DE102018120089A1

DE102018120089A1 - Keramische Aufschlämmungszusammensetzung und Verfahren zu deren Verwendung

Info

Publication number: DE102018120089A1
Application number: DE102018120089.7A
Authority: DE
Inventors: Sylvia Marie DeCarr; Kimberly Ann Polishchuk; John Patrick Pollinger; Stephanie Lynn Knoeller; Joan McKIEVER
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US10610922B2; US20190076914A1

Abstract

Eine Aufschlämmungszusammensetzung enthält, bezogen auf das Volumen, eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Prozent und ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Prozent, zuzüglich eines Platingruppenmetall-Katalysators und eines Dotierstoffs. Die keramische Zusammensetzung enthält, bezogen auf das Volumen der keramischen Zusammensetzung, feine Quarzglasteilchen mit einer Teilchengröße dvon etwa 4 µm bis etwa 7 µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Prozent; grobe Quarzglasteilchen mit einem dvon etwa 25 µm bis etwa 33 µm, in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Prozent; inerte Füllstoffteilchen mit einem dvon etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Prozent; und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Prozent.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung betrifft allgemein keramische Aufschlämmungszusammensetzungen und insbesondere Aufschlämmungszusammensetzungen, die Teilchengrößen- und/oder -formverteilungen aufweisen, die die gesamte und differenzielle Schrumpfung während eines Prozesses zur Bildung eines Keramikgegenstandes aus der Zusammensetzung reduzieren.
Es ist erwünscht, wenigstens einige keramische Gegenstände in einem Prozess zu bilden, der eine Schrumpfung (Schwindung) während eines Brennens des keramischen Gegenstands oder während einer nachfolgenden Verwendung des Gegenstands vermeidet. Z.B. werden wenigstens einige Metallkomponenten in einem Gießprozess um einen Keramikkern herum gebildet, und es ist erwünscht, dass Kerne während des Brennens des Kerns und/oder des Gießens der Komponente geringe Prozessschrumpfungen, von gewöhnlich 1,5% oder weniger, haben, um eine Dimensionsvorgaben für die fertiggestellte Metallkomponente zu erfüllen. Außerdem ist es erwünscht, eine Rissbildung am Kern zu reduzieren, die auf eine differenzielle Schrumpfung zwischen dicken und dünnen Abschnitten in dem Kern während eines Brenn- und/oder Gießvorgangs zurückzuführen sein kann. Modifikationen, wie beispielsweise ein Aushöhlen dicker Abschnitte in der Anfangsform, die zur Bildung des Keramikgegenstandes verwendet wird, kann verwendet werden, um diese Nichtübereinstimmung der Schrumpfung zu reduzieren. Derartige Modifikationen erfordern jedoch unerwünschte zusätzliche Verarbeitungsschritte.
Eine Reduktion der gesamten und differenziellen Schrumpfung des keramischen Gegenstandes wird gewöhnlich durch Kristallisation amorphen Siliziumdioxids während des Brennens erreicht. Die Bildung der kristallinen Phase hat eine reduzierte viskose Sinterung der amorphen Phase von Siliziumdioxid zur Folge. Außerdem ist ein Schwellenbetrag der kristallinen Siliziumdioxidphase (z.B. Cristobalit, Quarz, etc.) z.B. vor einem Gießvorgang erforderlich, um die Dimensionstoleranzen der nachfolgen gegossenen Metallschaufel zu erreichen.
Eine Methode, um eine Cristobalitbildung zu induzieren, besteht darin, einen Dotierstoff (d.h. ein Flussmittel) in der Aufschlämmung aufzunehmen, was die Bildung passender Cristobalitniveaus vor dem Einsatz z.B. beim Feingießen von Metall ermöglicht. Eine weitere Methode besteht darin, einen höheren Feststoffgehalt in der Zusammensetzung zu verwenden. Die höheren Feststoffgehalte können anstelle von oder in Verbindung mit der Verwendung eines Dotierstoffs verwendet werden. Ein höherer Feststoffgehalt hat auch eine erhöhte Festigkeit des Keramikgegenstands zur Folge. Jedoch führt ein zunehmend höherer Feststoffgehalt der Aufschlämmung zu einer erhöhten Viskosität der Aufschlämmung, was z.B. an polymerbasierten Kernformen eine Beschädigung hervorrufen kann.
KURZE BESCHREIBUNG
In einem Aspekt ist eine Aufschlämmungszusammensetzung geschaffen. Die Aufschlämmungszusammensetzung enthält eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung, ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung, einen Platingruppenmetall-Katalysator und einen Dotierstoff. Die keramische Zusammensetzung enthält: feine Quarzglasteilchen mit einer Partikelgröße d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7 µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; grobe Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm, in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; inerte Füllstoffteilchen mit einem d₅₀ von etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung.
In der zuvor erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung kann der Platingruppenmetall-Katalysator in einer Menge von etwa 0,0035 bis etwa 0,0075 Gewichtsprozent der Aufschlämmungszusammensetzung vorhanden sein.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Dotierstoff in einer Menge von etwa 0,075 bis etwa 2,000 Gewichtsprozent der keramischen Zusammensetzung vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen kann jede beliebige vorstehend erwähnte Aufschlämmungszusammensetzung ferner ein Dispersionsmittel aufweisen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung kann ein kombiniertes Volumen aus den feinen Quarzglasteilen und den groben Quarzglasteilchen wenigstens 80% sphärische Teilchen aufweisen.
Insbesondere kann ein kombiniertes Volumen aus den feinen Quarzglasteilchen und den groben Quarzglasteilchen wenigstens 95% sphärische Teilchen aufweisen.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung können die inerten Frühstoffteilchen aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Zirkonteilchen, Aluminiumoxidteilchen, Quarzteilchen und deren Gemischen besteht.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung kann das Bindemittel 1,3,5,7-Tetravinyltetramethylcyclotetrasiloxan, Methylhydrogenpolysiloxan oder eine Kombination von diesen aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung kann der Dotierstoff eine Alkalimetall-Kationenquelle, eine Erdalkalimetall-Kationenquelle oder eine Kombination von diesen aufweisen.
In noch weiteren Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung kann der Dotierstoff ein Alkalimetallborat, ein Alkalimetallkarbonat, ein Alkalimetalloxid, ein Alkalimetallsilikat, ein Alkalimetallhydroxid, ein Alkalimetallnitrat, ein Erdalkalimetallkarbonat, ein Erdalkalimetalloxid, ein Erdalkalimetallsilikat, ein Erdalkalimetallnitrat oder eine Kombination von diesen aufweisen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Aufschlämmungszusammensetzung kann der Dotierstoff eine borfreie Zusammensetzung sein.
