Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines
keramischen Kerns und insbesondere eines ungebrannten (grünen) keramischen
Kerns zur Verwendung beim Gießen geschmolzener metallischer Materialien.
Die meisten Hersteller von Gasturbinentriebwerken befassen sich mit im Ge
nauguss hergestellten Turbinenschaufeln (d. h. Laufschaufeln oder Leitschaufeln),
die Luft-Kühlkanäle enthalten, um den Wirkungsgrad der Schaufelkühlung zu
verbessern und dadurch einen größeren Triebwerksschub und eine ausreichende
Lebensdauer der Schaufeln zu ermöglichen. Innere Kühlkanäle werden beim Gie
ßen der Schaufelflügel gebildet, indem ein oder mehrere dünne keramische Kerne in
Schaufelform verwendet werden, die in einer keramischen Maskenform angeordnet
werden. Das geschmolzene Metall wird dann in die Form um den Kern herum ge
gossen. Nachdem das geschmolzene Metall erstarrt, werden die Form und der Kern
entfernt, um einen gegossenen Schaufelflügel mit einem oder mehreren inneren Ka
nälen dort, wo sich die Kerne vorher befanden, übrig zu lassen.
Bei der Herstellung des keramischen Kerns wird typischerweise eine plastifi
zierte keramische Verbindung verwendet, die Keramikmehl, ein organisches wär
mehärtendes und/oder thermoplastisches Bindemittel und weitere Zusätze aufweist.
Die keramische Verbindung wird durch Spritzgießen oder Transfergießen bei er
höhter Temperatur in eine Kernform eingebracht. Wenn der grüne (ungebrannte)
Kern aus der Form entfernt wird, wird er typischerweise zwischen einem oberen
und unteren Setzglied eingesetzt, um auf Umgebungstemperatur abzukühlen, ehe
der Kern feinbearbeitet und ausgemessen und bei einer höheren Sintertemperatur
gebrannt wird.
Der grüne Kern kann sich auf Grund von Verspannungen verformen, welche
im Kern aufgrund des Gießvorganges und/oder der Kühlung auf Umgebungstempe
ratur entstehen. Verformungen stellen ein besonderes Problem im Bereich der
Schaufelhinterkante dar, da diese einen relativ dünnen Querschnitt hat und sich da
her leicht verformen kann. Die grünen keramischen Kerne können daher beträchtli
che Abmessungsschwankungen von einem Kern zum andern in einem Produkti
onslauf haben. Außerdem kann es zu einem fehlerhaften Kontakt zwischen dem
grünen Kern und dem oberen oder unteren Setzglied kommen, so dass auch aus die
sem Grund Abmessungsschwankungen von einem Kern zum nächsten in einem
Produktionslauf auftreten können.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Behandeln
eines keramischen Kerns anzugeben, bei dem Verformungen des Kerns verringert
und der Ausschuss an Kernen, die nicht innerhalb bestimmter Abmessungstoleran
zen liegen, reduziert wird.
Zum Erreichen dieses Ziels schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Behandeln eines keramischen Kerns, bei dem ein mit einem Bindemittel verse
hener ungebrannter keramischer Kern auf mindestens einem Setzglied angeordnet
wird, das Setzglied mit dem darauf befindlichen grünen keramischen Kern auf
einem Förderer angeordnet wird und dann das Setzglied und der grüne keramische
Kern mit dem Förderer durch den Ofen gefördert werden, um das Setzglied und den
grünen keramischen Kern auf eine überatmosphärische Temperatur zu erwärmen.
