvorrichtung verfügt über Stromanschlüsse 3, um das Heizelement, wie etwa eine Widerstandsheizung oder Induktionsheizung, mit Strom zu versorgen. Eine Öffnung im oberen Bereich der Heizzone korrespondiert mit dem Einfülltrichter 4, der Bestandteil der Gussform ist. Die Öffnung ist während des Befüllens bzw. während sich die Formschalen innerhalb der Heizzone befinden, vorzugsweise vermittelt durch eine Kühlplatte 6 und das Baffle 7, verschlossen. Die Abbildung zeigt auch eine Kühlanordnung 9 unter dem Baffle. Die Kühlanordnung ist vorzugsweise unter der Heizzone angeordnet. Die Gussform mit den Formschalen 5, den Gießkanälen 11 und dem Einfülltrichter 4 ist auf der Kühlplatte 6 angeordnet. Die Kühlplatte verfügt über Leitungen 10 zum Zuführen von Kühlmittel. Kühlplatte und Kühlanordnung tragen zum Temperaturgradienten bei, welcher dazu dient, eine gleichmäßige Erstarrungsfront in den Gusskörpern zu erzielen.
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2A zeigt eine horizontale Schnittansicht auf die Heizzone in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Heizelement 2 mit rechteckigen Grundriss mit darin befindlichen Formschalen 5, die in einer Reihe parallel angeordnet sind. Die Formschalen liegen auf einer Geraden 12. Die Formschalen sind unidirektional in einer parallelen Anordnung angeordnet. Die Formschalen sind Bestandteil wenigstens einer Gussform, die auf einer Kühlplatte 6 angeordnet ist, die ebenfalls rechteckig ist. Die 2B zeigt eine unidirektionale lineare Anordnung der Formschalen. Auch hier liegen die Formschalen auf einer Geraden 12. An diesen Abbildungen ist gut ersichtlich, dass ein gleichmäßiges Aufheizen und Abkühlen der Formschalen aufgrund der geometrischen Anordnung in einer Reihe gewährleistet ist.
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3A zeigt eine Gussform mit 3 Formschalen, die erfindungsgemäß in einer Reihe angeordnet sind, hier in einer bevorzugten Ausführungsform linear angeordnet. Die Gussform besitzt am oberen Ende einen Einfülltrichter der über die Gießkanäle in die einzelnen Formschalen mündet. 3B zeigt eine ähnliche Konfiguration einer Gussform, allerdings mit dem Unterschied, dass die geometrische Anordnung der Formschalen hier als parallele Anordnung vorliegt.
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4A zeigt eine Anordnung von Formschalen 5 gemäß dem Stand der Technik. Die Gussform gemäß dem Stand der Technik ist auf einer Kühlplatte 6 angeordnet und verfügt über einen Einfülltrichter 4 und Gießkanäle 11. Es ist ersichtlich, dass die Anordnung der Formhohlräume ein gleichmäßiges Aufheizen und Abkühlen nicht gewährleistet, weil durch die kreisförmige Anordnung der Formhohlräume ein Innenraum entsteht, der ein gleichmäßiges Aufheizen oder Abkühlen der Formkörper erschwert. 4B zeigt eine ähnliche Anordnung wie 4A aus dem Stand der Technik.
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5 zeigt das Ergebnis der oben beschriebenen Experimente. Es ist ersichtlich, dass bei einer Anordnung der Formschalen in einer Reihe wesentlich weniger Fehlkörner erhalten werden. Die dargestellten Balken zeigen von links nach rechts das Ergebnis bei Anordnung in radialer Form gemäß Stand der Technik, Parallelanordnung und lineare Anordnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolierung
- 2
- Heizelement
- 3
- Stromanschluss
- 4
- Einfülltrichter
- 5
- Formschalen
- 6
- Kühlplatte
- 7
- Baffle
- 8
- Kühlplatte
- 9
- Kühlanordnung
- 10
- Leitung
- 11
- Gießkanäle
- 12
- Gerade
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19602554 C1 [0003]
- DE 60201487 T2 [0004]
- US 4773467 [0004]