In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Gießkerns für eine hohle Komponente geschaffen. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen einer Aufschlämmungszusammensetzung, die enthält: eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung, ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung, einen Platingruppenmetall-Katalysator und einen Dotierstoff. Die keramische Zusammensetzung enthält: feine Quarzglasteilchen mit einer Teilchengröße d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7 µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; grobe Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm, in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; inerte Füllstoffpartikel mit einem d₅₀ von etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung. Das Verfahren enthält ferner ein Härten der Aufschlämmungszusammensetzung, um den keramischen Gießkern zu bilden.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann der Platingruppenmetall-Katalysator in einer Menge von etwa 0,0035 bis etwa 0,0075 Gewichtsprozent der Aufschlämmungszusammensetzung vorhanden sein.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Dotierstoff in einer Menge von etwa 0,075 bis etwa 2,000 Gewichtsprozent der keramischen Zusammensetzung vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann die Aufschlämmungszusammensetzung ferner ein Dispersionsmittel aufweisen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann ein kombiniertes Volumen aus den feinen Quarzglasteilen und den groben Quarzglasteilchen wenigstens 80% sphärische Teilchen aufweisen.
Insbesondere kann ein kombiniertes Volumen aus den feinen Quarzglasteilchen und den groben Quarzglasteilchen wenigstens 95% sphärische Teilchen aufweisen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens können die inerten Frühstoffteilchen aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Zirkonteilchen, Aluminiumoxidteilchen, Quarzteilchen und deren Mischungen besteht.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das Bindemittel 1,3,5,7-Tetravinyltetramethylcyclotetrasiloxan, Methylhydrogenpolysiloxan oder eine Kombination von diesen aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der Dotierstoff eine Alkalimetall-Kationenquelle, eine Erdalkalimetall-Kationenquelle oder eine Kombination von diesen aufweisen.
In noch weiteren Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der Dotierstoff ein Alkalimetallborat, ein Alkalimetallkarbonat, ein Alkalimetalloxid, ein Alkalimetallsilikat, ein Alkalimetallhydroxid, ein Alkalimetallnitrat, ein Erdalkalimetallkarbonat, ein Erdalkalimetalloxid, ein Erdalkalimetallsilikat, ein Erdalkalimetallnitrat oder eine Kombination von diesen aufweisen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der Dotierstoff eine borfreie Zusammensetzung sein.
In einigen Ausführungsformen kann jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren ferner ein Einleiten der Aufschlämmungszusammensetzung in wenigstens einen inneren Hohlraum einer einstückigen Opferform aufweisen, wobei die Form eine äußere Wand und den wenigstens einen inneren Hohlraum aufweisen kann, die Merkmalen der Komponente entsprechen.
Zusätzlich kann das Verfahren ferner ein Entfernen der Form aufweisen, indem die Form einer Umgebung ausgesetzt wird, die angepasst ist, um die Form zu zerstören und dabei den keramischen Gießkern unversehrt zu hinterlassen.
Weiter zusätzlich kann das Verfahren ferner nach dem Entfernen der Form ein Durchführen eines Feingussprozesses unter Verwendung des keramischen Gießkerns als ein Teil einer Schalenform-Kern-Anordnung zur Bildung der Komponente aufweisen.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung einer hohlen Metallkomponente und einer zugehörigen synthetischen Kernform, die zur Bildung der Metallkomponente verwendet werden kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen ergeben keramische Aufschlämmungszusammensetzungen mit Teilchengrößenverteilungen, die sowohl feine als auch grobe Quarzglasteilchen umfassen. Einige Ausführungsformen enthalten ferner Teilchenformverteilungen, die sphärische Quarzglasteilchen enthalten. Die Ausführungsformen bieten mehrere vorteilhafte Eigenschaften, wie etwa, jedoch nicht darauf beschränkt, eine reduzierte gesamte und differenzielle Schrumpfung bzw. Schwindung während der Bildung eines keramischen Gegenstands aus der Zusammensetzung, eine verbesserte Kernfestigkeit und einen höheren Feststoffgehalt der Aufschlämmung, während die Kompatibilität mit einer Aufschlämmungseinspritzung z.B. in eine polymerbasierte 3D-Form erhalten bleibt.
Wenigstens einige Ausführungsformen der hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren sind in einem Prozess mit verlorener Kernform (DCD, Disposable Core Die) nützlich. Um Beschränkungen bei der Gestaltung komplexer Kühldurchgänge zu überwinden, die für bestimmte Metallkomponenten, wie etwa Turbinenlaufschaufeln der nächsten Generation, erforderlich sind, entwickelte die General Electric Company den DCD-Prozess, der die vorhandene Rapid Prototyping (RP, schneller Modellbau) - Technologie verwendet, um eine polymerbasierte (3D-)Form zu drucken, anstatt eine herkömmliche (2,5D-) Stahlform zu verwenden, um einen keramischen Kern zu erzeugen. Der DCD-Prozess ist z.B. in den US-Patentschriften Nr. 7,413,001, 7,287,573 und 7,487,819 offenbart. In dem DCD-Prozess wird eine keramische Aufschlämmung auf Silikonbinderbasis in die polymerbasierte 3D-Form mit niedrigen Drücken injiziert, und die Aufschlämmung verfestigt sich und härtet aus. Als nächstes wird das ganze Teil in einem Ofen platziert, in dem die Form pyrolisiert wird und der Kern sintert. Die resultierende Zusammensetzung des keramischen Kerns ist derjenigen ähnlich, die in dem herkömmlichen Prozess verwendet wird, und somit kann der Kern unter Verwendung eines standardmäßigen Prozesses ausgelaugt werden. Der DCD-Prozess weist mehrere Nützlichkeiten auf, wobei er z.B. die Erzeugung komplexer 3D-Kerne ermöglicht, was wiederum die Herstellung von z.B. metallenen Turbinenlaufschaufeln durch Feinguss ermöglicht, die Effizienzziele erfüllen, indem sie die Menge an Kühlluft, die zum Kühlen der Schaufeln benötigt wird, reduzieren. Zusätzlich oder alternativ sind wenigstens einige Ausführungsformen der Zusammensetzungen und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, in jeder beliebigen sonstigen geeigneten Anwendung, die keramische Gegenstände umfasst, nützlich.
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen, die folgen, wird auf etliche Ausdrücke Bezug genommen, die derart definiert sein sollen, dass sie die folgenden Bedeutungen haben.
Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ umfassen mehrere Bezugnahmen, sofern aus dem Kontext nicht deutlich was anderes hervorgeht.
„Optional“ oder „wahlweise“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand eintreten kann oder nicht und dass die Beschreibung Fälle, in denen das Ereignis eintritt, sowie Fälle umfasst, in denen es nicht eintritt.
