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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter zur Herstellung von geschmolzenen
Materialien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen
Behälter,
der für
die Handhabung der Prozessumgebung optimiert ist, die bei der Herstellung
von geschmolzenen oder flüssigen
Metallen angetroffen wird, und deren Formen in Herstellungsgegenstände.
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Metallzusammensetzungen
mit dendritischen Strukturen bei Umgebungstemperaturen sind herkömmlicherweise
geschmolzen und daraufhin Hochdruck-Druckgussprozeduren unterworfen
worden. Diese herkömmlichen
Druckgussprozeduren sind insofern beschränkt, als sie Porosität, Schmelzverlust,
Kontamination, übermäßigem Abproduktanfall,
einem hohen Energieverbrauch, lang dauernden Einschaltzyklen, einer
begrenzten Formlebensdauer und beschränkten Formkonfigurationen unterliegen.
Herkömmliche
Prozessabläufe
fördern
außerdem
die Bildung einer Vielzahl von mikrostrukturellen Defekten, wie
etwa Porosität,
die daraufhin eine sekundäre
Verarbeitung der Gegenstände
erfordern und außerdem
zur Verwendung konservativer Konstruktionstechniken unter Bezug
auf ihre mechanischen Eigenschaften führen.
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Es
sind Prozesse zur Bildung von Metallzusammensetzungen bekannt, deren
Mikrostrukturen, wenn sie sich in einem halbfesten Zustand befinden,
aus verrundeten oder kugelförmigen
degenerierten dendritischen Partikeln bestehen, die durch eine kontinuierliche
flüssige
Phase umgeben sind. Dies steht im Gegensatz zur klassischen Gleichgewichtsmikrostruktur
von Dendriten, die durch eine kontinuierliche flüssige Phase umgeben sind. Diese
neuen Strukturen zeigen Nicht-Newtonsche Viskosität, eine
inverse Beziehung zwischen der Viskosität und der Scherrate. Die Materialien
selbst sind in diesem Zustand als thixotrope Materialien bekannt.
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Ein
Prozess zum Umsetzen einer dendritischen Zusammensetzung in ein
thixotropes Material sieht das Erwärmen der Materialzusammensetzung
bzw. Legierung vor (die nachfolgend der Einfachheit halber als "Legierung" bezeichnet ist),
auf eine Temperatur, die über
ihrer Liquidustemperatur liegt, woraufhin die flüssige Legierung einer Scher-
oder Rühreinwirkung
unterworfen wird, wenn sie in den Bereich des Zweiphasengleichgewichts
abgekühlt
wird. Eine Folge ausreichenden Rührens
bzw. Hin- und Herbewegens während
des Abkühlens
ist, dass die anfänglich
verfestigten Phasen der Legierung einen Kristallisationskern bilden
und als verrundete Primärpartikel
wachsen (im Gegensatz zu miteinander verbundenen dendritischen Partikeln).
Diese Primärfeststoffen
bestehen aus diskreten degenerierten dendritischen Kügelchen
und sind von einer Matrix aus einem unverfestigten Abschnitt des
flüssigen
Metalls bzw. der Legierung umgeben.
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Ein
weiteres verfahren zum Bilden thixotroper Materialien sieht das
Erwärmen
der Legierung auf eine Temperatur vor, bei der ein Teil, jedoch
nicht die gesamte Legierung sich in flüssigem Zustand befindet. Die Legierung
kann daraufhin gerührt
bzw. hin- und herbewegt werden. Das Rühren setzt sämtliche
dendritische Partikel in degenerierte dendritische Kügelchen
um. In diesem Verfahren ist es bevorzugt, dass dann, wenn mit dem
Rühren
begonnen wird, das halbfeste Metall mehr flüssige als feste Phase enthält.
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Eine
Spritzgusstechnik unter Verwendung thixotroper Legierungen unter
Bereitstellung eines "quasi gegossenen" Zustands ist ebenfalls
bekannt. Mit dieser Technik wird das Zuführmaterial in einen Behälter zugeführt, in
dem es zusätzlich
erwärmt
und zumindest teilweise geschmolzen wird. Als nächstes wird die Legierung mechanisch
durch Einwirkung einer Rotationsschnecke, von Rotationsplatten oder
anderen Mitteln hin- und herbewegt. Wenn das Material verarbeitet
wird, wird es in den Behälter
vorgeschoben. Die Kombination aus partiellem Schmelzen und gleichzeitigem
Hin- und Herbewegen erzeugt eine Aufschlämmung aus der Legierung, enthaltend
diskrete degenerierte dendritische kugelförmige Partikel oder mit anderen
Worten einen halbfesten Zustand des Materials, das thixotrope Eigenschaften
aufweist. Die thixotrope Aufschlämmung
wird zu einer anderen Zone überführt, bei
der es sich um einen zweiten Behälter
handeln kann, der benachbart zu einer Düse angeordnet ist. Die Aufschlämmung kann
daran gehindert werden, aus der Düsenspitze auszulecken oder
zu tropfen durch kontrollierte Verfestigung eines festen Metallstopfens
aus dem Material in der Düse (durch
Steuern der Düsentemperatur).
Alternativ kann ein mechanisches oder ein anderes Abdichtungsschema
verwendet werden. Die abgedichtete Düse stellt einen Schutz für die Aufschlämmung vor
Oxidation dar bzw. vor Bildung von Oxid auf der Innenwandung der
Düse, das
anderweitig in das fertiggestellte geformte Teil eingetragen werden
würde.
Die abgedichtete Düse
dichtet außerdem
den Druckgusshohlraum auf der Einspitzseite ab, wodurch gegebenenfalls
die Verwendung von Unterdruck erleichtert wird, um den Druckgusshohlraum
zu evakuieren, was zu einer Erhöhung
der Komplexität
und Qualität
der derart geformten Teile führt.
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Sobald
sich eine geeignete Aufschlämmungsmenge
für die
Herstellung des Gegenstands in dieser Zone angesammelt hat, veranlasst
ein Kolben, eine Schnecke oder ein anderer Mechanismus das Material
dazu, in den Druckgusshohlraum eingespritzt zu werden, der den gewünschten
Feststoffgegenstand bildet. Derartige Guss- bzw. Einspritzmaschinen der vorstehend
genannten bzw. verwandter Varietäten
werden vorliegend als halbfeste Metallspritz(SSMI)formmaschinen
bezeichnet.