Durch eine derartige Erwärmung des grünen keramischen Kerns wird der Kern an
eine Oberfläche des Setzgliedes angepasst, wodurch die Verformung des Kerns ver
ringert und die Ausbeute an Kernen innerhalb vorgegebener Abmessungstoleranzen
vergrößert wird. Zu diesem Zweck werden das Setzglied und der grüne keramische
Kern vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, die der Erweichungstemperatur
des in dem gegossenen grünen Kern vorhandenen Bindemittels entspricht oder dar
über liegt. Jeder der grünen keramischen Kerne wird in der Weise behandelt, dass
der Kern auf ein entsprechendes Setzglied angeordnet wird und das Setzglied zu
sammen mit dem Kern auf einem Förderer angeordnet wird, um nacheinander oder
Seite an Seite durch den Ofen transportiert zu werden.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Fördergeschwindigkeit des Förderers so gesteuert wird, dass das Setzglied und
der ungebrannte keramische Kern die besagte überatmosphärische Temperatur er
reichen, wenn sie sich im Bereich einer Auslassöffnung des Ofens befinden. Das
Setzglied und der grüne keramische Kern werden nach dem Verlassen des Ofens
vom Förderer entfernt, so dass das Setzglied und der grüne keramische Kern auf
Umgebungstemperatur abkühlen können. Das Setzglied gibt an den grünen kerami
schen Kern Wärme ab, nachdem sie den Ofen verlassen haben und während sie auf
Umgebungstemperatur abkühlen. Dies hat den Vorteil, dass die Zeit, die zum Er
wärmen des grünen keramischen Kerns im Ofen erforderlich ist, reduziert wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgese
hen, dass der ungebrannte keramische Kern zwischen ein oberes Setzglied und ein
unteres Setzglied eingesetzt und zusammen mit dem oberen und unteren Setzglied
durch den Ofen gefördert wird.
Die Erfindung ist besonders geeignet zur Behandlung eines grünen kerami
schen Kerns, der einen Tragflügelbereich mit einer Hinterkante eines relativ dünnen
Querschnitts umfasst, welche dazu neigt, sich nach dem Entfernen aus einer Kern
form zu verformen. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum
Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung;
Fig. 1A eine vergrößerte Ansicht des oberen und unteren Setzgliedes, zwi
schen denen ein grüner keramischer Kern angeordnet ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines typischen grünen keramischen
Kerns, der gemäß der Erfindung behandelt werden kann;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die gemessene Temperatur zwischen dem
oberen und unteren Setzglied entsprechend der Lage des grünen keramischen Kerns
auf der rechten und linken Seite des Förderers bei ihrer Bewegung durch den Ofen
über der Zeit aufgetragen ist.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden lediglich zu Veranschau
lichungszwecken im Zusammenhang mit keramischen Kernen beschrieben, die
durch herkömmliches Spritzgießen, Transfergießen oder andere kernformende
Techniken hergestellt werden, bei denen eine plastifizierte keramische Verbindung
in eine Kernform eingebracht wird. Ein derartiger keramischer Kern wird in der
Weise gegossen, dass die keramische Verbindung, die ein keramisches Pulver (z. B.
Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zirkon, Zirkonoxid, usw., Fluor) ein organisches
Bindemittel (z. B. ein wärmehärtendes Bindemittel, ein thermoplastisches oder ver
netzendes thermoplastisches Bindemittel und Gemische derselben) und verschie
dene Additive umfasst, in eine Form bei überatmosphärischer Temperatur einge
spritzt wird, um einen grünen Kern zu bilden. Das spezielle keramische Pulver, das
organische Bindemittel und die Zusätze, die die keramische Verbindung bilden,
kann aus herkömmlichen Materialien ausgewählt werden, welche zu diesem Zweck
zur Verfügung stehen und verwendet werden und die als solche keinen Teil der
vorliegenden Erfindung bilden.
