DE1911050A1

DE1911050A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beseitigung heterogener Ungleichmaessigkeiten in Einkristall-Gussstuecken

Info

Publication number: DE1911050A1
Application number: DE19691911050
Authority: DE
Inventors: Giamei Anthony Francis; Hornbecker Merton Frederick; Copley Stephen Michael
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-05
Publication date: 1969-10-02
Also published as: SE346235B; FR1602778A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

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Anlage ' Aktenzeichen

zur Eingabe vom 4.3.1969 Mi// Name d. Anm. United Aircraft Corporation

Verfahren und Vorrichtung zur Beseitigung heterogener lingleichmäßigkeiten in Einkristall-Gußstücken .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Materialien mit Einkristallformen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung von Stringern aus gleichachsigen Körnern an der Oberfläche des Einkristallgußstücks.

Beim Gießen von Einkristallmaterialien ist es häufig wünschenswert, daß die Teile oder Proben sehr dünne Querschnitte aufweisen sowie große Verhältnisse der Länge zur Dicke oder große Veränderungen der Dicke in der Längsrichtung des zu gießenden Teils. Mit anderen Worten, es ist wünschenswert, eine Möglichkeit zum Gießen komplexer sowie einfacher Einkristallformen zu haben. Bisher war diese Möglichkeit durch die Verfahren und die Gestaltung der Formen begrenzt, die zum GieTben von Einkristallformen verwendet wurden, hauptsächlich weil diese Verfahren und Formen eine ungenügende Kontrolle der Wärmeabführung während des Wachstums des einzigen Kristalls boten. Die bisher verwendeten üblichen Verfahren oder Formen erforderten, daß die Abführung von Wärme aus dem erstarrenden Kristall durch eine doppelte Bindung oder Verengung am Boden der Form erfolgte. Die Wärme hatte daher keinen leichten Durchgangsweg ^{u 6/13}° 909840/1063

zur Kühlplatte. Die Wärmeabführungsgeschwindigkeit war infölgfdessen gering und der achsiale oder longitudinale Temperatut-^ gradient war klein. Wenn der aehsiale Temperaturgradient klein ist, haben die seitlichen oder in der Querrichtung verlaufenden Temperaturgradienten eine größere störende Wirkung auf die ^₁: Erstarrung. Ein Verfahren zur Vergrößerung der Wärmeabführungsgeschwindigkeit ist in der amerikanischen Patentanmeldung Nr* 743vom 20.3.1968 beschrieben.

Bei den üblichen Verfahren und Formgestaltungen sind seitliche Temperaturgradienten vorhanden und Wärme strömt durch bestimmte Bereiche der Formwand in den Formhohlraum. Diese Wärmeströmung bewirkt, daß in den Umfangsbereichen des Gußstücks die Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand, die gewöhnlich als die blasige Zone bezeichnet wird, relativ zum Boden der Form eingedrückt oder nach unten konkav wird. Verbindungsströme entstehen, weil die Formwand heißer ist als das umgebende Metall, und diese Ströme führen Denttritfragmente in diese Bereiche, wo sie abgelagert werden und wachsen, um ein Gebilde von kleinen gleichachsigen Körnern auf der Oberfläche des Gußstücks zu erzeugen, die als Flecken bezeichnet werden. Diese Flecken werden als ein Hauptfehler in gegossenen Einkristallteilen betrachtet, da sie eine äußerst schädliche Wirkung auf die mechanischen. Eigenschaften des Gußstücks haben. Tatsächlich werden die Teile, welche diese Flecken aufweisen, gewöhnlich ausgeschieden.

Die nachstehend beschriebene Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Einkristallmaterialien mit korn-

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plexer oder einfacher Gestalt vor, wobei irgendwelche gleichachslge Körner auf der Oberfläche des Gußstücks beseitigt werden» so daß ein gesundes Einkristallgußstück erhalten wird.

