DE1912975A1

DE1912975A1 - Form zum Herstellen von Einkristallstuecken

Info

Publication number: DE1912975A1
Application number: DE19691912975
Authority: DE
Inventors: Wickstrand Jun Carl Milton
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-14
Publication date: 1969-10-16
Also published as: GB1262580A; SE347177B; US3515205A; FR1602777A

Description

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

13. März 1969 £££ United Aircraft Corp.

Form zum Herstellen von Einkristallstücken

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Formkonstruktion für die Bildung von Einkristallstücken oder -aaterial.

Beim Gießen von Einkristallmaterial wird es höchst erwünscht, wenn das Einkristallmaterial bzw. die Einkristallstücke in relativ großen bzw. breiten Stücken gegossen werden können. Ein bisheriges Problem, welches das Herstellen relativ großen oder breiten Einkristallmaterials verhindert, besteht darin, daß die Geometrie herkömmlicher Formen zum Herstellen von Einkristallmaterial verursacht hat, daß die Hitzeabzugsgeschwindigkeit von der Form geringer ist als erwünscht wird. Das Problem bei den geläufigen Einkristallformen besteht darin, daß diese Formen zum Begünstigen des Einkristallwachsturns, am unteren Ende der Form eine Doppelbogen- bzw, eine schweifförmige Einengung verwenden. Diese Einengung hat zum Ergebnis, daß die Hitze aus der Form keinen leichten Weg zur Kühlplatte bzw. Kokillenplatte findet. Demzufolge ist die Wärmeabzugsgeschwindigkeit geringer als dies für die Herstellung großen bzw. breiten Einkristallmaterials erforderlich ist. Es wird daher klar, daß zum Herstellen relativ großen bzw, breiten Einkristallmaterials die Notwendigkeit besteht, eine Formkonstruktion zu schaffen, deren Geometrie eine wirksamere Wärme-

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abzugsgeschwindigkeit schafft als bei geläufigen Formen, während gleichzeitig die schnellste Wachstunisgeschwindigkeit gefördert wird, welche im Einklang mit dem Wachstum des Einkristalls steht.

Außerdem sind, als Ergebnis der Geometrie der geXäufigen Formen, die unteren Forrateile gegenüber Beschädigung oder Verunreinigung durch Explosionen anfällig, welche erfolgen, wenn das geschmolzene Metall zuerst mit der verunreinigten Oberfläche der wassergekühlten Kckillenplatte in Berührung kommt. Die vorliegende Erfindung vermeidet dieses Problem und schafft ferner eine Formkonstruktion, deren Geometrie das Entfernen der Einkristallformen erleichtert.

Es ist ein Hauptziel dieser Erfindung, eine neuartige Formkonstruktion zu schaffen, bei welcher die Verfestigungsgeschwindigkeit innerhalb einer Anzahl von Einzelformen vermöge wirksamerer Mittel des Wärmeabzuges gesteigert wird. Außerdem ist diese Geschwindigkeit mit einer Geschwindigkeit verträglich, welche das rascheste Wachstum im Einklang mit dem Einkristallwe.chstum fördert.

Zum Erreichen des Vorstehenden verwendet diese Erfindung das bekannte Verfahren der einseitig gerichteten Verfestigung in Verbindung mit einer neuartigen Formgeometrie, Bei dieser Konstruktion ist ein keramisches Rohr auf eine Kokillenplatte gestellt und rings um den inneren Umfang bzw. in einer ringförmigen Kammer, welche durch zwei keramische Rohre gebildet wird, ist eine Anzahl einzelner Formen gebracht. Die einzelnen Formen können entweder eine komplizierte Gestalt, beispielsweise Flügel oder Schaufel oder eine Einzelgestalt, beispielsweise Draht, Stange oder Stab, aufweisen. Jede dieser Einzelformen weist eine kleine Öffnung auf, welche sich normalerweise am Boden jeder Fora befindet. Die Bodenteile dieser

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Formen liegen oberhalb der Kokillenplatte, wobei ein bevorzugter Abstand etwa 13 mm betragt. Wenn der Prozeß der gerichteten Verfestigung beginnt.und die Zwischenfläche Flüssigkeit - Metall sich von der Kokillenplatte fortbewegt, so hat sie eine besonders säulenförmig orientierte Struktur, Wenn daher die Flüssigkeits-Metall-Zwischenflache die kleinen Öffnungen der einzelnen Formen erreicht, so wird das Einkristallwachs turn darin gefördert, wobei die Orientierungsachse des EinkristallwachstuEis eine Funktion der Orientierungs achse des gerichtet verfestigten Metalls, der Orientierung der Öffnung mit. jeder Form und/oder der Orientierung der Perm selbst 1st.