Ein typisches wärmehärtendes Harzbindemittel, das verwendet werden kann,
ist das von General Electric Co. angebotene SR 360, das einen Erweichungspunkt
bzw. eine Erweichungstemperatur oberhalb ungefähr 93°C, z. B. ungefähr 121°C
(200°F bzw. 250°F) hat, nachdem der grüne Kern 10 bei einer Temperatur von bei
spielsweise 149°C (300°F) begossen wurde. Das bedeutet, dass das wärmehärtende
Harzbindemittel sich während des Gießens des keramischen Kerns bis zu einem
gewissen Grad vernetzt, um in der Kernform eine entsprechende Gestalt anzuneh
men, wodurch seine Erweichungstemperatur auf einen Wert erhöht wird, der größer
ist als die Erweichungstemperatur des vorrätig gehaltenen Harzbindemittels. Wenn
der gegossene grüne Kern 10 anschließend über den Erweichungspunkt bzw. die
Erweichungstemperatur des im Kern 10 vorhandenen Bindemittels erwärmt wird,
lässt das Bindemittel es zu, dass der grüne Kern 10 nachgiebig wird und innere
Spannungen abbaut und sich unter dem Gewicht eines oberen Setzgliedes 40 an
Oberflächen 40a, 42a des starren oberen und unteren Setzgliedes 40, 42 (setter) an
passt, um eine gewünschte Kernkonfiguration anzunehmen. Die Erfindung ist je
doch nicht auf ein spezielles wärmehärtendes und/oder thermoplastisches Harzbin
demittel beschränkt, da auch andere organische Bindemittel, die bei einer höheren
überatmosphärischen Temperatur erweichen, bei der Ausführung der Erfindung
verwendet werden können. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4 837 187
ein Kernmaterial auf Aluminiumoxidbasis mit einem thermoplastischen Bindemit
telsystem auf Wachsbasis zum Einspritzen in eine Kernform, um einen grünen Kern
herzustellen.
Es wird nun auf die Fig. 1 und 1A Bezug genommen. Ein grüner kerami
scher Kern 10, der aus einer Kernform (nicht gezeigt) entfernt wurde, ist, wie sche
matisch angedeutet, zwischen einem oberen starren Setzglied 40 und einem unteren
starren Setzglied 42 angeordnet. Der grüne Kern 10 kann zwischen den Setzgliedern
40, 42 eingesetzt werden, wenn er noch die Gießtemperatur von z. B. 149°C (300°F)
nach dem Entfernen aus der Kernform hat oder nachdem er auf Raumtemperatur
abgekühlt ist. Ein grüner keramischer Kern 10 zur Verwendung beim Gießen einer
Gasturbinenschaufel aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis ist in
Fig. 2 dargestellt. Der Kern 10 hat eine Anordnung innerer Kühlkanäle, die beim
Gießen der Turbinenschaufel gebildet werden. Der Kern 10 hat, wie dargestellt,
einen Schaufelfußbereich 12 und einen Schaufelflügelbereich 14. Der Schaufelflü
gelbereich 14 hat eine Vorderkante 16 und eine Hinterkante 16 eines relativ dünnen
Querschnitts, der zur Verformung neigt. Öffnungen oder Schlitze 20 unterschiedli
cher Form und Abmessungen können in dem Kern 10 vorgesehen werden, um
längsverlaufende Wände, abgerundete Vorsprünge und andere Merkmale im Inne
ren der gegossenen Turbinenschaufel zu bilden wie an sich bekannt ist. Der Kern 10
hat eine konvexe Seite S1 und eine gegenüberliegende konkave Seite S2, wie dies
ebenfalls bekannt ist. Die Seiten S1 und S2 weisen typischerweise komplizierte
Oberflächenmerkmale wie z. B. Rippen, Vorsprünge, Leitflächen, Turbulenzglieder
u. dgl. auf. Die Hinterkante 18 läuft in einer sehr dünnen Kante aus, die zu Verwöl
bungen oder anderen Verformungen neigt.