Eine Näherungssprache, wie sie hierin in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewandt werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die in zulässiger Weise variieren könnte, ohne zu einer Veränderung der Grundfunktion, mit der sie in Beziehung steht, zu führen. Demgemäß soll ein Wert, der durch einen Ausdruck oder durch Ausdrücke, wie „etwa“, „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ modifiziert ist, nicht auf den genauen angegebenen Wert beschränkt sein. In wenigstens einigen Fällen kann die Näherungssprache der Genauigkeit eines Instrumentes zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und überall in der Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsgrenzen identifiziert sein. Derartige Bereiche können miteinander kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden und umfassen alle darin enthaltenen Unterbereiche, sofern aus dem Kontext oder der Formulierung nicht was anderes hervorgeht.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „feine Quarzglasteilchen“ die Bedeutung von Teilchen aus Quarzglas (d.h. der nichtkristallinen Form von Siliziumdioxid) mit einem d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7 µm auf. Feine Quarzglasteilchen können eine sphärische oder eckige Gestalt haben. In einer Ausführungsform sind die feinen Quarzglasteilchen eine Kombination aus sphärisch geformten Teilchen und eckigen Teilchen.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „grobe Quarzglasteilchen“ die Bedeutung von Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm auf. Grobe Quarzglasteilchen können eine sphärische oder eine eckige Gestalt aufweisen. In einer Ausführungsform sind die groben Quarzglasteilchen eine Kombination aus sphärisch geformten Teilchen und eckigen Teilchen.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „inerte Füllstoffteilchen“ die Bedeutung von Teilchen auf, die in der Aufschlämmungszusammensetzung nicht reaktiv sind. Inerte Füllstoffteilchen können Zirkonteilchen, Aluminiumoxidteilchen, Quarzteilchen und Mischungen von diesen sein.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Quarzstaubteilchen“ die Bedeutung von Teilchen aus Quarzstaub, auch als pyrogene Kieselsäure bezeichnet, auf, der aus mikroskopischen Tropfen amorphen Siliziumdioxids besteht, die in verzweigte, kettenartige, dreidimensionale sekundäre Teilchen eingeschmolzen sind, die dann zu tertiären Teilchen agglomerieren. Das resultierende Pulver weist eine äußerst niedrige Schüttdichte und große Oberfläche auf. Seine dreidimensionale Struktur führt zu einem viskositätserhöhenden, thixotropen Verhalten, wenn es als ein Verdickungsmittel oder ein verstärkender Füllstoff verwendet wird. Siliziumstaubpartikel dienen in der Aufschlämmungszusammensetzung als ein Rheologiemodifizierungsmittel.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Platingruppenmetall-Katalysator“ die Bedeutung eines Katalysators auf, der Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und/oder Platin enthält. Ein Platingruppenmetall-Katalysator kann aus derartigen Katalysatoren ausgewählt sein, die herkömmlich und in der Technik allgemein bekannt sind. Zu geeigneten Platingruppenmetall-Katalysatoren gehören, jedoch nicht darauf beschränkt sein sollen: die Pt-Divinylsiloxan-Komplexe, wie in den US-Patentschriften Nr. 3,715,334 und 3,775,452 beschrieben; Pt-Octylalkohol-Reaktionsprodukte, wie in der US-Patentschrift Nr. 3,220,972 offenbart; die Pt-Vinylcyclosiloxan-Verbindungen, wie in der US-Patentschrift No. 3,516,946 offenbart; und Pt-Olefin-Komplexe, wie in den US-Patentschriften Nr. 4,288,345 und 4,421,903 offenbart. Ein Platingruppenmetall-Katalysator ermöglicht eine Härtungsreaktion eines Siloxan-Bindungsmittels und erzeugt Grünfestigkeit.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Dotierstoff“ die Bedeutung einer Zusammensetzung auf, die die Bildung von kristallinem Cristobalit in der Aufschlämmungszusammensetzung während des Brennens induziert. Der Dotiertstoff kann ein Kation (z.B. Na+) oder eine Verbindung (z.B. Natriumkarbonat) sein. In einigen Ausführungsformen ist der Dotierstoff derart ausgewählt, dass er mit der RP-Form und dem Siloxan-Bindemittelsystem kompatibel ist. Der Dotierstoff kann der Aufschlämmungszusammensetzung z.B. als ein Salz (z.B. Karbonatsalz), auf Siliziumdioxid basierende Glasfritten, die ein Alkalimetallkation und/oder ein Erdalkalimetallkation enthalten, in einer kolloidalen Dispersion oder als eine wässrige Salzsuspension zugegeben werden. In einer Ausführungsform wird der Dotierstoff als eine Beschichtung auf den feinen Quarzglasteilchen, den groben Quarzglasteilchen oder sowohl den feinen Quarzglasteilchen als auch den groben Quarzglasteilchen bereitgestellt, wobei der Dotierstoff ein Alkalimetallkation, ein Erdalkalimetallkation oder eine Kombination aus einem Alkalimetallkation und einem Erdalkalimetallkation ist. Z.B. kann eine Natriumhydroxidlösung mit den feinen Quarzglasteilchen vermischt und anschließend getrocknet werden, wobei sie ein Natriumkation auf der Oberfläche der feinen Quarzglasteilchen hinterlässt. Als ein weiteres Beispiel wird ein Natriumkation in einer ähnlichen Weise auf der Oberfläche der groben Quarzglasteilchen abgeschieden.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Bindemittel“ die Bedeutung einer kohäsiven Substanz auf. Z.B. sind Silikonbindemittel in den US-Patentschriften Nr. 7,732,526 und 7,287,573 offenbart. Ein Bindemittel dient als ein flüssiger Träger für keramische Pulver und bietet Festigkeit im gehärteten Zustand. Ein weiterer Nutzen des Siloxan-Bindemittels liegt darin, dass ein beträchtlicher Anteil in dem gesinterten Teil zu Siliziumdioxid umgewandelt wird. Einige Beispiele für geeignete Bindemittel umfassen 1,3,5,7-Tetravinyltetramethylcyclotetrasiloxan, Methylhydrogenpolysiloxan und Mischungen von diesen.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Dispersionsmittel“ die Bedeutung eines Zusatzstoffs zu einer chemischen Dispersion auf, der in der Lage ist, die dispergierten Teilchen in Suspension zu halten.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „d₅₀“ die Bedeutung eines mittleren Durchmessers mehrerer Teilchen auf. d₅₀ kann durch Laserlichtstreutechniken, z.B. mit einem MICROTRAC S3500 Laserdiffraktionsanalysator, gemessen werden. Die gesamten Teilchengrößenverteilungsdaten von dem MICROTRAC S3500 Laserdiffraktionsanalysator werden in ein Teilchenpackungsmodell eingebracht, das den d₅₀ der Teilchen berechnet.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „sphärisch“ die Bedeutung einer Gestalt eines Teilchens mit einem Sphärizitätswert von ungefähr mehr als 0,8-0,9 auf. Eine Bestimmung der Gestalt von Teilchen kann mit einer Bildanalyse von Rasterelektronenmikrografen durchgeführt werden. In dem hierin verwenden Sinne werden Teilchen, die nicht sphärisch sind, als eine eckige Gestalt aufweisend betrachtet.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Alkalimetall“ die Bedeutung eines Metalls der Gruppe 1 des Periodensystems der Elemente auf. Ein Alkalimetall, wie hierin verwendet, umfasst Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium und Kombinationen von diesen. Somit kann ein Alkalimetall z.B. eine Kombination aus Natrium und Kalium sein.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Erdalkalimetall“ die Bedeutung eines Metalls der Gruppe 2 des Periodensystems der Elemente auf. Ein Erdalkalimetall, wie hierin verwendet, umfasst Beryllium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Radium und Kombinationen von diesen. Somit kann ein Erdalkalimetall z.B. eine Kombination aus Strontium und Barium sein.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Alkalimetall-Kationenquelle“ die Bedeutung einer Verbindung auf, die ein Alkalimetall enthält. Beispiele für Alkalimetall-Kationenquellen sind Alkalimetallborat, Alkalimetallkarbonat, Alkalimetalloxid, Alkalimetallhydroxid, Alkalimetallsilikat, Alkalimetallnitrat und Kombinationen von diesen. Z.B. kann eine Alkalimetall-Kationenquelle Natriumtetraborat, Natriumkarbonat, Natriumsilikat, Natriumhydroxid, Natriumnitrat und Kombinationen von diesen sein.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Erdalkalimetall-Kationenquelle“ die Bedeutung einer Verbindung auf, die ein Erdalkalimetall enthält. Beispiele für Erdalkalimetall-Kationenquellen sind Erdalkalimetallkarbonat, Erdalkalimetalloxid, Erdalkalimetallsilikat, Erdalkalimetallnitrat und Kombinationen von diesen. Z.B. kann eine Erdalkalimetall-Kationenquelle Magnesiumoxid, Bariumkarbonat, Kalziumkarbonat, Strontiumkarbonat und Kombinationen von diesen sein.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Alkalimetallkation“ die Bedeutung eines Kations eines Alkalimetalls auf. Ein Beispiel für ein Alkalimetallkation ist ein Natriumkation, das auf den Oberflächen der feinen Quarzglasteilchen und/oder der groben Quarzglasteilchen aufgebracht sein kann.
