DE1533473C - Gießform zur Herstellung eines Ein kristall Gußstuckes, insbesondere einer Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gießform zur Herstellung eines Einkristall-Gußstückes, welches wesentlich langer als breit ist. Insbesondere handelt es sich dabei um Turbinenschaufeln.

Seit Jahrzehnten sind Gießformen bekannt, die auf einer Kühlplatte aufstehen, die von einer Heizeinrichtung umschlossen und unten offen sind. Diese Gießformen eignen sich zum Herstellen von Barren und Blöcken.

Für Turbinenschaufeln von Flugzeug-Düsentriebwerken benötigt man jedoch Gußstücke, die ganz besonders hohen Belastungen standhalten. Von Turbinenschaufeln verlangt man eine hohe Dauerfestigkeit. Weiter verlangt man eine außergewöhnlich hohe Widerstandsfestigkeit gegen schnelle Temperaturwechsel. Diese Temperaturwechsel, die einen Temperaturbereich zwischen normaler Außentemperatur und einer Turbineneinlaßtemperatur um 1100° C erfassen, müssen ohne Rißbildung überstanden werden.

Es hat sich gezeigt, daß eine aus einer Nickellegierung als Einkristall gegossene Schaufel, wobei die Hauptachse des Kristalls in der Schaufellängsriclitung orientiert ist, die gewünschte Festigkeit und Widerstandsfähigkeit aufweist.

Das Problem liegt darin, eine solche Turbinenschaufel zu gießen, die aus einem einzigen Kristall gebildet wird, dessen Hauptachse in der Schaufeilängsrichtung orientiert ist.

Mit der eingangs erläuterten bekannten Gießform läßt sich ein solches Einkristall-Gußstück nicht herstellen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Gießform so auszubilden, daß das genannte Einkristall-Gußstück mit ihr gegossen werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine solche Ausbildung der Gießform erreicht, bei der diese zwischen dem das Gußstück bildenden Formhohlraum und ihrem Fußtcil einen verengten, seitlich und nach oben gerichteten Durchlaß aufweist. Sinn und Zweck dieses ■Durchlasses ist es, ein von der Kühlplatte, auf dem daß Fußteil aufsteht, auslaufendes Kristall in seinem Wachstum so zu bevorzugen, daß ausschließlich dieser Kristall den eigentlichen Formhohlraum erreicht und diesen unter Bildung des gewünschten Einkristallcs ausfüllt. Kristalle, die neben diesem einzigen bevorzugten Kristall ausdcmFußtcil indcnFormhohlraum hineinwachsen wollen,.stoßen an der schräg verlaufenden oberen Wand des Durchlasses an und werden dort an einem Weiterwaehscn gehindert.

Gemäß einem weiteren Merkmal wird diese Bremswirkung des Durchlasses dadurch verbessert, daß der 'Querschnitt des Durchlasses kleiner als seine Höhe ist.

Zur Vereinfachung einer Massenfertigung der gewünschten Hinkristallgußstückc sieht die Erfindung schließlich noch vor, daß ein gemeinsames Fußteil und eine gemeinsame Einfüllölfnung mehreren Formhohlräumen und Durchlässen zugeordnet, ist. Hei dieser Aiisführungsform benötigt man damit nur eine einzige Einfüllöirnung, eine einzige Kühlplatte und eine einzige die Gießform umschließende Heizeinrichtung, um in einem einzigen Arbeitsgang gleichzeitig mehrere Einkrislallgußslücke zu erzeugen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden nun die in der Zeichnung dargestellten Ausfülmmgsformen beschrieben. Dabei ist

F i g. I ein Schnitt durch eine erste Ausführimgsform,

Fig. 2 ein Querschnitt durch den Durchlaß entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 ein Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 4 ein Schnitt durch den Durchlaß entlang der Schnittlinie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 ein Schnitt durch eine dritte Ausführungsform, bei der zwei Formhohlräume und zwei Durchlässe einem Fußteil und einer Einfüllöllhung züge-,

ίο ordnet sind und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Gießform unter gleichzeitiger Darstellung der Kristallformen in den verschiedenen Zonen der Form.
Die in Fig. 1 gezeigte Gießform steht auf einer Kühlplatte 22 auf. Sie umfaßt einen Fußteil 24, den schräg nach oben verlaufenden Durchlaß 26 und den eigentlichen Formhohlraum 28. Der Durchlaß 26 ist höher als breit und weist kreisförmigen Querschnitt auf.

Die in Fig. 3 gezeigte Gießform 30 steht ebenfalls auf einer Kühlplatte 22 auf. Sie umfaßt einen Fußteil 32, einen schräg nach oben verlaufenden Durchlaß 34, an den sich ein horizontal verlaufender Durchlaß 36 anschließt, und den eigentlichen Formhohlraum 38. Auch der Durchlaß 34 ist höher als breit. Er weist jedoch rechteckförmigcn Querschnitt auf. '-* ■

Fig. 5 zeigt die Ausführungsform, bei der zwei Formhohlräume 50 mit zwei schräg nach oben verlaufenden Durchlässen 56 ein einziges gemeinsames Fußteil 52 aufweisen, das auf einer einzigen Kühl-• platte 22 aufsteht. Beide Formhohlräume 50 sind an ihrem oberen Ende miteinander verbunden und weisen eine einzige gemeinsame EinfüllöfFnung 58 auf.