Das starre obere und untere Setzglied 40 bzw. 42 kann aus Metall, Kunststoff
(z. B. REN-Kunststoff der Firma Ciba Geigy Company), Keramik oder einem ande
ren relativ starren/steifen Material bestehen. Die Setzglieder haben entsprechende
innere kernaufnehmende Oberflächen 40a, 42a, die dem äußersten Profil bzw. der
äußersten Kontur der entsprechenden Seiten S1 und S2 des grünen keramischen
Kerns 10 entsprechen und zwischen sich einen Hohlraum zur Aufnahme des grünen
Kerns 10 bilden. Die konturierten Oberflächen 40a, 42a der Setzglieder sind jeweils
eben und besitzen keine Oberflächengestaltungsmerkmale wie Vorsprünge, Turbu
lenzglieder oder dgl., wie sie an dem gegossenen Kern 10 vorhanden sind.
Bei der Umsetzung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein grüner keramischer Kern 10 aus der Kernform (nicht gezeigt)
entfernt und auf das untere Setzglied 42 gelegt, während er noch vom Gießvorgang
heiß ist oder nachdem er auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Gussunebenhei
ten wie Gussgrate an der Kernoberfläche bzw. Seite S2, die mit der Oberfläche 42a
des Setzgliedes in Berührung kommen könnten und eine einwandfreie Positionie
rung des Kerns auf dem Setzglied 42 beeinträchtigen würden, werden durch
"Trimmen" entfernt, um eine einwandfreie und korrekte Positionierung des grünen
Kerns auf dem Setzglied 42 zu ermöglichen. Oberflächenunebenheiten des Kerns
können von Trennlinien in der Kernform herrühren. Eine andere Möglichkeit be
steht darin, das untere Setzglied 42 an entsprechenden Stellen auszusparen, um am
Kern 10 verbliebene Gussunebenheiten aufzunehmen. Das obere Setzglied 40 wird
dann in herkömmlicher Weise auf den Kern 10 gesetzt. Gussunebenheiten auf der
Seite S1 des Kerns, die mit der Oberfläche 40a des oberen Setzgliedes in Berührung
kommen und eine einwandfreie Positionierung des Kerns auf dem Setzglied. 40 be
einträchtigen könnten, werden durch Trimmen entfernt, um eine korrekte Positio
nierung des grünen Kerns auf dem Setzglied 4 zu ermöglichen. Die Setzglieder 40
und 42 haben einen oder mehrere Paare vorspringender und rückspringender Po
sitionierabschnitte B2, B1 (Fig. 1A), die zueinander passen, um die Setzglieder
relativ zueinander mit dem dazwischen angeordneten Kein 10 formschlüssig zu po
sitionieren. Das obere Setzglied 40 wird auf den grünen Kern 10 durch Schwerkraft
gehalten, wenngleich auch ein Klemmmechanismus (nicht gezeigt) zu diesem
Zweck verwendet werden kann. Parameter wie z. B. das Gewicht und Material der
Setzglieder, die Klemmkraft und dgl. können je nach dem verwendeten kerami
schen Kernmaterial und den betreffenden Kernbehandlungsparametern gewählt
werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf eine Verwendung sowohl in Verbin
dung mit einem oberen wie auch unteren Setzglied 40 bzw. 42. Beispielsweise kann
das obere Setzglied 40 weggelassen werden, solange der Kern 10 auf mindestens
einem Setzglied, d. h. dem unteren Setzglied 42, angeordnet und abgestützt wird,
insbesondere wenn das Material des keramischen Kerns ein thermoplastisches Bin
demittel enthält.
Beim Durchführen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Setzglieder 40, 42 mit dem dazwischen angeordneten Kern
10 auf einem endlosen Förderer 50 (Fig. 1) angeordnet, der durch einen her
kömmlichen Ofen 52 wie z. B. einem von einem elektrischen Widerstandselement
beheizten Konvektionsofen (ähnlich einem Pizzaofen) wandert. Der Ofen 52 hat
eine Einlassöffnung 52a und eine Auslassöffnung 52b, die in Richtung der Bewe
gung des Förderers ausgerichtet sind, wie durch den Pfeil A in Fig. 1 angedeutet
wird. Der Förderer kann ein herkömmliches metallisches Endlosband aufweisen,
welches um Rollen 53 läuft und von einem Motor 55 bewegt wird, der ein oder
beide Rollen 53 antreibt.