In dem hierin verwendeten Sinne weist der Ausdruck „Erdalkalimetallkation“ die Bedeutung eines Kations eines Erdalkalimetalls auf. Ein Beispiel für ein Erdalkalimetallkation ist ein Magnesiumkation, das auf den Oberflächen der feinen Quarzglasteilchen und/oder der groben Quarzglasteilchen aufgebracht sein kann.
Ausführungsformen der Zusammensetzungen und Verfahren zur Bildung keramischer Gegenstände sind nachstehend in dem Zusammenhang mit der Bildung eines keramischen Kerns zur Verwendung in einem Feingussprozess einer Metallkomponente beschrieben. Jedoch sind die Ausführungsformen in dem Zusammenhang mit der Bildung vieler weiterer geeigneter keramischer Gegenstände nützlich, und sie sind nicht nur auf die Verwendung bei der Bildung keramischer Kerne zur Verwendung in einem Feingussprozess für eine Metallkomponente beschränkt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer hohlen Metallkomponente 52 und einer zugehörigen Opferform 64, die bei der Bildung der Metallkomponente 52 verwendet werden kann. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Komponente 52 eine Turbinenleitschaufel. In alternativen Ausführungsformen ist die Komponente 52 eine beliebige Metallkomponente zur Verwendung in einer beliebigen Anwendung, die unter Verwendung eines keramischen Kerns geeignet geformt werden kann, der aus den hierin beschriebenen Aufschlämmungszusammensetzungen gebildet ist. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Komponente 52 eine äußere Wand 58 und wenigstens eine innere Wand 56, die in einer beabstandeten Beziehung zu der äußeren Wand 58 angeordnet ist.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Opferform 64 eine einstückige oder monolithische (3D-) Opferform, im Unterschied zu einer herkömmlichen zweistückigen (2,5D-)Form. Insbesondere ermöglichen herkömmliche 2,5D-Formen eine zerstörungsfreie Trennung der Formteile von dem darin gebildeten keramischen Kern, was eine wiederholte Verwendung derartiger Formen zur Bildung mehrerer Kerne ermöglicht. Für wenigstens einige Komponenten 52 macht jedoch eine komplizierte Geometrie von inneren Kühlkreisläufen die Verwendung von Formen mit zwei Teilen sehr schwierig und häufig unmöglich, so dass in herkömmlichen Verfahren zusätzliche Zeit und zusätzlicher Aufwand erforderlich sind, damit mehrere injizierte Kerne gebildet und zu einem Verbundkern zusammengesetzt werden. In alternativen Ausführungsformen enthält die Opferform 64 eine beliebige geeignete Anzahl von Teilen, die der Opferform 64 ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform definiert die Opferform 64 wenigstens einen inneren Hohlraum 60, 62. Wie hier nachstehend verwendet, wird der Singularausdruck Hohlraum verwendet, um auf den wenigstens einen Hohlraum oder Kanal im Inneren der Form Bezug zu nehmen, wobei jedoch verstanden werden sollte, dass die Verwendung des Singularausdrucks Hohlraum sich auch auf den Fall bezieht, in dem mehr als ein einziger Hohlraum im Inneren der Form enthalten ist. Die Form des Hohlraums entspricht der Gestalt, die für den komplexen Gießkern erwünscht, der beim Gießen der Komponente 52 verwendet werden soll.