Die Hauptaufgabe der Erfindung bilden ein Verfahren und eine Vorrichtung Zua Gießen von Materialien mit einfachen oder komplexen Einkristallformen. Das Verfahren und die Vorrichtung sind derart ausgebildet» daß sie eine Kontrolle der seitlichen Temperaturgradienten während der Bildung der EinkrIstallgußstücke vorsehen und dadurch die bildung irgendwelcher heterogener öngleiehmäßigkeiten auf der Oberfläche der Einkristallgußstücke verhindern, während gleichzeitig eine Wärmeabführungsgeschwindigkeit und ein achslaier Temperaturgradient vorgesehen wird, welche die Bildung gesunder Einkristallgußstücke fördern.

Das Verfahren gemäss der Erfindung wird gewöhnlich mit der nachstehend beschriebenen Formkonstruktion verwendet. Bei dieser Fonnkonstruktion 1st wenigstens eine kleinere Form innerhalb einer ringförmigen Hauptform angeordnet, die auf einer Kühlplatte aufruht. Die kleinere Form 1st derart gestaltet, daß sie eine kleine Verengung enthält, welche im allgemeinen am Boden der kleineren Form angeordnet ist und eine Verbindung zwischen der kleineren Form und der ringförmigen Hauptform herstellt. Es ist zu bemerken, daß eine Form von irgendwelcher Gestalt verwendet werden kann, d.h. von einfacher Gestalt, wie Schienen, Stangen, Bleche oder Drähte, oder von komplexer Gestalt, wie Schaufeln, Flügel oder hohle Bestandteile. Bei einer υ 5/130 -,

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bevorzugten Konstruktion der Form sind die kleineren-Formen derart innerhalb der ringförmigen Hauptform angeordnet, daß die kleine Verengung der kleineren Form oberhalb der Kühlplatte liegt, wobei der bevorzugte Abstand 2,5*1 cm beträgt.

Nachdem geschmolzenes Metall in die Hauptform eingegossen ist, wobei das Gehäuse der Hauptform bis über den Schmelzpunkt des Metalls vorgewärmt worden ist, beginnt der Prozess der gerichteten Erstarrung und die Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand bewegt sich mit einer besonderen säulenförmig ausgebildeten Struktur von der Kühlplatte weg. Wenn daher die Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand die kleine Verengung der kleineren Form erreicht, kann nur ein Korn durch die Länge der Verengung aufwärts wachsen, wodurch das Wachstum eines einzigen Kristalls in die kleinere Form eingeführt wird. Die Achse der Ausrichtung des Materials innerhalb der· kleineren Form ist hauptsächlich eine Funktion der Achse der Ausrichtung des gerichtet erstarrten Metalls und/oder der Ausrichtung der kleineren Form innerhalb, der ringförmigen Hauptform.

Bei Verwendung der Formkonstruktion und des nachstehend beschriebenen Verfahrens ist es klar, daß die einzige Beschränkung für die Wärmeübertragung aus dem geschmolzenen Metall in die kleinere Form durch die Verengung am Boden der kleineren Form gebildet wird. Die Verengung und das Material derselben beschränkt insbesondere die Wärmeströmung vom Metall in der kleineren Form zu der Kühlplatte. Als Ergebnis bleibt das Vorrücken der Grenz-U 6/13Ο

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fläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Form nach oben hinter der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand der ringförmigen Hauptform zurück, weil in derselben keine Beschränkung gegen die senkrechte Wärmeabführung besteht.