Mehrere grüne keramische Kerne 10 werden in der Weise behandelt, dass der
grüne Kern zwischen entsprechende Setzglieder 40, 42 eingesetzt wird und jede
Anordnung aus Setzgliedern 40, 42 und Kern 10 auf dem Förderer plaziert wird, um
nacheinander durch den Ofen 52 transportiert zu werden, wie in Fig. 1 schema
tisch dargestellt ist. Die Anordnungen aus Setzgliedern 40, 42 und Kern 10 sind in
Richtung des Pfeils A auf dem Förderer beabstandet, um für eine gleichmäßige Er
wärmung und Steuerung des Gewichts auf dem Förderband zu sorgen. Beispiels
weise kann ein Abstand zwischen den Enden von drei Zoll (oder ein anderer geeig
neter Abstand) zwischen benachbarten Anordnungen aus Setzgliedern 40, 42 und
Kern 10 auf den Förderer 50 vorgesehen werden. Die Anordnungen aus Setzglie
dern 40, 42 und Kern 10 können auch Seite an Seite auf dem Förderer 50 mit einem
seitlichen Abstand senkrecht zum Pfeil A zum selben Zweck positioniert werden.
Der Ofen 40 wird typischerweise von einer Bedienungsperson nach einem Pro
gramm gesteuert, wonach das Ofengebläse zuerst angedreht wird, dann der Förderer
50 auf eine vorgegebene Geschwindigkeit hochgefahren wird und hierauf die Heiz
vorrichtung des Ofens für eine vorgegebene Zeitdauer (z. B. 10 Minuten) einge
schaltet wird, um eine erwünschte innere Ofentemperatur zu erreichen, ehe die Be
dienungsperson damit beginnt, die Anordnungen aus Setzgliedern 40, 42 und Kern
10 eine nach dem anderen auf den sich bewegenden Förderer 50 zu legen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die
Fördergeschwindigkeit des Förderers 50 durch den Ofen 52 für eine bestimmte
Ofentemperatur so gesteuert, dass die Setzglieder 40, 42 und der dazwischen ange
ordnete grüne keramische Kern 10 auf die erwünschte überatmosphärische Tempe
ratur oberhalb der Erweichungstemperatur des im Kern enthaltenen organischen
Bindemittels im Bereich der Auslassöffnung 52b des Ofens erwärmt sind.
Beispielsweise wurde die Temperatur in dem Hohlraum (leeren Hohlraum)
zwischen dem ersten und zweiten Paar Setzglieder 40, 42, von dem ein Kern 10
aufgenommen wird, gemessen, während die Setzglieder 40, 42 Seite an Seite durch
den Ofen 52 mit einer vorgegebenen Fördergeschwindigkeit (z. B. 2 Zoll pro Mi
nute) und bei einer inneren Ofentemperatur von 149°C (300°F) gefördert wurden.
Ein Paar Setzglieder 40, 42 wurde auf der linken Seite des Förderers 50 angeordnet,
während ein anderes Paar Setzglieder 40, 42 auf der rechten Seite des Förderers 50
angeordnet wurde. Die Temperatur in dem leeren Hohlraum zwischen jedem Paar
Setzglieder 40, 42 wurde durch ein entsprechendes Thermoelement gemessen, das
jeweils in einem leeren Hohlraum zwischen dem entsprechenden ersten und zweiten
Paar Setzglieder 40, 42 vorgesehen war, die auf der linken Seite (siehe die kreis
förmigen Temperaturpunkte) und auf der rechten Seite (siehe die quadratischen
Temperaturpunkte) des Förderers 50 und somit des Ofens 52 lagen. Die Fig. 3
zeigt, dass die Temperatur in jedem leeren Hohlraum zwischen den entsprechenden
Paaren von Setzgliedern 40, 42 mit der Zeit größer wird, während die Setzglieder
durch den Ofen 52 transportiert werden, bis eine "Zieltemperatur" von 149°C
(300°F) nach 18 Minuten erreicht ist und die Setzglieder 40, 42 den Bereich der
Auslassöffnung 52b des Ofens 52 erreicht haben.