F i g. 6 zeigt schematisch ein Schema einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung. Fig. 6 umfaßt alle drei Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 5. Insbesondere.zeigt Fig. 6 die verschiedenen Stufen

des Kristallwachstums. .

Die in Fig. 6 gezeigte Gießvorrichtung befindet sich in einer Kammer, die entweder unter Vakuum steht oder mit einem Schutzgas, wie z.B. Argon, gefüllt ist. Der Fußteil 60 der Gießvorrichtung umschließt einen unteren Formhohlraum 61. An diesen schließt sich der schräg.nach oben gerichtete Durchlaß 63 an. Dieser Durchlaß geht in einen Formteil 62 über, an den sich ein den eigentlichen Formhohlraum 65 umschließender Abschnitt 64 anschließt.

5o-Das obere Ende der Form wird durch die EingußöfTnung 66 gebildet, in der sich der sogenannte Gießansatz 67 des Gußtciles ausbildet. Die Form steht auf

. einer Kühlplatte 22 auf. Im gezeigten Beispiel wird ■sie von einer aus Graphit bestehenden Wand 70

55^'umschlossen, die ihrerseits von.einer Heizvorrichtung in Form einer Induktionsspule 72 umschlossen wird. Diese wird mit Hochfrequenz gespeist.

Vor dem Gießvprgaiig wird, die Form auf die .Kühlplatte 22 aufgestellt. Dann wird die Kammer

evakuiert oder mit einem Schul/gas gefüllt und die Induktionsspule 72 an Spannung gelegt. Bei Er-' reichen tier Solltemperatur wird das auf Gießtcinperatur erhitzte, geschmolzene Metall in die Form gegossen. Dabei wird -die Kühlplatte 22 vcrhiiltnismäßig kühl gehalten, so daß in der Form ein Tcmperaturgefälle entsteht. Dieses 'rempcralurgcfälle führt zu dem gewünschten Kristallwachstum.
Wenn das Metall eine llächciv/.ciitiierte kubisch kri-

stalline Legierung ist, hat das Metall im unteren Formhohlraum 61 eine gerichtete, säulenförmige Kristallstruktur. Die Kristalle wachsen nach oben, wobei ein einziger Kristall in den verengten und schräg nach oben gerichteten Durchlaß 63 hineinwachsen kann. Dieser Kristall wächst in den eigentlichen Formhohlraum 65 hinein. Die (001) Kristallachse erstreckt sich dann im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Turbinenschaufel, die in der Form gegossen wurde. Die gerichtete Einkristall-Struktur erstr;ckt sich bis in die Eingußöffnung 66. Dort endel die gerichtete Erstarrung und Gießansatz 67, der später abgeschnitten wird, hat eine ungerichtete Erstarrung und eine polykristalline Struktur. Die Form selbst besteht, wie Fig. 6 andeutet, aus Keramik.

Beim Gießen wird also die geschmolzene Metalllegierung im unteren Formhohlraum 61, wo sie mit der Kühlplatte 22 in Berührung steht, sofort erstarren. Unmittelbar über der Kühlplatte 22 bildet sich eine sehr dünne Schicht mit ungerichteter Erstarrung, und polykristalliner Struktur. Diese Kristalle, deren Achsen in beliebiger Richtung verlaufen, ermöglichen ein schnelles nach oben gerichtetes Wachsen weiterer Kristalle, so daß die Kristalle im oberen Bereich des unteren Formhohlraumes'61 im wesentlichen gerichtet sind. Beim weiteren Kristallwachstum nach oben durch die sich abkühlende Metallschmelze wächst eine sich vermindernde Anzahl von Kristallen in den Durchlaß 63 hinein. Nur eins dieser Kristalle kann aus dem Durchlaß 63 hinaustreten, und wächst in den eigentlichen Formhohlraum 65 hinein. Der gesamte Formhohlraum 65 wird daher von einem einzigen Kristall ausgefüllt, das eine gerichtete Erstarrung erfahren hat.

Während der Erstarrung führt die Kühlplatte 22 dauernd Wärme ab. Damit bleibt ein Temperaturgefälle zwischen dem Fußteil 60 und dem Formhohlraum 65 erhalten.

Bei genügender Erstarrung und Abkühlung auf eine Temperatur, bei der die Luft keine schädliche Wirkung auf das gebildete Einkristall ausübt, wird die Kammer geöffnet und Luft eingelassen. Nach einem weiteren Abkühlen wird die Form vom Gießteil abgebrochen und dieses ist bereit zur weiteren Bearbeitung.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Auf einer Kühlplatte aufstehende, und von einer Heizeinrichtung umschlossene unten offene Gießform zur Herstellung eines Einkristaligußstückes, welches wesentlich langer als breit ist, insbesondere einer Turbinenschaufel, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (20, 30) zwischen dem das Gußstück bildenden Formhohlraum (28, 38) und ihrem Fußteil (24, 32) einen verengten, seitlich und nach . oben gcrichtclcn

. Durchlaß (26, 34) aufweist.

2. Gießform nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Durchlasses (26, 34) kleiner ist als seine Höhe.

3. Gießform nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Fußtcil(52) und eine gemeinsame Einfüllöffnung (58) mchre-

• ren Formhohlrüimicn (50) und Durchlässen (56) zimeordnet sind. ' ■ ■

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen