DE19539770A1

DE19539770A1 - Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE19539770A1
Application number: DE19539770A
Authority: DE
Inventors: Edvard L Prof Dr Kats; Maxim Dr Konter; Joachim Dr Roesler; Vladimir P Dr Lubenets
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 1997-01-02
Also published as: EP0749790A1; JPH0910919A; EA000040B1; DE59605783D1; US5921310A; JP3919256B2; EA199600020A3; EA199600020A2; EP0749790B1; EP0749790B2

Description

Mit Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers können kompliziert ausgebildete und hohen thermischen und mechanischen Belastungen aussetzbare Bau teile, wie etwa Leit- oder Laufschaufeln von Gasturbinen, hergestellt werden. Je nach den Verfahrensbedingungen kann hierbei der gerichtet erstarrte Gießkörper als Einkristall ausgebildet oder von in einer Vorzugsrichtung ausgerichteten Stengelkristallen gebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist es, daß die gerichtete Erstarrung unter Bedingungen statt findet, bei denen zwischen einem gekühlten Teil einer geschmolzenes Ausgangsmaterial aufnehmenden Gießform und dem noch geschmolzenen Ausgangsmaterial ein starker Wärmeaus tausch stattfindet. Es kann sich dann eine Zone gerichtet erstarrten Materials mit einer Erstarrungsfront ausbilden, welche bei dauerndem Entzug von Wärme unter Bildung des direkt erstarrten Gießkörpers durch die Gießform wandert.

Die Herstellung eines fehlerfreien Gießkörpers hängt wesentlich von der Größe des Temperaturgradienten an der Erstar rungsfront und der Verfestigungsgeschwindigkeit ab. Mit geringem Temperaturgradienten und hoher Verfestigungs geschwindigkeit kann kein gerichtet erstarrter Gießkörper hergestellt werden. Hingegen kann mit einem großen Tempera turgradienten und mit geringer Verfestigungsgeschwindigkeit zwar ein gerichtet erstarrter Gießkörper hergestellt werden, jedoch weist ein solcher Gießkörper unerwünschte Fehlstellen auf, wie insbesondere in Ketten angeordnete und gleichachsig ausgerichtete Körner (freckles).

STAND DER TECHNIK

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers und von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wie es beispielsweise in US-A-3,532,155 beschrieben ist. Das beschriebene Verfahren dient der Herstellung der Lauf- und Leitschaufeln von Gasturbinen und verwendet einen evakuier baren Ofen. Dieser Ofen weist zwei durch eine wassergekühlte Wand voneinander getrennte und übereinander angeordnete Kammern auf, von denen die obere Kammer heizbar ausgebildet ist und einen schwenkbaren Schmelztiegel zur Aufnahme von zu vergießendem Material, beispielsweise eine Nickel-Basis legierung, aufweist. Die mit dieser Heizkammer durch eine Öffnung in der wassergekühlten Wand verbundene untere Kammer ist kühlbar ausgebildet und weist wasserdurchströmte Wände auf. Eine durch den Boden dieser Kühlkammer und die Öffnung in der wassergekühlten Wand geführte Antriebsstange trägt eine wasserdurchströmte Kühlplatte, welche den Boden einer in der Heizkammer befindlichen Gießform bildet.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird zunächst im Schmelz tiegel verflüssigte Legierung in die in der Heizkammer befindliche Gießform gegossen. Hierbei bildet sich oberhalb der den Formboden bildenden Kühlplatte eine schmale Zone aus gerichtet erstarrter Legierung. Bei einer in die Kühlkammer gerichteten Abwärtsbewegung der Gießform wird diese Form durch die in der wassergekühlten Wand vorgesehene Öffnung geführt. Eine die Zone aus gerichtet erstarrter Legierung begrenzende Erstarrungsfront wandert unter Bildung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers von unten nach oben durch die gesamte Gießform.