In bestimmten Ausführungsformen wird die Opferform 64 mittels eines oder mehrerer additiver Schichtfertigungsprozesse gebildet, in denen ein computergestütztes Entwurfs(CAD, computer aided design)-Modell 26 der Komponente 52 in eine Reihe dünner, paralleler Schichten derart aufgeteilt wird, dass eine entsprechende Materialverteilung innerhalb jeder nachfolgenden Schicht der Opferform 64 definiert wird. Eine computernummerisch gesteuerte (CNC, computer numerically controlled) Maschine 30 bringt aufeinanderfolgende Materialschichten entsprechend den Scheiben des CAD-Modells 26 auf, um die Opferform 64 zu bilden. Z.B. ist die CNC-Maschine 30 eine Stereolithographie(SLA)-Maschine, bei der ein Roboterarm einen Laser hält (nicht veranschaulicht) und der Arm die Bewegung des Lasers entlang eines Bewegungspfads für jede Schicht, wie durch die aufgeschnittene CAD-Datei beschrieben, präzise führt. Der Laser richtet eine stark fokussierte Strahlung auf ein härtbares Materialmedium, wie etwa einen flüssigen Harz 46, das auch bei einer Bestrahlung durch den Laser augenblicklich verfestigt (gehärtet) wird, wodurch eine einzelne, präzise wiedergegebene Querschnittsschicht der Opferform 64 erzeugt wird, die der Scheibe der unterteilten CAD-Datei entspricht. Diese Prozedur wird für alle nachfolgenden Schichten wiederholt, wobei jede Schicht durch die Wirkung des verfestigenden Materialmediums an die vorherige gebunden wird. In alternativen Ausführungsformen implementiert die CNC-Maschine 30 eine beliebige sonstige geeignete additive Fertigungstechnik, die der Opferform 64 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren, wie etwa, jedoch nicht darauf beschränkt: eine Mikrostiftabscheidung (Micro-Pen Deposition), bei der flüssige Medien mit hoher Präzision an der Stiftspitze ausgegeben und anschließend gehärtet werden; selektives Laser-Sintern, bei dem ein Laser verwendet wird, um ein Pulvermedium an genau gesteuerten Stellen zu sintern; Laserdrahtabscheidung, bei der ein Drahtausgangsmaterial durch einen Laser geschmolzen und anschließend abgeschieden und an präzisen Stellen verfestigt wird, um das Produkt aufzubauen; und Fused Deposition (Schmelzschichtung) durch Extrusion eines dünnen ABS-Kunststoffdrahtes in mehreren Schichten zum Aufbau des Produktes.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Opfermaterial, das zur Bildung der Opferform 64 verwendet wird, eines von einem Epoxid, einem Silikon und einem Metall. In alternativen Ausführungsformen ist das Opfermaterial ein beliebiges geeignetes Material, das der Opferform 64 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Die Art des additiven Schichtungsprozesses ermöglicht einen einfachen Aufbau einstückiger oder unitärer Gegenstände mit hoher innerer Komplexität, wie z.B. geschlossenen inneren Kammern und gewundenen inneren Kanälen, in einem kontinuierlichen Vorgang. Folglich sind additive Schichtherstellungsprozesse für die Erzeugung einer komplizierten einstückigen Form, wie sie in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, gut geeignet, weil eine derartige Form häufig derart gestaltet sein wird, dass sie eine komplizierte innere Struktur aufweist, die den komplexen inneren Kühlkreisläufen der Komponente, die wunschgemäß gegossen werden sollen, entspricht.
Es wird eine keramische Aufschlämmung in den Hohlraum 60, 62 der Opferform 64 eingeleitet. Die Aufschlämmung enthält ein keramisches Pulver und eine Flüssigphase oder ein Trägerfluid, wie etwa ein Bindemittel. In einigen Ausführungsformen wird die keramische Aufschlämmung in den Hohlraum der Opferform 64 unter Druck eingeleitet, um sicherzustellen, dass die Aufschlämmung den Hohlraum vollständig füllt. Spritzguss ist ein Beispiel für ein geeignetes Verfahren zur Einleitung der Aufschlämmung in den Formhohlraum, weil die Menge und der Druck der Aufschlämmung genau gesteuert werden können, während die Aufschlämmung den Formhohlraum füllt. In einigen Ausführungsformen ist die Aufschlämmung mit einer Viskosität gebildet, die hinreichend niedrig ist, um das Einleiten der Aufschlämmung in den Hohlraum und ein richtiges Füllen des Hohlraums zu erleichtern und dabei eine Verformung oder sonstige Beschädigung an der Opferform 64 zu vermeiden. Wie vorstehend erläutert, kann eine hohe Viskosität der Aufschlämmung eine Beschädigung an der Opferform 64 hervorrufen.
Nachdem die Aufschlämmung den Formhohlraum vollständig gefüllt hat, wird die Aufschlämmung gehärtet, um einen keramischen Gegenstand, wie etwa einen keramischen Kern in der beispielhaften Ausführungsform, zu bilden. Ein Härten der Aufschlämmung wird in einem Beispiel (siehe z.B. US-Patentschrift Nr. 7,287,573 ) durch Vernetzung/Polymerisation der Silikonbindemittel-Monomere/Oligomere unter Verwendung eines Metallkatalysators und Erwärmen der mit der keramischen Aufschlämmung gefüllten Form bewerkstelligt. Die Opferform 64 wird anschließend um den keramischen Kern herum entfernt, der in dem Formhohlraum enthalten ist. In bestimmten Ausführungsformen ist die Opferform 64 ein Einzelteil, das den Kern umhüllt, und sie kann nicht entfernt werden, ohne zerstört zu werden, so dass die Form folglich in dem Gießvorgang geopfert bzw. verloren wird. Die Opferform 64 wird einer Umgebung, wie z.B. einer mechanischen Belastung, Temperatur, Chemikalien und Kombinationen hiervon, ausgesetzt, die angepasst ist, um die Opferform 64 zu zerstören und dabei den keramischen Kern unversehrt zu belassen. Z.B. wird die Opferform 64 auf eine Temperatur erhitzt, die die Form veranlasst, sich zu zersetzen oder wegzubrennen, in einem Lösungsmittel aufgelöst oder über eine Reaktion mit einer Säure oder Base entfernt, während der keramische Kern unberührt bleibt.
Nach dem Entfernen der Form bleibt ein freistehender, einstückiger oder monolithischer keramischer Kern übrig, der sich zur Verwendung beim Feinguss bzw. Präzisionsformguss der mehrwandigen Komponente 52 eignet. Der Kern wird gewöhnlich gebrannt, um den Kern mit hinreichender Festigkeit zu versehen, damit er nachfolgende Operationen übersteht. Z.B. kann der Kern bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 870° C bis etwa 1100°C gebrannt werden. Der Kern wird dann in einem geeigneten Feingussprozess verwendet, um die Komponente 52 zu bilden.
Insbesondere wird der keramische Kern in Bezug auf eine Gießform, die entsprechend der Gestalt der Komponente 52 geeignet geformt ist, wie etwa durch Verwendung eines geeigneten Hilfsmaterials, das für Fachleute auf dem Gebiet bekannt ist, wie etwa durch Positionier- und Tragzapfen, Angüsse, Anschnitte, etc., positioniert. Es wird Wachs in die Gießform injiziert und verfestigt, um ein Wachsmodell zu bilden, und das Wachsmodell mit dem darin eingebetteten keramischen Kern wird wiederholt in die keramische Aufschlämmung eingetaucht, um eine keramische Schalenform um das Wachsmodell herum zu bilden. Nach dem Entfernen des Wachses bleibt der keramische Kern in der keramischen Schalenform angeordnet und an dieser angebracht, wodurch eine Schalenform-Kern-Anordnung gebildet wird. Eine Metallschmelze wird in die Schalenform-Kern-Anordnung eingeleitet, um die Komponente 52 zu gießen. Nachdem die Metallschmelze sich verfestigt, wird die keramische Form durch chemische oder mechanische Mittel entfernt, und der keramische Kern wird z.B. durch ein chemisches Mittel zum Entfernen aus der Komponente ausgelaugt.
Weitere Details zu den vorstehend erläuterten Verfahren finden sich in der US-Patentschrift Nr. 7,413,001 , die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin mit aufgenommen ist.