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Aktuell
führen
SSMI-Formmaschinen typischerweise einen Teil des Erwärmens des
Materials in einem Kessel der Maschine durch. Das Material wird
an einem Abschnitt des Kessels zugeführt, während sich dieser auf reduzierter
Temperatur befindet, und daraufhin auf eine Reihe von Erwärmungszonen
vorgeschoben, wobei die Temperatur des Materials rasch und zumindest
anfänglich
progressiv erhöht
wird. Die Heizelemente selbst, typischerweise Widerstands- oder
Induktionsheizer, der jeweiligen Zonen entlang dem Kessel können oder
können
nicht progressiv heißer
sein als die vorausgehenden Heizelemente. Hierdurch existiert ein
Wärmegradient
sowohl durch die Dicke des Kessels wie entlang der Länge des
Kessels.
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Eine
Kesselkonstruktion für
derartige Maschinen sieht vor, dass die Kessel als lange (bis hin
zu 27,94 cm) und dicke (Außendurchmesser
bis hin zu 27,94 cm mit 7,62 bis 10,16 cm dicken Wänden) monolithische Zylinder
gebildet sind. Da die Größe und die
Durchsatzkapazitäten
dieser Maschinen zugenommen haben, haben die Länge und Dicken des Kessels
entsprechend zugenommen. Dies hat zu erhöhten Wärmegradienten über die
ganzen Kessel geführt
und zu unvorhergesehenen und nicht zu erwartenden Konsequenzen.
Das primäre
Kesselmaterial, Knetlegierung 718 (mit einer begrenzenden Zusammensetzung
von: Nickel (plus Kobalt) 50,00–55,00%;
Chrom 17,00–21,00%;
Eisen als Rest; Kolumbium (plus Tantal) 4,75–5,50%; Molybdän 2,80–3,30%;
Titan 0,65–1,15%;
Aluminium 0,20–0,80%;
Kobalt max. 1,00%; Kohlenstoff max. 0,08%; Mangan max. 0,35%; Silizium
max. 0,35%; Phosphor max. 0,015%; Schwefel max. 0,015%; Bor max.
0,006%; Kupfer max. 0,30%), das zum Erstellen dieser Kessel verwendet
wurde, ist häufig
teuer und schwer erhältlich.
Außerdem
zeigt Legierung 718 ungünstige
Spannungsrisseigenschaften, unzureichende Längungseigenschaft und Phaseninstabilität.
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Feinkörnige Legierung
718 großer
Qualität
ist teuer und ausschließlich
als gegossener/gekneteter Rohling erhältlich, was ausgiebiges Bohren
und externe spanabhebende Bearbeitung erfordert, um komplexe Kessel
zu formen. Das Abmaterial an Le gierung 718, das anfällt, wenn
diese Route begangen wird, beträgt
bis hin zu 50%. Außerdem
ist Legierung 718 bei 600–700°C instabil
und neigt dazu, seine doppelt abgeschlichtete feine Gammahärtungsphase
in eine brüchige
Deltaphase zu transformieren. Stoßenergie (Charpy V-notch) und
Spannungsdruckfestigkeit können
dadurch beeinträchtigt
sein.
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Walmen
(Hipping, im Folgenden Hipping oder Hippen genannt) komplexer roher
Formen aus Legierung 718 ist erwünscht,
um die Ausbeute zu erhöhen
und Auskleidungen anzubringen. Gegossene/geknetete Legierung 718
leidet jedoch an einem Kornwachstum in große Körner aus ASTM Nr. 00. Stoßenergie
(Charpy V-notch) und Spannungsbruchfestigkeit können erneut beeinträchtigt sein.
Eine Pulvermetalllegierung 718 behält eine feinere Korngröße beim
Walmen (Hipping) bei; die Spannungsbrucheigenschaften (Lebensdauer
und Duktilität)
leiden jedoch weiterhin ernsthaft. Außerdem expandiert Thixomolding®,
ein halbfestes Metallspritzgießen
thixotroper Legierungen, in höheren
Temperaturlegierungen, die der Legierung 718 zusätzliche Instabilität verleihen.
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In
einigen Fällen
sind zu Bruch gegangene monolithische Kessel analysiert worden und
es wurde festgestellt, dass die Kessel als Ergebnis von Wärmespannung
zu Bruch gegangen waren und insbesondere als Ergebnis von Wärmeschock
im kalten bzw. Eingangsende der Kessel. Das kalte oder Eingangsende
eines Kessels bezeichnet vorliegend denjenigen Abschnitt bzw. dasjenige
Ende, an dem das Material zunächst
in den Behälter
bzw. Kessel gelangt. Genau in diesem Abschnitt treten die meisten
intensiven Wärmegradienten auf,
insbesondere in einem Zwischentemperaturbereich des kalten Abschnitts,
der stromabwärts
von der Stelle zu liegen kommt, an der das Material eintritt. Große gekörnte Legierung
718 ist speziell anfällig
für Rissbildung unter
diesen hohen Spannungsbedingungen.
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Während der
Verwendung einer SSMI-Formmaschine kann das feste Ausgangsmaterial,
das in Pellet- oder Chipform vorliegen kann, in den Kessel bei Umgebungstemperaturen
zugeführt
werden, ungefähr
bei 75°F.
Da sie lang und dick sind, sind die Kessel dieser Form maschinen
von Natur aus thermisch ineffizient zum Erwärmen eines in sie zugeführten Materials.
Durch den Zufluss von "kaltem" Ausgangsmaterial
wird ein Bereich des Kessels signifikant auf seiner Innenseite abgekühlt. Die
Außenseite
dieses Bereichs wird jedoch durch das Ausgangsmaterial nicht merklich
beeinflusst oder abgekühlt
auf Grund der Positionierung der Heizer um diesen Bereich herum.
Ein signifikanter Wärmegradient,
der über
die Dicke des Kessels gemessen ist, wird dadurch in diesen Bereich
des Kessels induziert. Ein Wärmegradient
wird außerdem
entlang der Kessellänge induziert.
In demjenigen Bereich des Kessels, in dem festgestellt wurde, dass
sich der höchste
Wärmegradient entwickelt,
wird der Kessel intensiver erwärmt
auf Grund des weniger häufigen "Ausschaltens" der Heizer.
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Innerhalb
des Kessels führt
Scherwirkung auf und Bewegung des Ausgangsmaterials in Längsrichtung durch
die verschiedenen Heizzonen des Kessels dazu, dass die Temperatur
des Ausgangsmaterials steigt, wobei ein Gleichgewicht auf einem
gewünschten
Pegel stattfindet, wenn es das gegenüberliegende bzw. heiße Ende
des Kessels erreicht. Am heißen
Ende des Kessels zeigt das verarbeitete Material Temperaturen üblicherweise
im Bereich von 1050–1100°F abhängig von
der speziellen verarbeiteten Legierung. Zur Verarbeitung von Magnesium
betragen die maximalen Temperaturen, denen die inneren Abschnitte
des Kessels unterworfen sind, etwa 1180°F. Das Äußere des Kessels kann bis hin
zu 1530°F
erwärmt
werden, um diese Temperaturen zu erzielen.
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Wenn
das Ausgangsmaterial erwärmt
wird, sieht die Innenseite des Kessels entsprechend eine Erhöhung ihrer
Temperatur. Diese Erhöhung
der Innenseitentemperaturen tritt bis zu einem bestimmten Ausmaß entlang
der gesamten Länge
des Kessels auf, einschließlich
demjenigen Abschnitt, der durch den Zufluss von kaltem Material
gekühlt
wird, an dem das Ausmaß geringer
ist.
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Sobald
sich eine ausreichende Materialmenge angesammelt hat und das Material
seine thixotropen Eigenschaften zeigt, wird das Material in den
Gusshohlraum injiziert, der eine Form in Übereinstimmung mit der Form
des gewünschten
herzustellenden Gegenstands aufweist. Zusätzliches Ausgangsmaterial wird
daraufhin oder kontinuierlich in den kalten Abschnitt des Kessels
eingeleitet, wodurch wiederum die Temperatur der Kesselinnenseite
gesenkt wird.
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Wie
die vorstehend angeführte
Diskussion demonstriert, erleidet die Innenseite des Kessels, insbesondere
in demjenigen Bereich des Kessels, in den das Ausgangsmaterial zugeführt wird,
einen zyklischen Ablauf seiner Temperatur während des Betriebs der SSMI-Formmaschine. Dieser
Wärmegradient
zwischen den Innen- und Außenseiten
des Kessels wurde als bis zu 350°C
ermittelt.
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Da
der Nickelgehalt der Legierung 718 einer Korrosion unterliegt durch
geschmolzenes Magnesium, bei dem es sich aktuell um das am Weitesten
verbreitet verwendete thixotrope Material handelt, sind die Behälter zur
Herstellung der thixotropen Legierung ausgekleidet worden mit einer
Hülse aus
magnesiumbeständigem
Material. Mehrere derartige bekannte Materialien sind Stellite 12
(nominell 30 Cr, 8,3 W und 1,4 C; StoodyDoloro-Stellite Corp.),
PM 0,80 Legierung (nominell 0,8 C, 27,81 Cr, 4,11 W, Rest Co mit
0,66 N) und Nb-basierte Legierungen (wie etwa Nb-30Ti-20W). Weitere
geschmolzene Materialien, wie etwa Aluminium, sind ebenfalls hochgradig
korrosiv und erosiv für
Materialien, die herkömmlicherweise
für Bestandteile
der Maschinen zur Bildung thixotroper Materialien oder zur anderweitigen
Verarbeitung dieser Legierungen verwendet werden.
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In
dem Fall, in dem Auskleidungen verwendet werden, müssen offensichtlich
die Expansionskoeffizienten des Behälters und der Auskleidung miteinander
kompatibel sein, damit die Maschine funktioniert. Ein Problem bei
ausgekleideten Behältern
betrifft das Delaminieren bzw. Ablösen der Auskleidung vom Rest
des Behälters
bzw. der Schale. Eine Analyse stark belasteter Kessel hat ergeben, dass
ein Spalt zwischen der Auskleidung und der Schale auftritt. Dieser
Spalt seinerseits führt
zu einer Verringerung des Wärmeübertragungswirkungsgrads
zwischen der Auskleidung und der Schale, was erfordert, dass noch
größere Temperaturen
an die Schale angelegt werden, wodurch größere Wärmegradienten im gesamten Behälter erzeugt
werden.
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Auf
Grund des signifikanten Pendelns des Wärmegradienten in dem Behälter erleidet
der Behälter Wärmeermüdung und
Schock. Dies kann zu einer Rissbildung in dem Behälter und
der Auskleidung führen. Sobald
in der Behälterauskleidung
Risse aufgetreten sind, kann verarbeitete Legierung in die Auskleidung
eindringen und den Behälter
angreifen. Sowohl die Rissbildung der Auskleidung wie das Angreifen
des Behälters durch
die Legierung haben nachgewiesenermaßen zu einem frühzeitigen
Ausfall der Kessel geführt.
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In
Reaktion auf die vorstehend aufgelisteten sowie weitere Nachteile
ist eine mehrteilige Kesselkonstruktion bereitgestellt worden, wobei
ein Abschnitt des Kessels für
die Zubereitung des thixotropen Materials und der andere Abschnitt
des Kessels für
die Anforderungen bei der Hochdruckformung ausgelegt sind. Diese Abschnitte
werden als kalte und heiße
Auslassabschnitte des Kessels bezeichnet und sie sind in unterschiedlicher
Weise konstruiert und miteinander verbunden.
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In
einer mehrteiligen Konstruktion ist der kalte Abschnitt mit einem
relativ dünnen
Materialabschnitt erstellt (was mit einer geringen. Spannungsfestigkeit
einhergeht). Dieses Material, das auch kostengünstiger sein kann als das Material
des heißen
Abschnitts, zeigt verbesserte Wärmeleitfähigkeit
und besitzt einen verringerten Wärmeausdehnungskoeffizienten
relativ zu dem Material des heißen
Abschnitts. Dieses Material zeigt auch gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
dem thixotropen Material, das verarbeitet werden soll. Mehrere bevorzugte
Materialien für
den kalten Abschnitt des Kessels sind Edelstahl 422, T-2888-Legierung
und Legierung 909, die ausgekleidet sein können mit einer Nb-basierten
Legierung (wie etwa Nb-30Ti-20W).
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Der
heiße
Abschnitt ist aus einem relativ dicken (und damit hochgradig spannungsfesten)
wärmeermüdungsbeständigem,
kriechbeständigem
und wärmeschockbeständigem Material
erstellt. Eine Konfiguration des heißen Abschnitts sieht die Verwendung
von feinkörniger
Legierung 718 mit einer gewalmten (hipped) Auskleidung aus einer
Nb-basierten Legierung,
wie etwa Nb-30Ti-20W, zu Gunsten niedriger Kosten und besserer Angriffbeständigkeit
in Bezug auf das zu verarbeitende Material vor.
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Ein
Düsenabschnitt
(der mit dem Ende des heißen
Abschnitts gegenüberliegend
zum kalten Abschnitt verbunden ist) kann in ähnlicher Weise erstellt sein,
damit Restmaterial in der Düse
in einen Dichtungsstopfen verfestigt werden kann. Anderweitig kann
die Düse
mit einem mechanischen Dichtungsmechanismus versehen sein.