Gemäss der Erfindung ist jedes kleinere Gußstück, das in der kleineren Form mit einem beschränkten Leitungsweg zur Kühlplatte eingeschlossen ist, vom Metall in der ringförmigen Hauptform mit einem direkten Leitungsweg zur Kühlplatte umgeben. Das Metall in der ringförmigen Hauptform kühlt sich rascher ab als das Metall in der kleineren Form, so daß während der Erstarrung Wärme in seitlicher Richtung aus dem Gußstück durch die Wand der kleineren Form strömt. Da Wärme sowohl in seitlicher Richtung durch die Wand der kleineren Form als auch in achsialer Richtung zur Kühlplatte strömt, weist das sich ergebende Temperaturprofil der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Form eine Konkavität auf, die sich von der Kühlplatte aufwärts bewegt. Da überdies bei der vorliegenden Formkonstruktion und dem Verfahren das Metall in der ringförmigen Hauptform mit der Außenseite der kleineren Form in direkter Berührung steht, strömt Wärme durch die Wand der kleineren Form und dann durch die unbeschränkte Masse innerhalb der ringförmigen Hauptform abwärts zur Kühlplatte. Da die Wachstumsgeschwindigkeit des Metalls der ringförmigen Hauptform eingestellt werden kann durch Regelung der Wärmezuführung durch die Heizeinrichtung am oberen Ende der Form und/oder durch Beschränkung der Wärmeströmung in der ring-

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förmigen Hauptform zur Kühlplatte durch eine zweite Verengung, kann die Geschwindigkeit der Wärmeabführung aus der kleineren Form kontrolliert werden, um die Verzerrung der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand und Verbindungssfcröme im Umfangsbereich des Gußstücks in der kleineren Form zu vermeiden, wodurch die Fleckenbildung innerhalb des Gußstücks in der kleineren Form verhindert wird.

. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung Be-

zug genommen, in welcher zeigt:

Fig. 1 schematisch die bevorzugte Form-konstruktion zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung im Querschnitt nach der Linie 1-1 der Fig. 2₉ und

Fig. 2 die bevorzugte Formkonstruktion im Längsschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist die bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt, nämlich eine neu- artige Gestaltung der Form zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung. Die nachstehend beschriebene Formkonstruktion ist besonders für die sogenannten Superlegierungen geeignet, die beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift 3 26o 5o5 beschrieben sind. Diese Legierungen sind im allgemeinen für das als gerichtete Erstarrung bekannte Verfahren geeigne.t. Zusätzlich zur Offenbarung in dieser Patentschrift verwendet die nachstehend beschriebene Formkonstruktion die Technik der Bildung von Einkristall-Legierungen TM_S die in der amerika-

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nischen Patentanmeldung Nr. 5**o 114 vom 17.2.1966 beschrieben ist.

Ein Ende der äußeren Formwand ¹I, die für die Verwendung bei dem in der amerikanischen Patentschrift 3 26o 5o5 beschriebenen Verfahren geeignet ist, ist auf einer verhältnismässig kühlen_s wärmeleitenden und vorzugsweise wassergekühlten Platte 6 angeordnet. Die äußere Formwand M besteht vorzugsweise aus einem keramischen Material, das aus einer üblichen Aufschlämmung von Tonerde oder einem anderen feuerfesten Material mit einem hohen Schmelzpunkt entsprechend der normalen .Mantelformtechnik hergestellt ist. Sie Fig. 2 zeigt j ruht ein Ende der äußeren Formwand 4 auf der Kühlplatte 6 auf. Das Wasser für die Kühlplatte 6 wird durch die Leitungen 8 zugeführt. Die äußere Formwand 4 wirkt mit einer inneren Formwand 2 zusammen, um einen ringförmigen äußeren Formhohlraum Io zu bilden. Das von der Kühlplatte 6 abgekehrte Ende der äußeren Formwand 4 ist offen, um das geschmolzene Metall aufzunehmen.

Der ringförmige Formhohlraum Io ist von der Einrichtung zum Erhitzen der Form auf die für den Guß gewünschte Temperatur umgeben. Vorzugsweise ist der Hohlraum von einer elektrischen Widerstandsheizwicklung 12 umgeben, die mit veränderlichem elektrischem Strom gespeist wird. Der Hohlraum kann aber auch von einem (nicht dargestellten) Graphitsuszeptor umgeben sein, der seinerseits von einer Induktionswicklung umgeben ist, die mit elektrischem Hochfrequenzstrom gespeist wird, wie es bei einem Induktionsofen üblich ist. Vor dem Guß wird die Form auf eine gewünschte Temperatur erhitzt, indem der Wicklung 12 Strom zugeführt wird.