Zu Beginn des Erstarrungsprozesses werden ein großer Temperaturgradient und eine hohe Verfestigungsgeschwindigkeit erreicht, da das in die Form gegossene Material zunächst unmittelbar auf die Kühlplatte auftrifft und die der Schmelze zu entziehende Wärme von der Erstarrungsfront durch eine vergleichsweise dünne Schicht erstarrten Materials mit einer Wärmeübergangszahl α_cm zur Kühlplatte geleitet wird. Weist das Material eine relativ geringe spezifische Wärmeleit fähigkeit auf, so wird mit wachsendem Abstand zwischen Kühlplatte und Erstarrungsfront in zunehmendem Masse Wärme durch die Wände der Gießform mit einer Wärmeübergangszahl
α_cmd abgeleitet als auch von der Formoberfläche mit einer Wärmeübergangszahl α_r in die kühlere Umgebung abgestrahlt. Gemäß dem Newtonschen Wärmeübergangsgesetz bestimmt sich dann die dem Gießkörper entzogene Wärme q wie folgt:

q = α(T - T₀),

wobei T die mittlere Temperatur des Gießkörpers und T₀ die Umgebungstemperatur, wie sie etwa durch die wassergekühlten Wände der Kühlkammer bestimmt ist, bedeuten, und wobei 1/α = 1/α_cm + 1/α_cmd + 1/α_r.

Für eine große Gasturbinenschaufel aus einer Nickel- Basissuperlegierung ergeben sich typischerweise folgende Werte der Wärmeübergangszahlen:

α_cm = lambda_m/δ_m = 816 J/m²sK,
α_cmd = lambda_md/δ_md = 200 J/m²sK,

wobei lambda_m bzw. lambda_md die spezifische Wärmeleitfähig keit der Legierung bzw. der keramischen Gießform und δ_m bzw. δ_md die Dicke der bereits erstarrten Metallschicht (angenom men als 30 mm) zwischen dem unter der wassergekühlten Wand gelegenen Teil der Formwand und der Erstarrungsfront bzw. die Dicke der Formwand (angenommen als 10 mm) bedeuten, und α_r = σ(ε₁T₁⁴ - ε₂T₀⁴)/(T₁ - T₀) = 130 J/m²sK, wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, ε₁, T₁ bzw. ε₂, T₀ die Emissions fähigkeit und Temperatur der Gießformoberfläche bzw. die Absorptionsfähigkeit und Temperatur der Umgebung bedeuten (ε₁ = ε₂ = 0,5; T₁ = 1500K; T₀ = 400K).

Hieraus ergibt sich α = 72 J/m²sK.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers ist aus US-A-3,763,926 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine mit einer aufgeschmolzenen Legierung gefüllte Gießform allmählich und kontinuierlich in ein auf ca. 260°C aufgeheiztes Zinnbad eingetaucht. Hierdurch wird eine besonders rasche Abfuhr von Wärme aus der Gießform erreicht. Der mit diesem Verfahren gebildete, gerichtet erstarrte Gießkörper zeichnet sich durch eine Mikrostruktur mit geringen Inhomogenitäten aus. Bei der Herstellung von vergleichbar ausgebildeten Gasturbinenschaufeln können mit diesem Verfahren nahezu doppelt so große α-Werte erreicht werden wie mit dem Verfahren nach US-A-3,532,155. Zur Vermeidung unerwünschter gasbildender Reaktionen, die die bei der Durchführung dieses Verfahrens eingesetzte Vorrichtung beschädigen können, benötigt dieses Verfahren jedoch eine besonders genaue Temperaturregelung. Zudem ist die Wandstärke der Gießform größer als beim Verfahren nach der US-A-3,532,155 zu wählen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem in einfacher Weise gerichtet erstarrte Gießkörper mit einer geringen Anzahl an Fehlstellen hergestellt werden können, und zugleich eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Durchführung dieses Verfahrens in vorteilhafter Weise begünstigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es gerichtet erstarrte und nahe fehlstellenfreie Gießkörper geringer Porosität liefert, welche selbst bei komplexer Ausgestaltung praktisch splitterfrei ausgebildet sind. Zudem ermöglicht das Verfahren rasche Durchlaufzeiten und kann auch in Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durchgeführt werden, welche mit geringem Aufwand umgerüstet worden sind.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels näher beschrieben.