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Aus
den amerikanischen Patenten
US
5,819,839 und
US 5,711,366 ist
je eine Gießkammer
für Thixogießen bekannt,
bei der eine äußere Schicht
eine korrosionsresistente Nb-basierte Schicht ist, an die sich für eine Innenschicht
ein anderes Material, gegebenenfalls mit Zwischenschicht aus einem
dritten Material anschließt.
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Während das
Problem großer
Wärmegradienten
in einem Behälter
vorstehend für
einige bestimmte Maschinen und Behälter für das halbfeste Metallspritzgießen erläutert worden
ist, wird das Problem großer Wärmegradienten
in einem Schmelz- bzw. Druckbehälter
in einer großen
Vielfalt von Metallformprozessen und -vorrichtungen angetroffen.
Während
die bekannten Kessel- oder andere Behälterkonstruktionen für ihren
beabsichtigten Zweck angemessen arbeiten, besteht nach wie vor ein
Bedarf an einer verbesserten Behälterkonstruktion,
die Wärmespannungen
minimiert und eine lange Lebensdauer bereitstellt unter höheren Betriebstemperaturen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dem vorstehend
genannten Bedarf nachzukommen durch Bereitstellen einer verbesserten
Behälterkonstruktion
zum Zubereiten von geschmolzenen oder halb geschmolzenen Metallen,
einschließlich,
jedoch nicht hierauf beschränkt,
Magnesium und Aluminium.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Konstruktion
mit verringerten Wärmespannungen
unter den vorstehend genannten höheren
Betriebsbedingungen zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Konstruktion
zu schaffen, die eine höhere
Lebensdauer selbst unter erhöhten
Betriebstemperaturen ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Konstruktion
mit verringerten statischen und zyklischen Wärmespannungen bereit zu stellen.
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Noch
eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Konstruktion
zu schaffen, die niedrige Kosten und hohe Produktionsraten erlaubt.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Einschritt-Hipping
von reinen Formkomponenten bzw. Nutzformkomponenten zu schaffen,
die sich durch einen guten Beanspruchungszeitstand, gute Duktilität und gute
Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
flüssigen
Metallen und Luft auszeichnen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Schale des aus Legierung 718 gebildeten Kessels durch eine stabilere,
oxidationsbeständige,
duktile feinkörnige
Legierung 720 oder eine Legierung ähnlicher Zusammensetzung zu
ersetzen.
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Zur
Lösung
der einen oder anderen oder sämtlicher
vorstehender Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung einen Behälter zur Verarbeitung
von Metallmaterial in geschmolzenem oder halb geschmolzenem Zustand
bereit. Der Behälter
seinerseits umfasst einen Körper,
der eine Kammer festlegt, in der das Material aufgenommen wird.
Zur Aufnahme des Materials ist in diesem Körper außerdem ein Einlass festgelegt.
Außerdem ist
zum Austragen des Materials aus der Kammer und aus dem Körper ein
Auslass in dem Körper
festgelegt. Der Körper
ist ferner aus einem Seitenwandabschnitt hergestellt, der aus drei
Schichten gebildet ist, einer Außenschicht, einer Innenschicht
und einer Zwischenschicht.
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Die
Außenschicht
ist aus einem ersten Material gebildet, die Innenschicht ist aus
einem vom ersten Material unterschiedlichen zweiten Material gebildet.
Außerdem
legt die Innenschicht die Innenseite der vorstehend genannten Kammer
fest. Angeordnet zwischen den Innen- und Außenschichten befindet sich
die Zwischenschicht. Diese Schicht ist aus einem sowohl vom ersten
wie vom zweiten Material unterschiedlichen dritten Material gebildet.
Das Material der Zwischenschicht ist weicher als das Material von
sowohl der Außenschicht
wie der Innenschicht und sie minimiert dadurch den Wärmegradienten,
der durch die Dicke des Behälters
sowie entlang der Länge
des Behälters
auftritt. Diese Schicht ist mit den Innen- und Außenschichten
verbunden und blockiert jegliche Flüssigmetallkorrosionsattacke
der äußeren Schicht.
Durch Reduzieren des Wärmegradienten
werden Belastungen bzw. Spannungen in dem Behälter ebenfalls reduziert und
hieraus resultiert eine entsprechende Erhöhung der Standzeit des Behälters.
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Eine
Modifikation des Härtungsmechanismus
für die
Legierung 718 ist geeignet, den Härtungsmechanismus zu stabilisieren
und die Deltaphasenpräzipitation
zu unterbinden. Dies erbringt Ni-basierte
Superlegierungen mit einer größeren Festigkeit
bei 600–750°C bei langer
Lebensdauer und Retention der Duktilität. Diese Legierungen, beispielsweise
Legierung 720, nutzen niedrigeres Nb und höheres Ti + Al zur Erzielung
einer stabilen Gammaprimärphase.
Diese bevorzugten Legierungen können
bei hohen Temperaturen (beispielsweise 1150°C) ohne ausgeprägtes Kornwachstum
gehippt werden, das in der gegossenen/gekneteten Legierung 718 angetroffen
wird, und ohne Beeinträchtigung
der Eigenschaften, die in der Pulvermetallurgielegierung 718 angetroffen
wird, ausgehend von Korngrenzenpräzipitaten. Dadurch können Dreischichtkonstruktionen
des Superlegierungskessels, eine Verbindungsschicht und eine Auskleidung
ein einem Schritt gehippt werden, um reine Formen herzustellen,
die wenig spanabhebende Bearbeitung und Materialverlust mit sich
bringen und damit kostengünstiger
sind.
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Einsätze für heiße Eingusskanäle und heiße Ausgusskanäle sowie
Schussbuchsen können
im selben Dreischichtformat erstellt werden.
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Weitere
Vorteile und weiterer Nutzen der vorliegenden Erfindung erschließt sich
dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an den sich die vorliegende
Erfindung wendet, aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
und den anliegenden Ansprüchen
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine allgemeine Ansicht einer Vorrichtung mit einem Abschnitt eines
Behälters
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, der genutzt wird, Ausgangsmaterial
in einen geschmolzenen und/oder halb geschmolzenen Zustand umzusetzen;
und
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts eines Behälters
mit Dreischichtkonstruktion in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen ist eine Maschine bzw. eine Vorrichtung
zum Verarbeiten von Metallmaterial in einen thixotropen Zustand
und Formen des Materials für
geformte, gegossene oder geschmiedete Gegenstände, aufgebaut in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, in der 1 allgemein
gezeigt und mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Im Gegensatz
zu typischen Guss- und Schmiedemaschinen ist die vorliegende Erfindung
ausge legt zur Verwendung eines festen Ausgangsmaterials aus Metall
oder Metalllegierung (nachfolgend der Einfachheit halber als "Legierung" bezeichnet). Dies
beseitigt die Notwendigkeit für einen
Schmelzofen beim Druckgießen
oder Schmieden.