Bei Anwendung des Typs der hier beschriebenen Forrageometrie wird es klar, daß die einzige Einschränkung der V/ärineüber- ' tragung vom geschmolzenen Metall in den einzelnen Formen existiert, Spezieller ist die kleine Öffnung in jeder Form eine V/ärmeübertragungsbeschränkung vom Metall in der Form zur Kokillenplatte. Es sei betont, daß die Einengung, wie sie hier beschrieben ist, eine bezeichnende Verbesserung gegenüber geläufigen Formenkonstruktionen ist, welche eine Doppelbogenöffnung bzw, eine schweifförmige (pigtail) Öffnung in der Form verwenden, und dies allein würde eine wirksamere bzw« gesteigerte Wärmeabfuhr aus der Form schaffen. Jedoch schafft die Formengeometrie der vorliegenden Erfindung eine weitere Steigerung der Vvärmeabfuhr aus den einzelnen Formen. Da die vorerwähnte Öffnung eine Einschränkung der Wärmeübertragung von der Form zur Kokillenplatte ist, bewegt sich die Zwischenfläche flüssigen Metalls innerhalb der einzelnen Formen mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Zwischenfläche des flüssigen Metalls innerhalb des keramischen Rohres, Bezeichnenderweise ist das Volumen innerhalb dieses Rohres und daher die Masse des geschmolzenen Metalles hierin, wesentlich größer als die Masse innerhalb der einzelnen Formen,

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De die Zviscl er, .''I ^cLe Hüpsifien ⁿeta3]s dieser Masse sich rascher bewegt a "is diejenige innerlalb der einzelnen .Formen, befindet pie sich ' er.zuf clge bei niedrigerer Temperatur. Dai.'-r -ird Wärr-e von den sinzelneri Porten zu der Masse inner— Laib de.^c, Rohres äbortrs^er. Da. diese !lasse mit Bezug auf die K'isre innerhalb der einzelnen Fort.en v/eeentlich ist, ist eir-e v.-iri-:eamerc ^TTit::er. b7u.j£-£-eschv,'indigk eit möglich. Zusammen-'"afsend ε-ei betont, dai die Forir.engoometrie der vorliegenden Erfindung; wirksamere Mittel für das Abziehen von Hitze aus einer Einkristall form schafft, indem ein Mindestmaß an Einschränkung für die Hitzeübertragung aus der Form zur Kokillen' platte geschaffen wird und indeT ein zusätzlicher Wärmeweg f^:ir die Wärme Übertragung von der einzelnen Form zu der wesentlichen Masse, v; el ehe die Einzelf ormen umgibt, geschaffen •wird.

Außerdem gestattet die hier beschriebene Formengeometrie das leichte Entfernen Λer einzelnen Formen, während das keramische Rohr geschont wird . Dieses Merkmal der En'tfernbarkeit ist dadurch gesteigert, daH eine Schicht aus Keramik ringsi-·. um jede der einzelnen Formen gelegt ist. Selbstverständlich können ferner die einzelnen Formen der vorliegenden Erfindung in jeder Konfiguration innerhalb und rings um das Rohr angeordnet werden. In ähnlicher Weise können die Einzelformen jede gewünschte Gestalt besitzen; die Gestalt kann einfach oder komplex oder eine Kombination von beidem sein.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei nun näher auf die anliegenden Zeichnungen bezug genommen. In diesen Zeichnungen bedeuten:

Figur 1 eine sohenatische Schnittansicht von oben der Form und der erfindun^sgemäßen Formengeometrie;

Figur 2 einen Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Form; V 6/128 - 5 -

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F-igur 3 eine sehernatische Schnittansicht von oben, welche eine modifizierte Ausführungsform einer eriindungsgemäßen Formengeoiuetrie zeigt;

Figur 4 einen Vertikalschnitt der modifizierten erfindungsgemäßen Form.