Hierbei zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung weist eine über ein Vakuumsystem 1 evakuierbare Vakuumkammer 2 auf. Die Vakuumkammer 2 nimmt zwei durch ein Baffle (Strahlungsschild) 3 voneinander getrennte, übereinander angeordnete Kammern 4, 5 und einen schwenkbaren Schmelztiegel 6 zur Aufnahme einer Legierung, beispielsweise einer Nickel-Basissuperlegierung, auf. Die obere 4 der beiden Kammern ist heizbar ausgebildet. Die mit der Heizkammer 4 durch eine Öffnung 7 im Baffle 3 verbundene untere Kammer 5 enthält eine Vorrichtung zum Erzeugen und Führen einer Gasströmung. Diese Vorrichtung enthält einen Hohlraum mit Öffnungen bzw. Düsen 8, welche nach innen auf eine Gießform 12 weisen sowie ein System zum Erzeugen von Gasströmen 9. Die aus den Öffnungen bzw. Düsen 8 tretenden Gasströme sind überwiegend zentripetal geführt. Eine beispielsweise durch den Boden der Kühlkammer 5 geführte Antriebsstange 10 trägt eine gegebenenfalls wasserdurchström te Kühlplatte 11, welche den Boden einer Gießform 12 bildet.

Diese Gießform kann durch einen auf die Antriebsstange 10 wirkenden Antrieb von der Heizkammer 4 durch die Öffnung 7 in die Kühlkammer 5 geführt werden.

Die Gießform 12 weist oberhalb der Kühlplatte 11 ein dünnwandiges, beispielsweise 10 mm dickes, Teil 13 aus Keramik auf, welches die Bildung von Kristallen fördernde Keime und/oder einen Helixstarter aufnehmen kann. Durch Abheben von der Kühlplatte 11 bzw. durch Aufsetzen auf die Kühlplatte 11 kann die Gießform 12 geöffnet bzw. geschlossen werden. An ihrem oberen Ende ist die Gießform 12 offen und kann über eine in die Heizkammer 4 geführte Füllvorrichtung 14 mit aufgeschmolzener Legierung 15 aus dem Schmelztiegel 6 gefüllt werden. Die Gießform 12 in der Heizkammer 4 umgeben de elektrische Heizelemente 16 halten den im heizkammerseiti gen Teil der Gießform 12 befindlichen Legierungsteil ober halb ihrer Liquidustemperatur.

Die Kühlkammer ist mit dem Eingang eines Vakuumsystems 17 zum Entfernen des einströmenden Gases aus der Vakuumkammer 2 und zum Kühlen und Reinigen des entfernten Gases verbunden.

Zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers wird zunächst die Gießform 12 durch eine Aufwärtsbewegung der Antriebsstange 10 in die Heizkammer 4 gebracht (in der Figur gestrichelt angedeutet). Im Schmelztiegel 6 verflüssigte Legierung wird sodann über die Füllvorrichtung 14 in die Gießform 12 gegossen. Hierbei bildet sich oberhalb der den Formboden bildenden Kühlplatte 11 eine schmale Zone aus gerichtet erstarrter Legierung (in der Figur nicht dargestellt).

Bei einer in die Kühlkammer 5 gerichteten Abwärtsbewegung der Gießform 12 wird das Keramikteil 13 der Gießform 12 sukzessive durch die im Baffle 3 vorgesehene Öffnung 7 geführt. Eine die Zone aus gerichtet erstarrter Legierung begrenzende Erstarrungsfront 19 wandert unter Bildung eines gerichtet erstarrten Gießkörpers 20 von unten nach oben durch die gesamte Gießform (Figur).