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Während sie
in 1 in Verbindung mit der Vorrichtung 10 gezeigt
ist, wird bemerkt, dass die nachfolgend detailliert ausgeführte Behälterkonstruktion
auch auf Schmelzbehälter
anderer Maschinen anwendbar ist, die verwendet werden, um Metalle
zu schmelzen. Die vorliegende Erfindung ist deshalb nicht als beschränkt anzusehen
auf eine spezielle Maschinenkonstruktion, einen speziellen Prozess
zum Schmelzen von Metall und Legierungen oder zur Verwendung beim
Schmelzen von ausschließlich
bestimmten Metallen oder Legierungen.
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Die
Vorrichtung 10, die in 1 allgemein
gezeigt ist, umfasst einen Behälter
bzw. Kessel bzw. Fass bzw. eine Schusshülse 12, der bzw. das
bzw. die mit einer Form 16 verbunden ist. Wie nachfolgend
näher erläutert, enthält der Behälter 12 einen
Einlassabschnitt 14, einen Schussabschnitt 15 und
eine Auslassdüse 30. Ein
Einlass 18 ist im Einlassabschnitt 14 angeordnet
und ein Auslass 20 ist im Schussabschnitt 15 angeordnet. Der
Einlass 18 ist dazu ausgelegt, das Legierungsrohmaterial
(in Phantomlinien gezeigt) in fester partikelförmiger, palletierter oder Chipform
von einem Zuführtrichter 22 zu
empfangen, in dem das Ausgangsmaterial vorgeheizt werden kann.
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Es
wird vorweggenommen, dass die in der Vorrichtung 10 gebildeten
Gegenstände
eine beträchtlich geringere
Defektrate zeigen sowie geringere Porosität als nicht thixotrop geformte
oder herkömmlich
druckgegossene Gegenstände.
Es ist bekannt, dass durch Verringern der Porosität die Festigkeit
und Duktilität
des Gegenstands erhöht
werden können.
Jegliche Reduzierung von Gussdefekten sowie jegliche Verringerung
der Porosität
ist offensichtlich als wünschenswert
anzusehen.
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Eine
Gruppe von Legierungen, die zur Verarbeitung in der Vorrichtung 10 geeignet
sind, umfassen Magnesiumlegierungen und Al-, Zn-, Ti- und Cu-Legierungen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht als hierauf beschränkt anzusehen,
weil davon ausgegangen wird, dass jegliches Metall bzw. jegliche
Metalllegierung, die geeignet ist, in halbfestem oder flüssigem Zustand
verarbeitet zu werden, mit der vorliegenden Erfindung zusammen verwendbar
ist.
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Am
Boden bzw. an der Unterseite des Zuführtrichters 22 wird
das Rohmaterial durch einen Auslass 32 in einen volumetrischen
Zuführer
bzw. Zuführzylinder 38 ausgetragen.
Eine (nicht gezeigte) Zuführschnecke ist
in dem Zuführer 38 angeordnet
und wird durch einen geeigneten Antriebsmechanismus 40,
wie etwa einen Elektromotor, drehangetrieben. Die Rotation der Schnecke
innerhalb des Zuführers 38 schiebt
das Rohmaterial mit einer vorbestimmten Rate zur Zuführung in
das Fass 12 durch eine Überführungsleitung
oder einen Zuführschlund 42 und
dem Einlass 18 zu. Andere Mechanismen zum Bereitstellen
des Rohmaterials zum Einlass 18 können alternativ verwendet werden.
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Sobald
es in dem Behälter 12 aufgenommen
ist, erwärmen
Heizelemente 24 das Rohmaterial auf eine vorbestimmte Temperatur,
so dass das Metall in seinen Zweiphasenbereich gebracht wird. In
diesem Zweiphasenbereich befindet sich die Temperatur des Rohmaterials
in dem Behälter 12 zwischen
den Solidus- und Liquidustemperaturen der Legierung, es schmilzt
partiell und es befindet sich in einem Gleichgewichtszustand, der
sowohl feste wie flüssige
Phasen enthält.
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Die
Temperatursteuerung kann mit verschiedenen Arten von Heiz- oder
Kühlelementen 24 bereitgestellt
werden, um den beabsichtigen Zweck zu erzielen. Heiz-/Kühlelemente 24 sind
in 1 repräsentativ
gezeigt. Bevorzugt werden Induktionsheizspulen oder Bandwiderstandsheizer
eingesetzt.
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Eine
Temperatursteuerung in Form von Bandheizern 24 ist ferner
um die Düse
herum angeordnet, um zur Steuerung deren Temperatur beizutragen
und um die Bildung eines kritisch bemessenen festen Stopfens aus
der Legierung zu ermöglichen.
Der Stopfen verhindert das Heraustropfen der Legierung bzw. das
Zurückfließen von
Luft (Sauerstoff) oder Kontaminanten bzw. Schmutzstoffen in die
innere Schutzatmosphäre
(typischerweise Argon) der Vorrichtung 10. Ein derartiger
Stopfen erleichtert die Evakuierung der Form 16 bzw. das Leeren
dieser Form, wenn dies erwünscht
ist, beispielsweise für
vakuumunterstütztes
Formen. Alternativ zur Bildung eines Stopfens können mechanische Dichtungsmechanismen,
wie etwa Gleitschieber oder andere Ventile verwendet werden.
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Die
Vorrichtung kann außerdem
eine stationäre
Platte und eine bewegliche Platte enthalten, an der jeweils eine
stationäre
Formhälfte 16 und
eine bewegliche Formhälfte
angebracht sind. Die Formhälften
umfassen Innenseiten, die in Kombination einen Formhohlraum 100 in
Form des zu formenden Gegenstands festlegen. Der Formhohlraum 100 ist
mit der Düse 30 verbunden über einen
Ausgusskanal, ein Tor und einen Eingießkanal, die allgemein mit 102 bezeichnet
sind. Die Betätigung
der Form 16 ist im Übrigen
von herkömmlicher
Art und wird deshalb vorliegend nicht näher erläutert.