Wie vorstehend erläutert, ist es erwünscht, wenigstens einige keramische Gegenstände in einem Prozess zu bilden, der eine Schrumpfung bzw. Schwindung während des Brennens des keramischen Gegenstands oder während einer nachfolgenden Verwendung des Gegenstands vermeidet. Z.B. reduziert in dem vorstehend erläuterten Feingusskontext eine Schrumpfung in dem Keramikkern während eines Brenn- und/oder Gießvorgangs eine Fähigkeit, Dimensionstoleranzen für die Komponente 52 zu erfüllen, und/oder sie erhöht die Gefahr, dass sich Risse in dem keramische Kern bilden. Bei der Steuerung der Schrumpfung des keramischen Gegenstands während des Brennvorgangs gibt es zwei konkurrierende Mechanismen: (1) viskoses Sintern des Quarzglases, das eine hohe Schrumpfung zur Folge hat; und (2) Umwandlung des Quarzglases in kristallines Siliziumdioxid (das heißt Cristobalit, Quarz, etc.), was die Schrumpfung reduziert oder hemmt. Um einen passenden Cristobalitgehalt (von mehr als etwa 50 Gew.% des gesamten Siliziumdioxids) bei den erforderlichen niedrigen Prozesstemperaturen (von weniger als etwa 1200° C) zu bilden, werden häufig Dotierstoffe der Zusammensetzung zugegeben. Die Dotierstoffe wirken, um die Viskosität des Quarzglases zu verringern, so dass eine Keimbildung und Kristallisation in einer angemessenen Zeit erfolgen. Diese Dotierstoffe, häufig auf der Alkali- oder Erdalkali-Kation-Basis, oder Kombinationen der beiden, fördern ebenfalls eine mehr viskose Sinterung des Glases, da sie bekannte Glasstrukturmodifizierungsmittel sind, die wirken, um die Viskosität des Glases zu verringern.
Ausführungsformen der Aufschlämmungszusammensetzung, wie sie hierin beschrieben sind, zur Verwendung in einem Verfahren, wie etwa dem hier beschriebenen, umfassend eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung und ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung. In einigen Ausführungsformen ist das Bindemittel aus der Gruppe bestehend aus 1,3,5,7-Tetravinyltetramethylcyclotetrasiloxan, Methylhydrogenpolysiloxan und Kombinationen von diesen ausgewählt. In alternativen Ausführungsformen ist das Bindemittel ein beliebiges geeignetes Bindemittel, das der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die keramische Zusammensetzung grobe Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung. Die keramische Zusammensetzung enthält ferner feine Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7 µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung, inerte Füllstoffpartikel mit einem d₅₀ von etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung. Im Unterschied zu bekannten keramischen Zusammensetzungen, die in Verfahren, wie etwa dem vorstehend beschriebenen, verwendet werden, die dazu neigen, höchstens nur unerhebliche Volumina der groben Quarzglasteilchen zu enthalten, hat die Aufnahme der groben Quarzglasteilchen in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Volumenprozent eine deutlich reduzierte Schrumpfung, einschließlich einer reduzierten differenziellen Schrumpfung, und somit eine reduzierte Rissbildung des keramischen Gegenstands während des Brennens und/oder Gießens zur Folge.
In einigen Ausführungsformen sind die inerten Füllstoffteilchen aus der Gruppe bestehend aus Zirkonteilchen, Aluminiumoxidteilchen, Quarzteilchen und deren Gemischen ausgewählt. In alternativen Ausführungsformen sind die inerten Füllstoffteilchen aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildet, das der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Ausführungsformen der Aufschlämmungszusammensetzung, wie sie hierin beschrieben sind, enthalten ferner einen Platingruppenmetall-Katalysator. Z.B. ist der Platingruppenmetall-Katalysator in einigen Ausführungsformen in einer Menge von etwa 0,0035 bis etwa 0,0075 Gewichtsprozent der Aufschlämmungszusammensetzung vorhanden. In alternativen Ausführungsformen ist der Platingruppenmetall-Katalysator in einer beliebigen geeigneten Menge vorhanden, die der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Ausführungsformen der Aufschlämmungszusammensetzung, wie sie hierin beschrieben sind, enthalten ferner einen Dotiertstoff. Der Dotiertstoff enthält gewöhnlich ein Alkalimetall und/oder ein Erdalkalimetall, das die Viskosität des Quarzglases in der Aufschlämmungszusammensetzung reduziert, so dass die Kinetik für die Kristallisation des Quarzglases verbessert wird und bei der interessierenden Temperatur stattfindet und die Menge der kristallinen Phase, die während des Brennens erzeugt wird, passend ist, um eine unerwünschte Schrumpfung vor und während des Gießprozesses zu verhindern. Die Alkalimetalle sind gewöhnlich effektiver bei der Verringerung der Viskosität des Quarzglases im Vergleich zu den Erdalkalimetallen, können jedoch eine übermäßige Schrumpfung hervorrufen, bis eine hinreichende Kristallisation auftritt. Die Erdalkalimetalle können zugegeben werden, um eine derartige Schrumpfung auszugleichen, indem sie weniger Einfluss auf die Glasviskosität haben. In einigen Ausführungsformen ist der Dotiertstoff in einer Menge von etwa 0,075 bis etwa 2,000 Gewichtsprozent der keramischen Zusammensetzung vorhanden. In alternativen Ausführungsformen ist der Dotierstoff in einer beliebigen geeigneten Menge vorhanden, die der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
In bestimmten Ausführungsformen ist der Dotierstoff eine Alkalimetall-Kationenquelle, eine Erdalkalimetall-Kationenquelle oder eine Kombination aus einer Alkalimetall-Kationenquelle und einer Erdalkalimetall-Kationenquelle. In einigen Ausführungsformen ist die Alkalimetall-Kationenquelle aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Alkalimetallborat, Alkalimetallkarbonat, Alkalimetalloxid, Alkalimetallhydroxid, Alkalimetallsilikat, Alkalimetallnitrat und Kombinationen von diesen. Z.B. ist der Dotiertstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die Natriumtetraborat, Natriumkarbonat, Natriumsilikat, Natriumhydroxid, Natriumnitrat und Kombinationen von diesen enthält. In einigen Ausführungsformen ist die Erdalkalimetall-Kationenquelle aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Erdalkalimetallkarbonat, Erdalkalimetalloxid, Erdalkalimetallsilikat, Erdalkalimetallnitrat und Kombinationen von diesen. Z.B. ist der Dotierstoff aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Magnesiumoxid, Bariumkarbonat, Kalziumkarbonat, Strontiumkarbonat und Kombination von diesen.