Zu Beginn des Erstarrungsprozesses werden ein großer Temperaturgradient und eine hohe Verfestigungsgeschwindigkeit erreicht, da das in die Form gegossene Material zunächst unmittelbar auf die Kühlplatte auftrifft und die der Schmelze zu entziehende Wärme von der Erstarrungsfront durch eine vergleichsweise dünne Schicht erstarrten Materials zur Kühl platte 11 geführt wird. Wenn der von der Kühlplatte 11 gebildete Boden der Gießform 12, gemessen von der Unterseite des Baffle 3, einige Millimeter, beispielsweise 5 bis 40 mm, in die Kühlkammer 5 eingedrungen ist, wird aus den Öffnungen bzw. Düsen 8 inertes, mit dem erhitzten Material nicht reagierendes Druckgas, beispielsweise ein Edelgas, wie etwa Helium oder Argon, oder ein anderes inertes Fluid, zugeführt. Die aus den Öffnungen bzw. Düsen 8 austretenden Inertgasströme prallen auf die Oberfläche des Keramikteils 13 auf und werden längs der Oberfläche nach unten weggeleitet. Hierbei entziehen sie der Gießform 12 und damit auch dem bereits gerichtet erstarrten Teil des Gießforminhalts Wärme q. Entsprechend dem Stand der Technik nach US-A-3,532,155 errechnet sich die entzogene Wärme wie folgt:

q = α(T - T₀),

wobei T die Temperatur des Gießkörpers an der Erstarrungsfront und T₀ die Umgebungstemperatur, wie sie durch die Wände der Kühlkammer 5 bzw. der Vakuumkammer 2 bestimmt ist, bedeuten, und wobei

α_r (Wärmeübergang durch Strahlung) + (α_cvgas (Wärmeübergang durch Konvektion).

Ein besonders hoher Wärmentzug auch bei einer komplex ausgebildeten Gießform wird erreicht, wenn das Baffle 3 gekühlt ist und/oder wenn seine Öffnung 7 von flexiblen, an der Gießform 12 anliegenden Fingern 21 begrenzt ist.

α_cm = lambda_m/δ_m = 816 J/m²sK,
α_cmd = lambda_md/δ_md = 200 J/m²sK,

wobei lambda_m bzw. lambda_md die spezifische Wärmeleitfähig keit der Legierung bzw. der keramischen Gießform 12 und δ_m bzw. δ_md die Dicke der bereits erstarrten Metallschicht (angenommen als 30 mm) zwischen Formwand (unter dem Baffle 3 gelegen) und Erstarrungsfront bzw. die Dicke der Formwand (angenommen als 10 mm) bedeuten, und α_GCC = 800 J/m²sK. Hieraus ergibt sich mit α = 134 J/m²sK ein Wärmeübergangswert, welcher demjenigen nach dem schwerer beherrschbaren Verfahren gemäß US-A-3,763,926 entspricht.

Das in die Kühlkammer 5 eingeblasene Inertgas kann durch das Vakuumsystem 17 aus der Vakuumkammer 2 entfernt, abgekühlt gefiltert und - auf einige bar komprimiert - Rohrleitungen 18 zugeführt werden, die mit den Öffnungen bzw. Düsen 8 in Wirkverbindung stehen.

Das Befüllen einer nächsten Gießform mit geschmolzenem Metall kann nach Entfernen der Gießform 12 und Evakuieren der Vakuumkammer 2 ausgeführt werden.

Nachfolgend sind die Eigenschaften von als Gasturbinen schaufeln ausgebildeten Gießkörpern angegeben, welche nach den Verfahren gemäß US-A-3,532,155, gemäß US-A-3,763,926 und gemäß der Erfindung hergestellt worden sind. Diese Schaufeln wiesen jeweils gleiche geometrische Abmessungen auf (Länge jeweils 200 mm) und bestanden aus einer Nickel- Basissuperlegierung mit folgenden Hauptkomponenten in Gewichtsprozent:
Cr=6,5; Co=9,5; Mo=0.6; W=6,5; Ta=6,5; Re=2,9; Al=5,6; Ti=1,0; Hf=0,1; Ni=Rest.

