DE1912379A1

DE1912379A1 - Verfahren zum Giessen von Materialien in Einkristallformen

Info

Publication number: DE1912379A1
Application number: DE19691912379
Authority: DE
Inventors: Kear Bernard Henry; Sink Larry Wayne
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1969-10-02
Also published as: FR1602773A; SE347178B; GB1250842A; US3543284A

Description

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

zur Eingabe vom 12. Mär Z 1969 Sch// Name d\ AnmUN ITED AIRCRAFT CORPORATION

Verfahren zum Gießen von Materialien in Einkristallformen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Materialien in einfachen oder komplexen Einkristallformen.

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. Dies war schwierige weil die Verfahren und die Gestaltung der Formen, die zum Gießen von Einkristallformen verwendet wurden, die Kontrolle der Wärmeabführung während des Wachstums des Einzelkristalls beschränkten. Die bisher verwendeten üblichen Verfahren machten die Abführung von Wärme aus dem erstarrenden Kristall durch eine doppelte Windung oder eine schraubenlinienförmige Verengung am Boden der Form erforderlich. Die Wärme hatte daher keinen leichten Durchgangsweg zur Kühlplatte. Die Wärmeabführungsgeschwindigkeit; war infolgedessen geringer als für die genaue Kontrolle der Wachstumgsgeschwindigkeit in dünnen Querschnitten oder in Querschnitten von veränderlicher Dicke erforderlich war. Um daher verhältnismäßig lange oder dünne Querschnitte zu erzeugen oder komplizierte Formen, welche dünne Querschnitte enthielten, ist ein Verfahren erforderlich, welches eine wirksamere Wärmeabführungsgesohwindigkeit ermöglicht als mit den bekannten Verfahren oder Formgestaltungen erzielbar ist. Um außerdem eine bessere Kontrolle der WärmeabfÜhrungsgeschwindigkeit zu erreichen, soll das verwendete Verfahren gleichzeitig öle rascheste Wachstumgsgeschwindigkeit fördern, die mit dem Einkristallwachstum vereinbar ist.

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Die nachstehend beschriebene Erfindung sieht ein Verfahren zum Gießen von Materialien in Einkristallformen vor, welche den vorstehend angegebenen Merkmalen genügen.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein neuartiges Verfahren zum Gießen von Materialien in einfachen oder komplexen Einkristallformen. Das Verfahren erhöht die Erstarrungsgeschwindigkeit in der Gießform durch eine wirksamere Abführung von Wärme aus derselben. Außerdem sieht das Verfahren eine Geschwindigkeit vor, die mit einer Geschwindigkeit vereinbar ist, welche das rascheste Wachstum fördert, das mit der Bildung gesunder Einzelkristalle verträglich ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird gewöhnlich mit einer bevorzugten Formkonstruktion verwendet, in welcher wenigstens eine kleinere Form innerhalb einer Hauptform angeordnet ist. Die Hauptform besteht aus einem keramischen Rohr, von welchem ein offenes Ende auf einer Kühlplatte angeordnet ist. Die kleinere Form ist derart gestaltet, daß sie eine kleine Öffnung enthält, welche im allgemeinen am Boden der kleineren Form angeordnet ist und eine Verbindung zwischen der kleineren Form und der 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 bevorzugten Verwendung des Verfahrens sind die kleineren Formen derart innerhalb der Hauptform angeordnet, daß die kleine Öffnung der kleineren Form oberhalb der Kühlplatte liegt, wobei der bevorzugte Abstand 1,27 cm beträgt.

Nach-dem geschmolzenes Metall in die Hauptform eingegossenlst, 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 flUaigen und dem festen Zustand die kleine Öffnung der kleineren Form erreicht, kann nur ein Korn durch die Länge dieser Öffnung aufwärtswachsen, wodurch das Wachs-

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turn eines einzigen Kristalls in die kleinere Form eingeführt wird. Die Achse der Ausrichtung des Materials innerhalb der kleinren Form ist eine Punktion der Achse der Ausrichtung des gerichtet erstarrten Metalls* der Ausrichtung der öffnung in der kleineren Form und/oder der Ausrichtung der kleineren Form innerhalb der Hauptform.

