DE19919869B4

DE19919869B4 - Gussofen zur Herstellung von gerichtet ein- und polykristallin erstarrten Giesskörpern

Info

Publication number: DE19919869B4
Application number: DE19919869A
Authority: DE
Inventors: Martin Balliel
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2019-05-01
Also published as: GB0010454D0; GB2349449B; DE19919869A1; US6523599B1; GB2349449A

Abstract

Gussofen (1) zur Herstellung von gerichtet ein- und polykristallin erstarrten Gusskörpern, bestehend aus einer oberen Heizkammer (2) mit einer Heizkammerwand (4), welche mindestens ein Heizelement enthält, und mit einer Ofenabdeckung (8), einer unteren Kühlkammer (3), einer Giessform (11) mit Gussstücken (11a), einer Transportvorrichtung für die Giessform (11), und einer im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) zentral zwischen den Gussstücken (11a) angeordneten inneren Heizung (6), welche mindestens ein Heizelement enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) angeordnete innere Heizung (6) an der Ofenabdeckung (8) angebracht ist und dort an eine Energieversorgung angeschlossen ist, und die im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) angeordnete innere Heizung (6) hohlzylindrisch ausgeführt ist und oberhalb der inneren Heizung (6) ein Trichter (13) existiert, welcher über ein Verbindungsrohr (12) und eine rohrartige Verlängerung (14) der Giessform (11) mit der Giessform (11) so verbunden ist, dass ein Füllen der Gussstücke...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung handelt es sich um einen Gussofen zur Herstellung von gerichtet ein- und polykristallin erstarrten Giesskörpern.
STAND DER TECHNIK
Mit einem solchen Gussofen können kompliziert ausgebildete und hohen thermischen und mechanischen Belastungen aussetzbare Bauteile, etwa Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, hergestellt werden. Je nach Verfahrenbedingungen kann der gerichtet erstarrte Giesskörper als Einkristall („single crystal”, SX) ausgebildet oder von in einer Vorzugsrichtung ausgerichteten Stengelkristallen („directionally solidified”, DS) polykristallin gebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist es, dass die gerichtete Erstarrung unter Bedingungen stattfindet, bei denen zwischen einem gekühlten Teil einer geschmolzenes Ausgangsmaterial aufnehmenden Giessform und dem noch geschmolzenen Ausgangsmaterial ein starker Wärmeaustausch 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.
Aus der Schrift EP-A1-749 790 ist ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einer Vakuumkammer, welche eine obere Heizkammer und eine untere Kühlkammer enthält. Beide Kammern sind durch ein Baffle getrennt. Die Vakuumkammer nimmt eine Giessform auf, welche mit einer Schmelze gefüllt wird. Für die Herstellung von thermisch und mechanisch belastbaren Teilen, wie im Falle von Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, wird beispielsweise eine Superlegierung auf der Basis von Nickel verwendet. In der Mitte des Baffles ist eine Öffnung vorhanden, durch welche die Giessform während des Verfahrens langsam von der Heizkammer in die Kühlkammer bewegt wird, so dass das Gussstück von unten nach oben gerichtet erstarrt. Die Abwärtsbewegung geschieht durch eine Antriebsstange, auf welcher die Giessform gelagert ist. Der Boden der Giessform ist wassergekühlt ausgeführt. Unterhalb des Baffles sind Mittel zum Erzeugen und Führen einer Gasströmung vorhanden. Diese Mittel sorgen durch die Gasströmung neben der unteren Kühlkammer für eine zusätzliche Kühlung und dadurch für einen grösseren Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront.