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Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird das geschmolzene Metall, das auf die für das Gießen erforderliche Temperatur erhitzt ist, in den ringförmigen Formhohlraum Io eingegossen. Die Kühlplatte 6 wird auf einer verhältnismässig niedrigen Temperatur gehalten, indem Wasser durch die Leitungen 8 in umlauf gesetzt wird, um innerhalb des mit dem geschmolzenen Metall gefüllten Hohlraumes Io einen Temperaturgradienten zu erzeugen, wenn das Metall erstarrt.

Das Verfahren gemäss der Erfindung ist besonders für die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Formkonstruktion geeignet. Die Form besteht aus einer inneren Formwand 2, die von einer äußeren Formwand 4 umgeben ist, um zwischen denselben einen ringförmigen Hohlraum Io zu bilden. Die innere Formwand 2 weist die gleiche Konstruktion wie die vorstehend beschriebene äußere Formwand 4 auf und ist in ähnlicher Weise auf der Kühlplatte 6 angeordnet. Innerhalb des ringförmigen Formhohlraumes Io sind mehrere Einzelformen 16, 18, 2o und 22 angeordnet. Jede dieser Formen ist mit einer Verengung 24 versehen, die sich am Boden jeder Form befindet und im Abstand oberhalb der Kühlplatte 6 angeordnet ist. Wenn das Metall zu erstarren beginnt, weist dasselbe eine geregelte säulenförmige Struktur auf. Wenn nun in jeder der einzelnen Formen 16, 18, 2o und 22 eine kleine öffnung 24 vorgesehen wird, wird das Wachstum eines einzigen Kristalls in derselben gefördert. Was erzeugt wird, ist daher in Wirklichkeit eine große Masse von geregelter säulenförmiger Struktur, welche verhältnismässig kleinere Massen von einzelnen Kristallen umgibt. Es ist zu bemerken, daß bei der Konstruktion der Einzelform die Verengung 24 in jeder U 6/130

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der Formen die einzige Beschränkung für die Wärmeübertragung aus

«Jeder der Formen auf die Kühlplatte 6 darstellt.

Bei der beschriebenen Konstruktion ist es klar, daß die Verengung 24 die Wärmeströmung vom Metall in den kleineren Formen zur Kühlplatte beschränkt. Infolgedessen bleibt das Vorrücken der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Formen nach oben hinter der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand in der ringförmigen Hauptform Io hauptsächlich deshalb zurück, weil in derselben keine Beschränkung gegen die senkrechte Wärmeabführung besteht. Bei der vorliegenden Konstruktion ist jedes kleinere Gußstück, das in den kleineren Formen eingeschlossen ist und einen beschränkten Wärmeleitungsweg zur Kühlplatte 6 aufweist, vom Metall im ringförmigen Formhohlraum Io mit einem direkten Wärmeleitungsweg zur Kühlplatte 6 umschlossen. Das Metall im ringförmigen Formhohlraum Io kühlt rascher ab als das Metall in jeder der kleineren Formen, so daß während der Erstarrung Wärme von dem Gußstück innerhalb der kleineren Formen in seitlicher Richtung durch die Wand derselben strömt. Da die Wärme sowohl in seitlicher Richtung durch die Wand der kleineren Formen als auch in achsialer Richtung zur Kühlplatte 6 strömt, weist das sich ergebende Temperaturprofil der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Formen eine Konkavität auf, die sich' von der Kühlplatte 6 aufwärts bewegt. Da überdies das Metall im ringförmigen Formhohlraum in direkter Berührung mit der Außenseite jeder der kleineren Formen steht, strömt die Wärme durch die Wand der kleineren For-