Bei Verwendung des nachstehend beschriebenen Verfahrens ist es klar, daß die einzige Beschränkung für die Wärmeübertragung aus dem geschmolzenen Metall aus dem die kleine öffnung in der kleineren Form bildenden Material besteht. Mit anderen Worten, das die kleine öffnung in der kleineren Form bildende Material ist eine Beschränkung für die Wärmeübertragung vom Metall in der Form auf die Kühlplatte. Das beschriebene Verfahren stellt eine Verbesserung der Wärmeabführung dar gegenüber den früher verwendeten Verfahren zum Gießen von Einzelkristallen, und zwar infolge eines stark vereinfachten Wärmeströmungsweges. Das Verfahren sieht jedoch eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit der Wärmeabführung aus der kleineren Form vor. Das Vorrücken der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Form nach oben bleibt hinter jener der größeren Form zurück, weil in derselben keine Beschränkung gegen die senkrechte Wärmeabfüimng besteht. Da überdies beim vorliegenden Verfahren das Metall in der größeren Form sich in direkter Berührung mit der Außenseite der kleinren Form befindet, strömt Wärme durch die Wand der kleineren Form und durch die unbeschränkte Masse der größeren Form abwärts zur Kühlplatte. Die Wachstumsgeschwindigkeit des Metalls in der größeren Form kann daher eingestellt werden durch Regelung der Wärmezuführung durch die Heizeinrichtung am oberen Ende der Form, um die Wärmeabführung aus der kleineren Form zu kontrollieren und die rascheste Wachstumsgeschwindigkeit zu erzielen, die mit dem Wachstum gesunden Einkristallmaterials vereinbar ist, und zwar vollkommen unabhängig von der Gestalt oder dem Querschnitt der kleineren Form. Dabei ist wichtig, daß das Volumen oder die Masse innerhalb der Hauptform größer ist als das Volumen oder die Masse innerhalb der kleineren Formen. Da sich die Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der Hauptform anfänglich mit einer größeren Geschwindigkeit bewegt als die Grenzfläche zwischen

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dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb der kleineren Form, weist die letztere an irgendeiner Stelle ihrer Länge eine höhere Temperatur auf. Wärme aus der kleineren Form wird daher auf die größere Masse innerhalb der Haupt-form übertragen, was eine Bezieh hung zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit des Einzelkristalls .innerhalb der kleineren Form und der Wachstumsgeschwindigkeit der einseitig erstarrten Legierung in der Hauptform herstellt. Da diese Masse relativ zur Masse innerhalb der kleineren Form beträchtlich ist, wird eine viel wirksamere Geschwindigkeit der Wärmeabführung ermöglicht, wobei diese Geschwindigkeit von der Gestalt der in der kleineren Form gegossenen Probe vollkommen unabhängig ist. Zusammenfassend ist zu bemerken, daß das beschriebene Verfahren eine wirksame Abführung von Wärme aus einer Form zum Gießen von Materialien in einfachen oder komplexen Einkristallformen ergibt. Dies wird erreicht durch eine minimale Beschränkung der Wärmeübertragung aus der Gießform zu einer Kühlplatte, durch Anordnung zusätzlicher Wege für die Übertragung von Wärme aus der Gießform und durch die Herstellung einer Beziehung der Wachstumsgeschwindigkeiten zwischen dem wachsenden Einzelkristall und einer viel größeren Masse eines wachsenden, einseitig erstarrten Barrens.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in welcher zeigt:

Fig. 1 schematisch die bevorzugte Formkonstruktion äur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung im Querschnitt nach der Linie 1-1 der Fig. 2,

Fig. 2 einen Längssohnitt der bevorzugten Formkonstruktion.