Eine neuartige, erfindungsgemäi3e Form der Formengeometrle ist in den Figuren 1 und 2 gezeigt. D.ie hier beschriebene Fornienkonstruktion ist insbesondere zum Gebrauch mit den sogenannten Superlegierungen (super alloys) geeignet, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 260 505 beschrieben sind. Wie dort bemerkt, sind diese Legierungen allgemein für den Prozeß angepaßt, welcher als gerichtete Verfestigung bekannt ist. Die hier beschriebene Formenkorstruktion verwendet, zusätzlich zu der Offenbarung der USA-Patentschrift 3 260 505, die Technik des Bildens von Einkristall-Legierungen _TM (Monocrystaloys™,), wie sie in der USA-Patentanmeldung 540 114 vom 17«. Februar 1966 beschrieben ist.

Wie hier veranschaulicht, ist das eine Ende einer rohrförmigen Form 4, welche zur Verwendung bei der in der USA-Patentschrift 3 260 505 beschriebenen Arbeitsweise geeignet ist, auf eine relativ kühle, wärmeleitfähige und vorzugsweise wassergekühlte Platte 6 gestellt. Die rohrföririge Form ist vorzugsweise aus einem keramischen Material aus einer herkömmlichen Aufschlämmung von Aluminiumoxyd oder einem anderen hoehschmelzenden, feuerfesten Material gemäß der normalen Hüll" enf ormt e chnik hergestellt. Das Wasser für die Kokillenplatte 6 wird durch die Leitungen 8 geführt. Wie veranschaulicht, ruht das eine Ende des Rohres 4 auf der Kokillen« platte bzw. Kühlplatte 6, so daß sich ein geschlossener Hohlraum 10 bildet. Das der Kokillenplatte 6 entgegengesetzte

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Ende- dea "Kchres i ist offen, un: geschirr: I .zener lietäli aufzunehmen.

Den Hohlraum 10 umgeben Kittel für das Heizen der Form auf ■" die sum Gie.aer. erwünschte Temperatur. Vcr-zugsweise ist der HoLlraurn von (ni;ht gezeigte::.) WärseaufnahinercateriHl aus Graphit (graphite susceptor) umgeben uiii dieser Graphit wiede um ist vcn einer Induktionsspule M uir._treben, welcher hochfrequenter, eleAtriFcrer btror. zu^efü] rt wird, wie dies beim Hochirequer.z-Indukticnacfen üblich ist. Vor dem Gießen wird die Form auf eine rev/üncchte Temperatur erhitzt, indem man der Spule 12 dtroir. au führt. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, gieit can ^eechic'olzenes He tall, v/elchee auf die zun Gieien richtige Temperatur erhitzt ist, in den Hohlraum 10. Die Kfjhlplatte 6 wird mittels Wasser, v; eich es "durch die leitungen 5 kreist, auf einer relativ kühlen Temperatur ger.alten, damit innerhalb des geschmolzenen Metalls, welches den Hohlraum 10 füllt, ein Temperaturgefalle hervorgerufen wird, wenn sich das Metall verfestigt.

Bei der vorliegenden Ausführungsforn: sind eine Anzahl von 2inzelfonsen 16, 16, 20 und 22 rings des inneren Umfanges bzw. der inneren Oberfläche 23 des Kohres 4 angebracht. Jede dieser Jormen besitzt eine kleine Öffnung 24 am Bodenende jeder Form im Abstand oberhalb der Kühlplatte "6. Wenn nun das Metall sich zu verfestigen beginnt, so hat es eine gesteuerte, säulenförmige Struktur und durch das Schaffen einer kleinen Öffnung wie 24 in jeder der einzelnen Formen 16, 18, 20 und 22 wird das Wachsen eines Einkristalls darin gefördert. Was daher erzeugt wird, ist im Effekt eine gro5e Masse mit gesteuerter, säulenförmiger Struktur, welche relativ kleinere Massen an Einkristall umgibt. Ein bezeichnendes Merkmal der Konstruktion der einzelnen Formen besteht darin, daß die

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kleine Öffnung '2λ ir: jeder der Peru.ei äie einzire Warns-.'lertra^ungseinschränkmuc von jeder dieser Fernen zur Kühlplatte G ist. Dies hat ;;uin Jir^ebnis, da.i eo dieser Tj ρ an Former. geometrie gestattet, da..< die Hitze innerhalb des For:_;.enrohres irit einer rangieren Geschwindigkeit abgeführt wird, als he: den f-;eläuf igen Forn.enknnstruktionen ,welche eine Doppelverengunf bzw. eine schv.-ei ff örn:it"e Gestaltung benutzer., v,ie d-ies in der USA-^Xatentanmeldun£ Kr. f,4C 114 vom 17. Februar 1966 veranschaulicht iet.