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men und dann durch die unbeschränkte Masse innerhalb des ringförmigen Formhohlraums Io abwärts zur Kühlplatte. Da die Wachstumsgeschwindigkeit des Metalls innerhalb des ringförmigen Formhohlraumes Io eingestellt werden kann durch Regelung der Wärmezuführung durch die Heizwicklung 12 und/oder durch Beschränkung der Wärmeströmung im ringförmigen Formhohlraum zur Kühlplatte durch eine zweite Verengung 13, kann die Geschwindigkeit der Wärmeabführung aus der kleinen Form kontrolliert werden, um eine Verzerrung der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand im Umfangsbereich des Gußstücks in jeder der kleineren Formen zu vermeiden, wodurch eine konstitutionelle Unterkühlung und Diffusion des Metalls in den kleineren Formen verhindert wird, Durch Aufrechterhaltung der Konkavität der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand, die sich innerhalb der kleineren Formen aufwärts bewegt, wird eine Fleckenbildung innerhalb des Gußstücks in den kleineren Formen verhindert.

Ψ Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Gießen von Einkristallmaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Form vorgesehen ist, die aus einer inneren Formwand besteht, welche von einer äußeren Formwand auf einer Kühlplatte umgeben ist, daß innerhalb der ringförmigen Form wenigstens eine kleinre Form angeordnet ist, die Mittel zur Verbindung mit der ringförmigen Form aufweist,

daß die ringförmige Form mit dem geschmolzenen Metall gefüllt

daß die einseitig gerichtete Erstarrung des geschmolzenen Metalls in einer von der Kühlplatte abgekehrten Richtung bewirkt wird, daß das Wachstum eines Einkristallmaterials innerhalb der kleineren Form gefördert wird,

daß der seitliche Temperaturgradient der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand des geschmolzenen Metalls innerhalb der kleineren Form kontrolliert wird und daß bewirkt wird, daß das Temperaturprofil innerhalb der kleineren Form eine aufwärts bewegliche Konkavität aufweist, wodurch die Bildung heterogener Ungleichmässigkeiten im Gußstück innerhalb der kleineren Form verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden Oberflächen der kleineren Form von einer Schicht keramischen Materials umgeben sind.

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3τ Verfahren nach Einspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel zwischen der kleineren Form und der ringförmigen Form am Boden der kleineren Form angeordnet sind, wobei die Verbindungsmittel eine Beschränkung der Wärmeströmung von der kleineren Form zur Kühlplatte bewirken.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der kleineren Form im Abstand oberhalb der Kühlplatte liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Bodens der kleineren Form von der Kühlplatte'

wenigstens 2,54 cm beträgt.

6. Formkonstruktion zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-5, gekennzeichnet

durch ein erstes Rohr mit einem offenen Ende und durch ein zweites Rohr mit einem offenen Ende, wobei die ersten und zweiten Rohre so angeordnet sind, daß sie zwischen sich eine ringförmige Form bilden,

durch eine Kühlplatte, auf welcher die ersten und zweiten Rohre angeordnet sind, welche offen sind, um das geschmolzene Metall aufzunehmen, wobei die ringförmige Form in Wärmeübertragungsbe-

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Ziehung zur Kühplatte steht, und

durch wenigstens eine kleinere Form, die innerhalb der ringförmigen Form angeordnet ist, wobei die kleinere Form eine Verengung aufweist, um den Eintritt eines einzigen Korns des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen, und wobei die Verengung eine U 6/13Ο

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Beschränkung der Wärmeströmung aus dem Inneren der kleineren Form zur Kühlplatte verursacht, so daß die Wärme aus dem Inneren der kleineren Form in seitlicher Richtung in das geschmolzene Metall innerhalb der ringförmigen Kammer und in achsialer Richtung auf die Kühlplatte übertragen wird, wodurch bewirkt wird, daß das Temperaturprofil der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Form eine relativ zur Kühlplatte aufwärts bewegliche Konkavität aufweist.

7. Formkonstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Form im Abstand oberhalb der Kühlplatte liegt und daß die Verengung am Boden der kleineren Form angeordnet ist.

8. Formkonstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verengung wenigstens 2,5^ cm oberhalb der Kühlplatte befindet.

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