In den Figuren 1 und 2 ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, nämlich eine neuartige Gestaltung der Form zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Die nachstehend beschriebene Formkonstruktion isst besonders für die sogenannten Superlegierungen geeignet, die beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift j5 260 505 beschrieben sind. Diese Legierungen sind im allgemeinen für das als gerichtete Erstarrung bekannte Verfahren geeignet. Zusätzlich zur Offenbarung in dieser Patentschrift verwendet die nachstehend beschriebene Formkonstruk-

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tion die Technik der Bildung von Einkristallegierungen TM, die Jn der amerikanischen Patentanmeldung Nr. 540 114 vom I7. Februar 1966 beschrieben ist.

Die nachstehend beschriebene Formkonstruktion ist eine bevorzugte Formkonstruktion und bildet den Gegenstand der amerikanischen Patentanmeldung Nr. 714 589 vom 20. März I968.

Ein Ende der rohrförmigen Form 4, die für die Verwendung bei dem in der amerikanischen Patentschrift 3 260 505 beschriebenen Verfahren geeignet ist, ist auf einer verhältnismäßig kühlen, wärmeleitenden und vorzugsweise wassersgekühlten Platte 6 angeordnet. Die rohrförmige Form 4 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. Das Wasser für die Kühlplatte 6 wird durch die Leitungen 8 zugeführt. Wie Fig. 2 zeigt, ruht ein Ende des Rohrs 4 auf der Kühlplatte 6 auf und wirkt mit derselben zusammen, um einen umschlossenen Hohlraum 10 zu bilden. Das von der Kühlplatte 6 abgekehrte Ende des Rohrs 4 ist offen, um das geschmolzene Metall aufzunehmen.

Der Hohlraum 10 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 elektrischen Strom gespeist wird. Der Hohlraum kann aber auch von einem (nicht dargestellten) Graphitsuszeptor umgeben sein, der seinerseits von einer Induktionswicklung ungeben 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* Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird das geschmolzene Metall, das auf die für das Gießen erforderliche Temperatur erhitzt ist, in den Hohlraum 10 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 geschmolzene Metall gefüllten Hohlraumes 10 einen Temperaturgradienten zu erzeugen, wenn das Metall erstarrt.

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Bei der dargestellten Ausführungsform sind mehrere Einzelförmen 16, 18, 20 und 22 rund um den inneren Umfang der Oberfläche 23 des Rohres 4 angeordnet. Jede dieser Formen ist mit einer kleinen öffnung 24 versehen, die sich am Boden jeder Form befindet und im Abstand oberhalb der Kühlplatte 6 liegt. Wenn das Metall zu erstarren beginnt, weist dasselbe eine geregelte säulenförmige Struktur auf. Wenn nun in jeder der einzelnen Formen 16, 18, 20 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. Ein wesentliches Merkmal der Ausbildung der Einzelformen besteht darin, daß die kleine öffnung 24 in jeder der Formen die einzige Beschränkung für die Wärmeübertragung aus jeder der Formen zur Kühlplatte 6 ist. Diese Art der Formgestaltung ermöglicht daher, daß die innerhalb der Form befindliche Wärme mit einer größeren Geschwindigkeit abgezogen wird als bei den bekannten Formkonstruktionen, welche eine doppelte Windung oder eine schraubenlinienförmige Verengung verwenden, wie in der amerikanischen Patentanmeldung Nr* 540 114 vom 17. Februar 1966 beschrieben ist.

Wie bereits erwähnt, ist das Volumen des Rohres 4 wesentlich grÖT ßer als das Volumen jeder der Formen 16, 18, 20 und 22. Diese Formen werden daher von einer verhältnismäßig größeren Masse umgeben als sich im Inneren derselben befindet. Wenn nun die gerichtete Erstarrung fortschreitet, bewegt sich die Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand von der Kühlplatte 6 weg. Infolge der durch die öffnung 24 verursachten Beschränkung der Wärmeübertragung von den Einzelformen 16, 18, 20 und 22 auf die Kühlplatte 6 bewegt sich die Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand im Inneren der Formen 16, 18, 20 und 22 langsamer als jene der die Formen umgebenden Masse.