■Wie bereits bemerkt, ist das Volumen des EcVres ~ v.'esentllch gröi3-er als das Volumen innerhalb jeder de"" Pcriren 16, 13, 20 und 2;.. Deshalb uir.tribt die Porten 16, 1t, 2C und 22 eine relativ ^röliere Ka ε so als in deren Irr.ererc ist. 3eir._; nunmehrigen Portschreiten der gerichteten Verfestigung· bewegt sieh die PlUasitikeits—Pestetcff—Zwischenfläche bzv,·. Irenzfliiclie von de?¹ Kühlplatte 6 fort. Als Errehnis der Vrärrrc-über— tra^unfrrbeschränlvun/; von aen einzelnen Formen 16, 16, 2C xinö 2? zur Kühlplatte 6, verursacht durch die öffnunr 2-, Vewe^t ricli die Plüssiglicits-Peststoff-Grenzfläche irr- Inneren der Porrjen 16, 16, CG und 22 langsamer als die Grenzfläche der Masse, welche die Formen umgibt. Anders ausgedruckt iet "bei einem bestimmten Abstand von der Kühlplatte die Verfestigung der wesentlichen Masse innerhalb des Rohres höher als die Verfestigung innerhalb der Formen 16, 16, 20 und 22«, Dies bedeutet auch, daß sich die Masse, welche die Formen umgibt, auf einer niedrigeren Temperatur befindet und die Hitze seit-ι lieh von den Formen 16, 18, 20 und 22 abgeführt wird. Durch das Abziehen von Hitze aus den Formen 16, 16, 20 und 22 mit dieser gesteigerten und wirksameren Geschwindigkeit, wird ein schnelleres Einkristallwachstum innerhalb der Formen gefördert und man kann relativ größere und kompliziertere Ge- ; staltungen herstellen,,

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Um das Entfernen der einzelnen Formen 16, 18, 20 und 22 zu erleichtern, ist jede der Formen mit einer Schicht aus keramischen Material 26 umgehen. Selbstverständlich verrichtet diese Schicht 26 auch andere Funktionen wie das Erleich-• tern des Hitzeabzuges aus der Form.

Die in den Figuren 3 und 4 veranschaulichte Formenkonstr.uk-, tion ist eine andere Ausführungsf orm der Erfindung und besitzt den Vorteil, daß nicht eine bemerkenswerte Menge geschmolzenen Metalls verschwendet wird» Wie gezeigt, besteht die Form aus einem inneren Rohr 102 und einem äußeren Rohr 104, wodurch dazwischen eine ringförmige Kammer 106 gebildet wird« Die Rohre 102 und 104 besitzen denselben Aufbau wie das Rohr 4 in Figur 1 und sind in ähnlicher Weise auf die Kühlplatte 106 gestellt. Die einzelnen Formen 11.6, 118,. 120 und 122 befinden sich bei dieser Ausführungsform in der ringförmigen Kammer 106 und das geschmolzene Metall wird nur in die Ringkammer 106 gegossen. Die Einkristallstücke werden in den einzelnen Formen 116, 118, 120 und 122 in der gleichen Weise gebildet wie in den Figuren 1 und 2, wobei der Einkristall durch die Öffnung 124 in die Formen eintritt.

Es sei betont, da!?, diese Art der Konfiguration bei den einzelnen Formen angewandt, werden kann. Wenn einmal das Einkristallwachstum innerhalb der Form gefördert ist, so kann man das Metall veranlassen, durch einen Zentralkern 134 hindurch und rings um den Kern 134 zu der gewünschten Gestalt 136 zu wachsen. Diese Art der Konfiguration der Einzelform steigert die Hitzeabzugsgeschwindigkeit weiter. Wie auch in den Figuren. 1 und 2.sind die Einzelformen von einer Schicht aus keramischen Material 126 umgeben.