In einigen Ausführungsformen ist der Dotierstoff ein Alkalimetallkation, ein Erdalkalimetallkation oder eine Kombination aus einem Alkalimetallkation und einem Erdalkalimetallkation. In alternativen Ausführungsformen ist der Dotierstoff ein beliebiges geeignetes Dotiermittel, dass der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
In einer Ausführungsform liegt der Dotierstoff in Form eines Pulvers vor. In einer weiteren Ausführungsform weisen die feinen Quarzglasteilchen, die groben Quarzglasteilchen oder sowohl die feinen Quarzglasteilchen als auch die groben Quarzglasteilchen eine Beschichtung auf, die den Dotiertstoff enthält, wobei der Dotierstoff ein Alkalimetallkation, ein Erdalkalimetallkation oder eine Kombination aus einem Alkalimetallkation und einem Erdalkalimetallkation ist. In alternativen Ausführungsformen liegt der Dotierstoff in einer beliebigen geeigneten Form vor, die der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Außerdem erreicht die Aufschlämmungszusammensetzung in einigen Ausführungsformen die vorstehend beschriebenen Vorteile unter Verwendung von Dotierstoffen, die borfreie Zusammensetzungen sind, d.h., die kein Bor enthalten. Dotierstoffe, die Bor enthalten, wie etwa Natriumtetraborat oder andere Alkalimetall- oder Erdalkalimetallborate, können ein effektiver Dotierstoff für die Bildung von ausreichend Cristobalit bei Temperaturen unterhalb von etwa 1200° C sein, da das Bor die Viskosität von Siliziumdioxid weiter verringert und die Kristallisation über die Effekte der Alkalimetall- oder Erdalkalimetall-Kationen hinaus verstärkt. Jedoch kann das Bor in einigen Feingussverfahren für die Metalllegierung, die zum Gießen der Komponente 52 verwendet wird, schädlich sein. Borfreie Dotierstoffe, wie etwa Natriumkarbonat, Natriumsilikat, Natriumhydroxid, Natriumnitrat und Kombinationen von diesen, sind in Kombination mit dem Teilchenpackungsentwurf und/oder der Verwendung sphärischer Teilchen, wie hierin beschrieben, effektiv, um keramische Kerne zu erzeugen, die während des Brennens und Gießens eine gesamte Schrumpfung von weniger als 1,5% erfahren, während sie aufgrund einer verringerten Rissbildung die Kernausbeuten um über 30 Prozent verbessern. In alternativen Ausführungsformen werden Dotierstoffe auf Borbasis, wie etwa Natriumtetraborat, ohne schädliche Wirkungen auf die gegossene Metallkomponente verwendet.
In bestimmten Ausführungsformen enthält die Aufschlämmungszusammensetzung ferner ein Dispersionsmittel. Z.B. kann das Dispersionsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, bestehend aus Ölsäure, Oleylamin und Kombinationen von diesen. In alternativen Ausführungsformen ist das Dispersionsmittel ein beliebiges geeignetes Dispersionsmittel, das der Aufschlämmungszusammensetzung ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
In einigen Ausführungsformen enthält ein kombiniertes Volumen aus den feinen Quarzglasteilchen und den groben Quarzglasteilchen wenigstens 80% sphärische Teilchen. Außerdem enthält das kombinierte Volumen aus den feinen Quarzglasteilchen und den groben Quarzglasteilchen in einigen derartigen Ausführungsformen wenigstens 95% sphärische Teilchen.
In bestimmten Ausführungsformen sind im Wesentlichen alle der groben Quarzglasteilchen sphärisch. In anderen Ausführungsformen sind im Wesentlichen alle von den feinen Quarzglasteilchen sphärisch. In noch weiteren Ausführungsformen sind im Wesentlichen alle von sowohl den feinen Quarzglasteilchen als auch den groben Quarzglasteilchen sphärisch. In einigen derartigen Ausführungsformen erreicht die Verwendung von wenigstens 80% sphärisch geformter Teilchen in dem kombinierten Volumen aus den feinen Quarzglasteilchen und den groben Quarzglasteilchen geringere Aufschlämmungsviskositäten, während die Packungsdichten beibehalten werden, im Vergleich zu Aufschlämmungen mit äquivalenten d₅₀-Größenverteilungen, in denen mehr als 20% der Teilchen eine eckige Gestalt aufweisen. Die sphärischen Teilchen reduzieren somit die Kernschrumpfung, verbessern die Kernfestigkeit und erleichtern die Einspritzung einer einen hohen Feststoffgehalt aufweisenden Aufschlämmungszusammensetzung in die Opferform 64 ohne wesentliche Verformung oder sonstige Beschädigung an der Opferform 64.
Z.B. enthält eine Aufschlämmungszusammensetzung in einer Ausführungsform etwa 30 Volumenprozent eines Bindemittels und etwa 70 Volumenprozent einer keramischen Zusammensetzung. Das Bindemittel ist eine Kombination aus etwa drei Teilen 1,3,5,7-Tetravinyltetramethylcyclotetrasiloxan auf vier Teile Methylhydrogenpolysiloxan. Die keramische Zusammensetzung enthält, bezogen auf das Volumen, etwa 14 Prozent feine Quarzglasteilchen von im Wesentlichen sphärischer Gestalt, etwa 53 Prozent grobe Quarzglasteilchen von im Wesentlichen sphärischer Gestalt, etwa 30 Prozent inerte Füllstoffteilchen (Zirkon) und etwa 1,5 Prozent Quarzstaubteilchen. Strontiumkarbonatpulver bei etwa 1,5 Prozent des Gewichts der keramischen Zusammensetzung wird als ein borfreier Dotierstoff verwendet, und Platin wird als der Katalysator verwendet. Die resultierende Aufschlämmungszusammensetzung weist eine Viskosität von weniger als 20 Poise auf, und ein keramischer Gegenstand, der aus der Aufschlämmungszusammensetzung in einer Opferform gegossen und gefeuert wird, zeigt eine lineare Schrumpfung von weniger als 1,5 Prozent.
Ausführungsformen der Aufschlämmungszusammensetzung, die hierin beschrieben sind, umfassen einen Teilchenpackungsentwurf, der grobe Quarzglasteilchen umfasst, und in einigen Ausführungsformen die Verwendung sphärischer Teilchen, die Vorteile gegenüber wenigstens einigen bekannten keramischen Zusammensetzungen bieten. Insbesondere ergibt die Verwendung von Ausführungsformen der Aufschlämmungszusammensetzung, um einen keramischen Gegenstand zu bilden, eine deutlich reduzierte Schrumpfung, einschließlich einer reduzierten differenziellen Schrumpfung, und somit eine reduzierte Rissbildung des keramischen Gegenstands während des Brennens und/oder einer nachfolgenden Verwendung, wie etwa zum Gießen einer Metallkomponente. Auch insbesondere ermöglichen die Ausführungsformen eine deutliche Reduktion der Viskosität der Aufschlämmungszusammensetzung in Kombination mit erhöhtem Feststoffgehalt der Aufschlämmungszusammensetzung, was z.B. weniger Wölbungs-/ Fülldefekte in einer Opferkernform, in die die Aufschlämmungszusammensetzung eingespritzt wird, und eine erhöhte Festigkeit des gebrannten keramischen Gegenstands zur Folge hat.