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Eine
hin und her laufende Schnecke 26 ist in dem Behälter 12 angeordnet
und wird ähnlich
dem Bohrer in Drehung versetzt, der in dem Zuführer 38 angeordnet
ist, und zwar durch einen geeigneten Antriebsmechanismus 44,
wie etwa durch einen Elektromotor, so dass Flügel 28 auf der Schnecke 26 Scherkräfte auf
die Legierung ausüben
und die Legierung durch den Behälter 12 in
Richtung zum Auslass 20 bewegen. Die Scherwirkung konditioniert
die Legierung in eine thixotrope Aufschlämmung, die aus Kügelchen
von verrundeten degenerierten dendritischen Strukturen besteht,
die durch eine flüssige
Phase umgeben sind. Als Alternative zu der Schnecke 26 können andere
Mechanismen oder Einrichtungen verwendet werden, um das Ausgangsmaterial
zu bewegen bzw. umzurühren
und/oder um das Ausgangsmaterial durch den Behälter 12 zu bewegen. Verschiedene
Arten sich drehender Platten sowie die Schwerkraft können diese
Funktionen ausführen.
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Während des
Betriebs der Vorrichtung 10 werden die Heizer 24 eingeschaltet,
um den Behälter 12 sorgfältig auf
ein gewünschtes
Temperaturprofil über
seine Länge
zu heizen. Zum Bilden von Teilen mit dünnem Querschnitt ist üblicherweise
ein hohes Temperaturprofil erforderlich, zum Bilden gemischter Teile
mit dünnem
und dickem Querschnitt ist ein mittleres Temperaturprofil erwünscht und
zum Bilden von Teilen mit dickem Querschnitt ist ein niedriges Temperaturprofil
erwünscht.
Sobald ein sorgfältiges
Erwärmen
vorliegt, betätigt
der Systemcontroller 34 den Antriebsmechanismus 40 des
Zuführers 38 und
veranlasst die Schnecke in dem Zuführer 38, sich zu drehen.
Diese Schnecke fördert
das Ausgangsmaterial ausgehend von dem Zuführtrichter 22 zu dem
Zuführschlund 42 und
in den Behälter 12 hinein
durch dessen Einlass 18. Falls erwünscht, wird ein Vorerwärmen des
Ausgangsmaterials durchgeführt
in entweder dem Zuführtrichter 22,
dem Zuführer 38 oder
dem Zuführschlund 42,
wie nachfolgend näher
erläutert.
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In
dem Behälter 12 wird
das Ausgangsmaterial durch die sich drehende Schnecke 26 in
Eingriff genommen, die durch den Antriebsmechanismus 44 in
Drehung versetzt ist, der seinerseits durch den Controller 34 betätigt ist.
Innerhalb der Bohrung 46 des Behälters 12 wird das
Ausgangsmaterial gefördert
und Scherkräften
unterworfen durch die Flügel 28 auf
der Schnecke 26. Wenn das Ausgangsmaterial den Behälter 12 durchläuft, wird
Wärme durch
die Heizer 24 zugeführt
und die Scherwirkung erhöht
die Temperatur des Ausgangsmaterials auf die gewünschte Temperatur zwischen
seinen Solidus- und Liquidustemperaturen. In diesem Temperaturbereich
wird das feste Ausgangsmaterial in einen halbfesten Zustand transformiert,
der aus der flüssigen
Phase von einigen seiner Bestandteile besteht, in denen eine feste
Phase des Rests seiner Bestandteile angeordnet ist. Die Rotation
bzw. Drehung der Schnecke 26 und der Flügel 28 dauert an,
um in die halbfeste Legie rung mit einer Rate Scherkraft einzuleiten,
die ausreicht, dendritisches Wachstum unter Bezug auf die festen
Partikel zu unterbinden, wodurch eine thixotrope Aufschlämmung erzeugt
wird.
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Die
Aufschlämmung
wird durch den Behälter 12 vorgerückt, bis
sich eine geeignete Menge der Aufschlämmung in dem vorderen Abschnitt 21 (dem
Ansammlungsbereich) des Behälters 12 angesammelt
hat. Die Schneckenrotation wird durch den Controller 34 unterbrochen,
der daraufhin einem Stellorgan 36 signalisiert, die Schnecke 26 vorzurücken und
die Legierung durch eine Düse 30 zu
drängen,
die mit dem Auslass 20 verbunden ist, und in die Form 16 hinein.
Die Schnecke 26 wird anfänglich auf eine Geschwindigkeit
von ungefähr
2,54 bis 12,7 cm/Sekunde beschleunigt. Ein (nicht gezeigtes) Rückschlagventil
verhindert, dass Material nach hinten in Richtung auf den Einlass 18 während des
Vorrückens
der Schnecke 26 fließt.
Dies führt zu
einer Kompaktierung der heißen
Charge im vorderen Abschnitt 21 des Behälters 12.
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Für die Düse 30 selbst
sind Konstruktionsmaterialien Legierungsstahl (wie etwa T-2888),
PM 0,8C-Legierungen und Nb-basierte Legierungen, wie etwa Nb-30Ti-20W.
In einer bevorzugten Konstruktion ist die Düse 30 monolithisch
gebildet aus einer der vorstehend genannten Legierungen. In einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Düse 30 aus
einer Legierung 720 gebildet und gekippt, um sie mit einer beständigen Innenfläche aus
Nb-basierter Legierung oder PM 0,8C-Legierung zu versehen.
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Wie
aus 2 hervorgeht, steht der Einlassabschnitt 14 des
Behälters 12 passend
im Eingriff mit dem Schussabschnitt 15, so dass eine kontinuierliche
Bohrung 46 kooperativ mit den Innenseiten 48, 50 des
Einlassabschnitts 14 und des Schussabschnitts 15 festgelegt
ist. Um die beiden Behälterabschnitte 14, 15 festzulegen,
ist der Schussabschnitt 15 mit einem radialen Flansch 52 versehen,
in dem Montagebohrungen 54 festgelegt sind. Entsprechende
Gewindebohrungen sind in dem Passabschnitt 58 des Behälter-Schussabschnitts 15 festgelegt.
Gewindebefestigungselemente 60, die durch die Bohrungen 54 in
den Flansch 52 eingesetzt sind, stehen im Gewindeeingriff
mit den Gewindebohrungen 56 und legen dadurch die Abschnitte 14, 15 aneinander
fest. Offensichtlich kann ein einteiliger Behälter anstelle des zweiteiligen
Behälters 23 verwendet
werden, wie in 1 gezeigt, sowie über seine
gesamte Länge
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung erstellt, wie nachfolgend näher erläutert.