Für eine bestimmte Innentemperatur des Ofens wird die Fördergeschwindig
keit so gesteuert, dass die erwünschte überatmosphärische "Glühtemperatur" des
grünen Kerns 10 im Bereich der Auslassöffnung 52b des Ofens erreicht wird. Die
spezielle verwendete Fördergeschwindigkeit hängt von den Temperatureigenschaf
ten des Ofens 52, der Masse und der thermischen Leitfähigkeit des Kerns 10 und
der Setzglieder 40, 42 ab und kann empirisch bestimmt werden, um für die er
wünschte Temperatur im Bereich der Auslassöffnung 52b des Ofens zu sorgen.
Die oben erwähnte Zieltemperatur von 149°C (300°F) für den grünen Kern
10 zwischen den Setzgliedern 40, 42 wurde lediglich zur Veranschaulichungszwe
cken angeboten und wurde im Hinblick auf das oben erwähnte wärmehärtende
Kunststoffbindemittel (d. h. SR 360 der General Electric Co.) ausgewählt; es hat
eine Erweichungstemperatur oberhalb ungefähr 93°C (200°F), nachdem der Kern
gegossen wurde. Andere Zieltemperaturen wurden für andere organische Binde
mittel mit unterschiedlichen Erweichungstemperaturen, wenn das Bindemittel in
dem gegossenen grünen keramischen Kern vorhanden ist, gewählt werden. Nach
dem die Anordnungen aus den Setzgliedern 40, 42 und dem Kern 10 den Ofen 52
durch die Auslassöffnung 52b verlassen, werden sie vom Förderer 50 abgenommen
und auf einem Tisch 54 angeordnet, so dass die Setzglieder 40, 42 und der Kern 10
auf Umgebungstemperatur abkühlen können. Die heißen Setzglieder 40, 42 dienen
als Wärmequellen, die Wärme an den zwischen ihnen angeordneten grünen kerami
schen Kern 10 auf dem Tisch 54 abgeben. Die Verwendung der Setzglieder 40, 42
bietet die Möglichkeit, dem Kern 10 die korrekte Gestalt zu verleihen, während er
auf der überatmosphärischen Temperatur länger gehalten wird, als die Setzglied
masse abkühlt.
Das Erwärmen der grünen keramischen Kerne 10 in der oben beschriebenen
Weise hilft dabei mit, den Kern 10 in seiner Gestalt an die Oberflächen 40a, 42a der
Setzglieder 40, 42 anzupassen, um Verformungen des Kerns zu verringern, innere
Spannung des Kerns abzubauen und die Ausbeute an Kernen, die innerhalb vorge
gebener Abmessungstoleranzen liegen, zu erhöhen.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, die Setzglieder 40, 42 mit dem
Kern 10 auf die Solltemperatur im Bereich der Auslassöffnung 52b des Ofens zu
erwärmen. Beispielsweise können sie an jeder beliebigen Stelle oder Lage innerhalb
des Ofens 52 bei ihrer Förderung durch den Ofen 52 auf dem Förderer 50 auf die
Solltemperatur erwärmt werden. Eine Erwärmung, bei der die Setzglieder 40, 42
mit dem Kern 10 die Solltemperatur im Bereich der Auslassöffnung 52b erreichen,
hat jedoch den Vorteil, die Verweilzeit der Setzglieder 40, 42 mit dem Kern 10 im
Ofen 52 zu verringern.