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In jeder der Figuren 1, 2 und.3 sind die Einzelformen in einer Stellung oberhalb der Kühlplatte.gezeigt.Dies ist wichtig, denn es wurde gefunden, daß während des Vorganges der gerichteten Verfestigung das verfestigte-Metall in Nachbarschaft der Kühlplatte eine zufällige Kristallorientierung besitzt. Um einen Einkristall mit bevorzugter Orientierung zu erhalten, sollten demgemäß die Einzelformen in einem Abstand oberhalb der Kühlplatte angebracht sein, welcher ausreichend ist, um diese Wachstumszone zu vermeiden. Es ist klar, daß die einzelnen Formen oberhalb der Kühlplatte in gleicher Höhe oder in abgestufter Anordnung angebracht sein können. Jedoch wurde gefunden, daß ein optimaler Abstand von der Kühlplatte zu der niedrigsten Einzelform etwa 1,27 cm betragen sollte.

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- Patentansprüche -

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Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln " ~ ι y 11 y / b Anlage Aklenzeidien zur Eingabe vom 13. März 1969 Nam« d. Anm. Uni ted Aircraft Corp. Forin zum Herstellen "von Sinkristallstücken Patentansprüche;

1. Form zum Herstellen von Einkristallstücken, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: ein kermaisches Rohr 4 mit einem offenen Ende; eine Kühlplatte 6, auf v/elcher das offene Ende des Rohres 4 ruht, wobei der übrige Teil des Rohres 4 zue Aufnehmen geschmolzenen Metalls offen ist; und eine Anzahl Einzelformen 16, 18, 20, 22, welche rings des inneren Umfanges des Rohres 4 angeordnet sind, wcbei jede Form eine kleine Öffnung 24 besitzt, um den Eintritt eines Einkornes geschmolzenen Metalls zu gestatten, und

\ . wobei die Öffnung 24 die einzige Einengung in jeder der Formen für die Wärmeübertragung von den Formen zur Kühl-. platte ist und wobei ferner das Volumen innerhalb jeder der Formen wesentlich geringer ist als das Volumen innerhalb des Rohres, so daß beim Eingießen geschmolzenen Metalls in das Rohr, die Masse in diesem wesentlich größer ist als die Masse im Inneren jeder Form.

2. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einzelformen 16, 18, 20, 22 vom Rohr 4 durch eine Keramikschicht "abgetrennt ist.

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3. Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch "gekennzeichnet, daß die Einzelformen 16, 18, 20, 22 sich im Abstand von dem Ende dee Rohres 4 befinden, -welches auf der Kühlplatte 6 ' ruht, und daß die kleinen Öffnungen 24 in jeder der Formen 16, 18, 20, 22 sich am Bodenende jeder Form befinden,

•4. Form nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen 2<* in den einzelnen Formen 16, 18, 20, 22 sich in gleichem Abstand oberhalb des Rohrendes befinden, welches auf der Kühlplatte.6 ruht, wobei der Abstand mindestens etwa 1,27 cm beträgt.

b· Form nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen 24 in den einzelnen Formen 16, 16, 20, 22 sich in ßechostufigem.Abstand in bezug aufeinander oberhalb des Rohrendes befinden, velches auf der Kühlplatte 6 ruht, wobei der geringste Abstand mindestens etwa 1,27 cm beträgt.

6. Forn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Formen von einer Schicht keramischen Materials umgeben sind.

7. Form nach Anspruch 1, dadiirch gekennzeichnet, daß sie ein zweites keramisches Rohr 102 aufweist, welches zur Bildung einer ringförmigen Kammer 106 mit dem ersten keramischen Rohr 104 aufgestellt ist, wobei die Einzelformen 116, 118, 120, 122 sich innerhalb der ringförmigen Kammer 106 befinden und das Volumen innerhalb der Einzelformen wesentlich geringer ist als das Volumen innerhalb der ringförmigen Kammer.

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8. Form nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formen 116, 118, 120, 122 einen Zentralkern 134 aufweisen, in -welchen geschmolzenes Metall eintritt, so daß die äußere "Oberfläche und die innere Oberfläche der Form mit geschmolzenem Metall umgeben ist. ■

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