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Die
Behälterkonstruktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung überwindet
die Nachteile des Standes der Technik durch Minimieren des Wärmegradienten,
der über
ihre Dicke erfahren wird sowie entlang ihrer Länge. Insbesondere unter Bezug
auf 2 umfasst der erfindungsgemäße Behälter 12 drei Schichten,
die als Außenschicht
bzw. Schale bzw. Hülle 62,
Zwischenschicht 64 und Auskleidung bzw. Innenschicht 66 bezeichnet werden.
Wie in 2 gezeigt, ist die Zwischenschicht 64 zwischen
der Außenschicht 62 und
der Innenschicht 66 angeordnet. Wie nachfolgend erläutert, minimiert
das Vorhandensein der Zwischenschicht 64 den radialen Wärmegradienten
durch die Dicke bzw. Wandstärke
des Behälters 12.
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Die
Zwischenschicht 64 ist insbesondere relativ weicher als
sowohl die Außenschicht 62 als
auch die Innenschicht 66. Die Zwischenschicht 64 verbindet
bevorzugt, muss dies jedoch nicht tun, die Außenschicht 62 des
Behälters 12 mit
der Innenschicht 66, und wenn sie verbunden sind, ist die
Zwischenschicht 64 bevorzugt mit der Außenschicht und der Innenschicht 66 durch
isostatisches Heißpressen
(Hipping) verbunden. Außerdem
verhindert die Anwesenheit einer Zwischenschicht 64 eine
Delaminierung der Außenschicht 62 von der
Innenschicht 66, wodurch die Gesamtstabilität der Behälterkonstruktion
erhöht
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Zwischenschicht
64 aus einer Legierung
aus niedrigem Kohlenstoffeisen gebildet. Alternativ können andere
Materialien verwendet werden, die mit der Außenschicht
62 bzw.
der Innenschicht
66 keine brüchige Schicht bilden. Ebenfalls
bevorzugt ist, dass die Zwischenschicht
64 korrosionsbeständig ist
gegenüber
Al, Mg bzw. Zn. Um die Standzeit der Behälterkonstruktion zu verbessern,
liegt die bevorzugte Dicke der Zwischenschicht
64 im Bereich
von 0,127 cm bis 0,381 cm, und besonders bevorzugt im Bereich von
1,524 bis 0,3048 cm. Die Tabelle I zeigt den Effekt der Zwischenschicht
64 auf
die Spannung bzw. Belastung, die der Behälter
12 erleidet. Tabelle
I Außenschicht
(Legierung 720) Innenschicht (T-20), A.
wie hergestellt
B.
Flutzuführung ΔT = 273°F
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Tabelle
I zeigt, dass das Vorhandensein der Zwischenschicht
64 die
Spannung sowohl auf der Innenschicht
66 wie der Außenschicht
62 sowohl
während
der Herstellung wie des Betriebs reduziert. Die Tabelle II zeigt
zusätzlich
den Effekt der Zwischenschicht
64 auf die Spannung auf
unter Verwendung eines Behälters mit
einer 4,699 cm dicken gehippten 720-Außenschicht bei 0,508 cm dicker
Stelliteinnenschicht. Die Werte in der Tabelle wurden bei einem
vollen Start mit ΔT
= 403°F
gemessen. Tabelle
II
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Die
Außenschicht
62 bildet
die am Weitesten außen
liegende Schicht des Behälters
12.
Bevorzugt hat das Vorhandensein der Zwischenschicht
64 es
erlaubt, dass das in der Außenschichtkonstruktion
verwendete Material ersetzt wird durch Material, das folgende Eigenschaften
besitzt: Verringerte Korngröße nach
Hipping; verbesserte Spannungsrisseigenschaften; kein Erweichen
bzw. kein Brüchigwerden
durch Präzipitation
einer brüchigen
Deltaphase; einen niedrigen Wärmekoeffizienten;
eine erhöhte
Beständigkeit
gegenüber
Oxidation und oxidationsbeschleunigte Ermüdung. Ein bevorzugtes Material,
das die vorstehend genannten Eigenschaften besitzt, ist feinkörnige Legierung
720. Legierung ähnlich
der Legierung 720, wie etwa Legierung 718 und Legierung 720 sind
in der Tabelle III aufgeführt. Tabelle
III Vergleich
von Eigenschaften der Legierung 718 mit anderen Superlegierungen,
wie etwa 720
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Die
vorstehend angeführte
Tabelle III zeigt die überlegenen
Eigenschaften der Superlegierung 720 im Vergleich zur Legierung
718 und weiteren Legierungen allgemein ähnlich zur Legierung 720 auf.
Alternativ können
andere Legierungen verwendet werden, die ähnliche Zusammensetzungen und
Eigenschaften zeigen. Typischerweise beträgt der Zusammensetzungsbereich
dieser bevorzugten Superlegierungen >10% Cr, >7,5%
Co, >2,5% Mo, 0–6% W, <4% Nb, >2% Al, >2,4% Ti, >5,5% Al + Ti. Außerdem ist
die letztendliche Zugfestigkeit (UTS) bei 1200°F bevorzugt größer als
180 ksi und bei 1400°F
größer als
150 ksi. In ähnlicher
Weise ist die Formänderungsfestigkeit
(YS) bei 1200°F
bevorzugt größer als
140 ksi und bei 1400°F
größer als
130 ksi. Die Spannungsrissfestigkeit für 1000 Stunden bei 1200°F ist größer als
100 ksi und bei 1400°F
größer als 60
ksi. Die bevorzugte Legierung 720 zeigt reduzierte Korngröße nach
Hipping, eine Spannungsrisslebensdauer bei 1200°F von 430 Stunden bei stufenweiser
Belastung von 100 bis 130 ksi und 23% Längung. Außerdem unterliegt die Legierung
720 keinerlei Erweichung oder Brüchigwerden
bei Deltapräzipitation
in 50000 Stunden bei 1400°F
und sie besitzt außerdem
einen kleineren Wärmekoeffizienten
(CTE) von 13,7. Die Legierung 720 zeigt außerdem überlegene Oxidationsbeständigkeit
und Beständigkeit
gegenüber
oxidationsbeschleunigter Ermüdung
bei 1200°F
durch Reduzieren des Nb-Gehaltes und Erhöhen des Al-Gehalts.
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Die
Tabelle IV zeigt die Kriecheigenschaften und die Spannungsrisseigenschaften
der Legierungen 718 und 720 bei 1200°F. Wie aus dieser Tabelle hervorgeht,
zeigt die Legierung 720 eine höhere
Kriechbeständigkeit
und eine bessere Festigkeit als die Legierung 718. Außerdem vergleicht
die Tabelle V die Brüchigkeit
der instabilen Legierung 718 mit der stabilen niedrigen Nb Waspaloy
während
5000 Stunden simulierten Betriebs, wobei "RA" für die Flächenverringerung
steht und wobei "CVN" für Charpy
V-Notch-Zähigkeit
steht. Wie aus der Tabelle V hervorgeht, besitzt der Behälter
12 unter
Verwendung von Waspaloy einen vernachlässigbaren Verlust bezüglich CVN.