Ein beispielhafter technischer Effekt der hierin beschriebenen Verfahren, Systeme und Vorrichtungen enthält wenigstens eines von: (a) reduzierte Schrumpfung eines keramischen Gegenstands während eines Brennvorgangs oder während einer Verwendung des Gegenstands zum Gießen einer Metallkomponente, was engere Dimensionstoleranzen für die Metallkomponente ergibt; (b) reduzierte differenzielle Schrumpfung von dickeren oder dünneren Abschnitten eines keramischen Gegenstands während eines Brennvorgangs, was eine reduzierte Rissbildung und eine höhere keramische Gegenstandsausbeute zur Folge hat; und (c) erhebliche Reduktion der Viskosität der Aufschlämmungszusammensetzung in Kombination mit erhöhtem Feststoffgehalt der Aufschlämmungszusammensetzung, was weniger Wölbungs-/ Fülldefekte in einer Opferkernform mit der darin injizierten Aufschlämmungszusammensetzung und eine erhöhte Festigkeit eine keramischen Gegenstands zur Folge hat.
Beispielhafte Ausführungsformen von Aufschlämmungszusammensetzungen zur Verwendung bei der Bildung keramischer Gegenstände sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Die Aufschlämmungszusammensetzungen und die Verwendung derartiger Aufschlämmungszusammensetzungen sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten von Zusammensetzungen und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden können. Z.B. können die beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit vielen weiteren Anwendungen implementiert und verwendet werden, die derzeit eingerichtet sind, um keramische Gegenstände zu verwenden, die aus Aufschlämmungszusammensetzungen gebildet werden.
Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen veranschaulicht sein können und in anderen nicht, ist dies lediglich der Einfachheit wegen. Gemäß den Prinzipien der Offenbarung kann jedes beliebige Merkmal aus einer Zeichnung in Kombination mit jedem beliebigen Merkmale irgendeiner anderen Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Ausführungsformen, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Ausführungsformen in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Offenbarung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Eine Aufschlämmungszusammensetzung enthält, bezogen auf das Volumen, eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Prozent und ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Prozent, zuzüglich eines Platingruppenmetall-Katalysators und eines Dotierstoffs. Die keramische Zusammensetzung enthält, bezogen auf das Volumen der keramischen Zusammensetzung, feine Quarzglasteilchen mit einer Teilchengröße d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7## µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Prozent; grobe Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm, in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Prozent; inerte Füllstoffteilchen mit einem d₅₀ von etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Prozent; und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Prozent.
Bezugszeichenliste

26: CAD-Model
30: CNC-Maschine
36: Flüssigharz
52: Komponente
56: wenigstens eine innere Wand
58: äußere Wand
60: wenigstens ein innerer Hohlraum
62: wenigstens ein innerer Hohlraum
64: Opferform

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7413001 [0031, 0063]
US 7287573 [0031, 0042, 0060]
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US 3715334 [0040]
US 3775452 [0040]
US 3220972 [0040]
US 3516946 [0040]
US 4288345 [0040]
US 4421903 [0040]
US 7732526 [0042]

Claims

Aufschlämmungszusammensetzung, die aufweist: eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung; ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung; einen Platingruppenmetall-Katalysator; und einen Dotierstoff; wobei die keramische Zusammensetzung aufweist: feine Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7 µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; grobe Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm, in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; inerte Füllstoffteilchen mit einem d₅₀ von etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung.
Aufschlämmungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Platingruppenmetall-Katalysator in einer Menge von etwa 0,0035 bis etwa 0,0075 Gewichtsprozent der Aufschlämmungszusammensetzung vorhanden ist; und/oder wobei der Dotierstoff in einer Menge von etwa 0,075 bis etwa 2,000 Gewichtsprozent der keramischen Zusammensetzung vorhanden ist.
Aufschlämmungszusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner ein Dispersionsmittel aufweist.
Aufschlämmungszusammensetzung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein kombiniertes Volumen aus den feinen Quarzglasteilchen und den groben Quarzglasteilchen wenigstens 80% sphärische Teilchen, vorzugsweise wenigstens 95% sphärische Teilchen aufweist.
Aufschlämmungszusammensetzung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die inerten Frühstoffteilchen aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Zirkonteilchen, Aluminiumoxidteilchen, Quarzteilchen und deren Mischungen besteht.
Aufschlämmungszusammensetzung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel 1,3,5,7-Tetravinyltetramethylcyclotetrasiloxan, Methylhydrogenpolysiloxan oder eine Kombination von diesen aufweist.
Aufschlämmungszusammensetzung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dotierstoff eine Alkalimetall-Kationenquellen, eine Erdalkalimetall-Kationenquelle oder eine Kombination von diesen aufweist; und/oder wobei der Dotierstoff ein Alkalimetallborat, ein Alkalimetallkarbonat, ein Alkalimetalloxid, ein Alkalimetallsilikat, ein Alkalimetallhydroxid, ein Alkalimetallnitrat, ein Erdalkalimetallkarbonat, ein Erdalkalimetalloxid, ein Erdalkalimetallsilikat, ein Erdalkalimetallnitrat oder eine Kombination von diesen aufweist; und/oder wobei der Dotierstoff eine borfreie Zusammensetzung ist.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Gießkerns für eine hohle Komponente (52), das aufweist: Bereitstellen einer Aufschlämmungszusammensetzung, wobei die Aufschlämmungszusammensetzung aufweist: eine keramische Zusammensetzung in einer Menge von etwa 60 bis etwa 75 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung; ein Bindemittel in einer Menge von etwa 25 bis etwa 40 Volumenprozent der Aufschlämmungszusammensetzung; einen Platingruppenmetall-Katalysator; und einen Dotierstoff; wobei die keramische Zusammensetzung aufweist: feine Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 4 µm bis etwa 7 µm, in einer Menge von etwa 7 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; grobe Quarzglasteilchen mit einem d₅₀ von etwa 25 µm bis etwa 33 µm, in einer Menge von etwa 29 bis etwa 60 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; inerte Füllstoffteilchen mit einem d₅₀ von etwa 5 µm bis etwa 25 µm, in einer Menge von etwa 8 bis etwa 40 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; und Quarzstaubteilchen in einer Menge von bis zu etwa 15 Volumenprozent der keramischen Zusammensetzung; und Härten der Aufschlämmungszusammensetzung, um den keramischen Gießkern zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner ein Einleiten der Aufschlämmungszusammensetzung in wenigstens einen inneren Hohlraum (60, 62) einer einstückigen Opferform (64) aufweist, wobei die Form eine äußere Wand (58) und den wenigstens einen inneren Hohlraum enthält, die Merkmalen der Komponente (52) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Entfernen der Form (64) aufweist, indem die Form eine Umgebung ausgesetzt wird, die angepasst ist, um die Form zu zerstören und dabei den keramischen Gießkern unversehrt zu belassen; wobei das Verfahren vorzugsweise ferner nach dem Entfernen der Form (64) ein Durchführen eines Feingussprozesses unter Verwendung des keramischen Gießkerns als ein Teil einer Schalenform-Kern-Anordnung zur Bildung der Komponente (52) aufweist.