Mit anderen Worten, in irgendeinem Abstand von der Kühlplatte wird die Erstarrung der wesentlich größeren Masse innerhalb des Rohres 4 stärker sein als die Erstarrung innerhalb der Formen 16, 18, 20 und 22. Dies bedeutet auch, daß sich die die Formen umgebende Masse auf einer niedrigeren Temperatur befindet und u 6/133 909840/1122 -6-

Wärme wird in seitlicher Richtung aus den Formen 16, 18, 20 und abgezogen. Durch Abführung von Wärme aus den Formen 16, 18, 20 und 22 mit dieser erhöhten oder wirksameren Geschwindigkeit wird ein rascheres Einkristallwachstum innerhalb der Formen gefördert und kleinere un^oder komplexere Formen können erzeugt werden.

Gemäß Fig. 2 sind die Einzelformen oberhalb der Kühlplatte angeordnet. Dies ist von Bedeutung, weil gefunden wurde, daß während des gerichteten Erstarrungsprozesses das an die Kühlplatte angrenzende erstarrte Metall eine willkürliche Kristalleinstellung aufweist. Um einen Einzelkristall mit einer bevorzugten Einstellung zu erhalten, sollen daher die Einzelformen oberhalb der Kühlplatte in einem genügenden Abstand angeordnet werden, um diese Wachstumszonen zu vermeiden. Selbstverständlich können die Einzelformen in der gleichen Höhe oder in abgestufter Höhe oberhalb der Kühlplatte angeordnet werden. Es wurde jedoch gefunden, daß der optimale Abstand der niedrigsten Einzelform von der Kühlplatte etwa 1,27 cm betragen soll.

Patentansprüche

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Claims

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

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 12. MärZ 19Ö9 Sch// Name d. Anm. UNITED AIRCRAFT KORPORATION

Patentansprüche

1· Verfahren zum Gießen von Materialien in Einkristallibrmen, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Hauptform vorgesehen ist, die aus einem keramischen Rohr auf einer Kühlplatte besteht.

daß im Inneren der Hauptform wenigstens eine kleinere Form angeordnet ist, die Mittel zur Verbindung mit der Hauptform aufweist, daß die Hauptform mit geschmolzenem Metall gefüllt wird, daß die einseitig gerichtete Erstarrung des geschmolzenen Metalls in einer von der Kühlplatte abgekehrten Richtung bewirkt wird, daß das Wachstum von Einkristallmaterial innerhalb der kleineren Form gefördert wird und

daß verschiedene Wachstumsgeschwindigkeiten der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand in der Hauptform und in der kleineren Form gefördert werden, so daß zwischen denselben eine Wärmeübertragungsbeziehung bestölt.

²· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel zwischen der kleineren Form und der Hauptform am Boden der kleineren Form angeordnet sind und daß der Bodewi der kleineren Form im Abstand oberhalb der Kühlplatte liegt.

5· Verfahren nach.-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeiten der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand in. der Hauptform und in der kleineren Form derart gefördert werden, daß die Geschwindigkeit innerhalb der kleineren Form durch die Geschwindigkeit in der Hauptform kontrolliert wird.

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4, Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß

die einseitig gerichtete Erstarrung des geschmolzenen Metalls in einer von der Kühlplatte abgekehrten Richtung mit einer bevorzugten Achse bwirkt wird,

daß die kleinere Form und die Verbindungsmittel innerhalb der Hauptform derart angeordnet werden, daß die Achse der Ausrichtung des in derselben gefundenen Onisotropenrfiater.ials parallel zur bevorzugten Achse ist, und

daß eine Geschwindigkeit des Wachstums der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand des geschmolzenen Metalls innerhalb der kleineren Form gefördert wird, die von der Geschwindigkeit des Wachstums der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand innerhalb des Hauptform abhängig ist, so daß zwischen denselben eine Wärmeübertragungsbeziehung besteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der kleineren Formen und demnach die 4cVerbindungsmittel in einem Abstand von etwa 1,27 cm oberhalb der Kühlplatte angeordnet werden«

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