Bei allen Verfahren waren die Ofengeometrien, die Heiztemperaturen und die Abgießtemperaturen identisch.

Bei den Verfahren nach US-A-3,532,155 und insbesondere US-A- 3,763,926 weist die Erstarrungsfront typischerweise eine konkave Form auf. Beim Verfahren nach der Erfindung ist die Erstarrungsfront hingegen eben oder sogar konvex ausgebildet. Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann so eine einkristal line Erstarrung einer Turbinenschaufel im Bereich ihres innen und ihres außen liegenden Endes besser eingestellt werden.

Ersichtlich zeichnet sich das Verfahren nach der Erfindung bei hoher Durchlaufgeschwindigkeit durch den Ofen dadurch aus, daß die danach hergestellten Gießkörper eine besonders große Einkristallbruchfestigkeit, eine geringe Porosität und keine Fehlstellen aufweisen. Darüber hinaus werden bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung Gießkörper hergestellt, die nahezu frei von Freckles und slivers sind.

Bezugszeichenliste

1 Vakuumsystem
2 Vakuumkammer
3 Baffle (Strahlungsschild)
4 Heizkammer
5 Kühlkammer
6 Schmelztiegel
7 Öffnung
8 Düsen
9 Inertgasströme
10 Antriebsstange
11 Kühlplatte
12 Gießform
13 Keramikteil
14 Füllvorrichtung
15 aufgeschmolzene Legierung
16 Heizelemente
17 Vakuumsystem
18 Rohrleitungen
19 Erstarrungsfront
20 Gießkörper
21 Finger

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Gießkörpers (20) in einer Vakuumkammer (2), bei dem eine in einer Gießform (12) befindliche flüssige Legierung aus einer Heizkammer (4) in eine Kühlkammer (5) geführt wird und dabei gerichtet erstarrt, wobei die Heizkammer (4) von der Kühlkammer (5) durch ein mit einer Öffnung (7) versehenes Baffle (3) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform unterhalb des Baffles (3) von außen zusätzlich mit strömendem Gas gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Inertgas, wie insbesondere Argon oder Helium, ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas nach Eintreten des Bodens der Gießform (12) in die Kühlkammer (5) geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in der Kühlkammer (5) in Richtung der Oberfläche der Gießform (12) geführt und anschließend aus der Vakuumkammer (2) entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch Abpumpen in Führungsrichtung der Gießform (12) aus der Vakuumkammer (2) entfernt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das abströmende Gas abgesaugt, gekühlt, gefiltert und danach erneut in die Kühlkammer (5) geführt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Heizkammer (4) abgewandten Seite des Baffle (3) Mittel zum Erzeugen und Führen der Gasströmung angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel der Führung der Gasströmung auf die Gießform (12) dienende Düsen oder Öffnungen (8) aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen die Perforationen mindestens einer perforierten Wand sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung und Führung der Gasströmung ringförmig um die im Baffle (3) vorgesehene Öffnung (7) angeordnet sind und überwiegend radial nach innen gerichtete Öffnungen oder Düsen (8) aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Gasströmung wassergekühlt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Kühlkammer (5) und/oder das Baffle (3) wirkende zusätzliche Kühlvorrichtung vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Baffle (3) gekühlt ist und/oder von in die Öffnung (7) geführten flexiblen, an der Gießform (12) anliegenden Fingern (21) begrenzt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer (5) mit dem Eingang eines Vakuumsystems (17) zum Entfernen des Gases aus der Kühlkammer (5) und zum Kühlen und Reinigen des entfernten Gases verbunden ist, welches Teil eines der Kühlkammer (5) wieder Gas zuführenden geschlossenen Kreislaufs ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang des Vakuumsystems (17) mit zu den Düsen oder Öffnungen (8) führenden Rohrleitungen (18) verbunden ist.