Andererseits zeigt die Legierung 718 einen scharfen CVN-Verlust,
der die Lebensdauer des Behälters
12 verringert. Tabelle
IV A.
Kriecheigenschaften
B.
Spannungsrisseigenschaften bei 1200°F
Tabelle
V
- *Nach 5000 Stunden bei 1300°F bzw. einem
Jahr Betrieb
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Das
Vorhandensein der Zwischenschicht 64 erlaubt es außerdem,
dass die Außenschichtdicke
verringert wird, wodurch die Wärmeübertragung
verbessert wird, die Spannung reduziert wird und der Wärmegradient über den
Behälter 12 reduziert
wird. Ohne die vorliegende Erfindung würde die Dicke der Außenschicht 62 typischerweise
im Bereich von 4,699 cm bis 9,34212 cm liegen.
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Unter
Einsatz der vorliegenden Erfindung wird die Nutzung einer Außenschichtdicke
von weniger als 4,699 cm möglich.
Es wird vorweggenommen, dass die Außenschichtdicken unter Nutzung
der Erfindung im Bereich von 2,54 bis weniger als 4,699 cm liegen,
und bevorzugt im Bereich von 3,175 bis 4,445 cm.
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Die
Tabelle VI zeigt die Auswirkung der Dicke der Außenschicht
62 auf
die Spannung auf den Behälter
12.
Für die
in der Tabelle VI aufgelisteten Daten sind die Materialien, die
zum Einsatz kommen, in der Außenschicht
62,
der Zwischenschicht
64 und der Innenschicht
66 jeweils
Legierung HIP 720 für
die Außenschicht 62,
0,508 cm, T-20 für
die Innenschicht
66 und 0,1524 cm, Eisen für die Zwischenschicht
64. Tabelle
VI Flutzufuhr
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Unter
Verwendung der vorstehend erläuterten
Zwischenschicht 64 sind Änderungen in der Zusammensetzung
der Innenschicht 66 und deren Konstruktion möglich. Insbesondere
sind verwendbar eine aus Bruch schmelzende Legierung für die Innenschicht 66 auf
Grundlage von Legierungselementen hoher peritektischer Temperatur
bzw. Schmelzpunkte in den Binärphasendiagrammen.
Derartiges hochschelmelzendes Metall und Elemente besitzen die folgenden
Merkmale: Einen kleinen Expansionskoeffizienten (und hieraus resul tierend
Verringerungen der Spannungen sowohl in der Innenschicht 66 wie
in der Außenschicht);
ein kleines Elastizitätsmodul
(E); hohe Wärmeleitfähigkeit;
gute Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
zu verarbeitendem Material; und verbesserte Festigkeit, Zähigkeit
und Härte.
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Das
erfindungsgemäße Material
für die
Innenschicht 66, insbesondere dann, wenn Mg, Al oder Zn
verarbeitet wird, ist eine Nb-Legierung,
insbesondere T-20, T-22 und T-23-Nb-Legierungen. Auf Grund der Zwischenschicht 64 kann
die Dicke der Innenschicht 66 deutlich verringert werden
ausgehend von einer aktuell verwendeten Dicke von 1,27 cm und größer. Mit
der vorliegenden Erfindung kann die Innenschichtdicke reduziert
werden unter 1,27 cm. Aus praktischen Gründen wird angenommen, dass
die untere Grenze bezüglich der
Innenschichtdicke etwa 0,381 cm beträgt, obwohl geringere Dicken
möglich
sein können.
Bevorzugt beträgt
der Innenschichtdickenbereich etwa 0,381 cm bis weniger als 1,27
cm, und stärker
bevorzugt liegt die Innenschichtdicke im Bereich von 0,381 cm bis
0,635 cm.
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Die
Tabelle VII zeigt die Auswirkung der Innenschichtzusammensetzung
der vorstehend genannten Nb-Legierungszusammensetzungen auf Wärmeschock
(TS) und kombinierte Spannungen. Tabelle
VII
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Die
Tabelle VIII zeigt die Auswirkung für den Effekt des Innenschichtmaterials
auf die Spannungen. Der erste Teil der Tabelle zeigt den Spannungswert
während
der Flutzuführung
bei ΔT =
273°F und
der zweite Teil der Tabelle betrifft den anfänglichen Vollleistungsstart
bei ΔT 403°F. Tabelle
VIII A.
Außenschicht,
4,699 cm und Legierung 718; Flutzuführung bei ΔT = 273°F
B.
Außenschicht,
4,699 cm und Legierung 718; Vollleistungsstart bei ΔT = 403°F
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Wie
aus den vorstehend angeführten
Tabellen hervorgeht, reduziert die Verwendung der Zwischenschicht 64 die
Spannung auf die Außenschicht 62 bzw.
die Innenschicht 66. Im Kern wirkt die Zwischenschicht 64 als
Pufferzone, wodurch ein vorzeitiges Reißen der Außenschicht 62 vermieden
wird.
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Die
Innenschichtdicke hat auch Auswirkung auf die Spannung und die Tabelle
IX zeigt diesen Effekt für
eine T-20-Innenschicht
66. Wie in den vorstehenden angeführten Tabellen
besteht die Außenschicht
62 aus Legierung
720 und sie ist 4,699 cm dick; die Innenschicht
60 besteht
aus T-20-Legierung und die Betriebsbedingungen sind Flutzuführung bei ΔT = 273°F. Tabelle
IX
-
Die
Dicken für
die Innenschicht 66 können
vergrößert werden
auf Werte über
0,508 cm; derartige Vergrößerungen
führen
jedoch zu einer Erhöhung
der Gesamtkosten des Behälters 12 und
führen
tatsächlich
zu einer Opferung der Festigkeit für den Behälter 12. Aus Vorstehendem
geht hervor, dass die vorliegende Erfindung zahlreiche Vorteile
und Nutzen bei der Konstruktion von Behältern zum Schmelzen von Metallen
und Legierungen bietet. Während
die vorstehend angeführte
Erläuterung
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft, wird bemerkt, dass die Erfindung Modifikationen,
Abwandlungen und Änderungen
zugänglich
ist, ohne vom Umfang des Schutzes abzuweichen, der durch die anliegenden
Ansprüche
festgelegt ist.
Tabelle V