Ein ähnliches Verfahren, welches neben Heiz- und Kühlkammer mit einer zusätzlichen Gaskühlung arbeitet, ist beispielsweise auch aus der Patentschrift US 3,690,367 bekannt.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von gerichtet erstarrten Gussteilen mit Heiz- und Kühlkammer ist beispielsweise auch in der Druckschrift US 3,532,155 beschrieben.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers ist aus der Druckschrift US 3,763,926 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine mit einer aufgeschmolzenen Legierung gefüllte Giessform kontinuierlich in ein auf ca. 260°C aufgeheiztes Bad getaucht. Hierdurch wird eine besonders rasche Abfuhr von Wärme aus der Giessform erreicht. Dieses und andere, ähnliche Verfahren sind unter dem Begriff LMC (liquid metal cooling) bekannt.
Bei allen genannten Verfahrenstypen besteht die obere Heizkammer aus einem oder mehreren Heizelementen, welche die sich darin befindliche Giessform von aussen umgeben und üblicherweise zylindrisch ausgestaltet sind, und aus einer thermischen Isolation, welche die Heizkammer nach oben abschliesst. Um eine erhöhte Produktivität und eine einheitliche Gussqualität zu erzielen, werden insbesondere bei der Produktion von Turbinenschaufeln möglichst viele Gussstücke in einer Giessform symmetrisch auf einem imaginären Kreis oder in ähnlicher Weise angeordnet.
Ein wesentlicher Nachteil der genannten Verfahren besteht darin, dass in der Heizkammer aufgrund der aussen angeordneten Heizung Wärme bevorzugt in die nach aussen zeigenden Flächen der Giessform eingebracht wird. Insbesondere bei Vakuumöfen erfolgt die Wärmeübertragung nur über Strahlung. Bei einer kreisförmigen oder ähnlichen Anordnung mehrerer Gussstücke in einer Giessform schattet die Giessform einen Teil der von der Heizung kommenden Wärmestrahlung ab, so dass vor allem die nach innen ins Zentrum der Heizkammer zeigenden Giessformoberflächen kälter sind als die nach aussen hin zu dem Heizelement zeigenden Oberflächen. Daraus resultiert eine Schräglage der Erstarrungsfront in den Gussstücken, d. h. die Erstarrungsfront weicht deutlich von der im Erstarrungsprozess erwünschten horizontalen Lage ab. Bei gerichtet erstarrten, polykristallinen Gussstücken liegen die Korngrenzen nachteilig schräg und es tritt verstärkt eine unerwünschte Kornvergröberung auf. Bei einkristallinen und gerichtet erstarrten polykristallinen Gussstücken können durch diese Schräglage der Erstarrungsfront unerwünschte Fehlkörner entstehen. Eine Schräglage der Erstarrungsfront begünstigt bei vielen gerichtet erstarrenden Legierungen auch die Bildung unerwünschter Fehlstellen, sogenannter „Freckles”, d. h. eine in vertikaler Richtung angeordnete Serie kleiner Fehlkörner.
US 4372781 offenbart ein pulvermetallurgisches Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung anisotroper metallischer oder keramischer Materialien, insbesondere zur Behandlung eutektischer und eutektoider Materialien. Die Behandlung schliesst ein Schmelzen (Zonenschmelzen) und anschliessendes Homogenisieren und gerichtetes Erstarren der Materialien ein. Zu diesem Zweck wird ein Ofen mit Mitteln zum Heizen, zum Kühlen und zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre vorgeschlagen. Die Heizzone umfasst dabei sowohl über den Umfang des Ofens angeordnete Heizmittel wie auch zentral angeordnete, wobei aber tiefer gehende Informationen zu deren Anordnung und ihrem Zusammenwirken während der Behandlung aus dieser Schrift nicht zu entnehmen sind.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zu beheben und einen Gussofen zur Herstellung von gerichtet erstarrten Giesskörpern zu schaffen, welcher die Schräglage, welche an der Erstarrungsfront auftritt, vermeidet. Erfindungsgemäss wird dies bei einem Gussofen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die im mittleren Bereich der oberen Heizkammer zentral zwischen den Gussstücken angeordnete innere Heizung an der Ofenabdeckung angebracht ist und dort an eine Energieversorgung angeschlossen ist, und die im mittleren Bereich der oberen Heizkammer angeordnete innere Heizung hohlzylindrisch ausgeführt ist und oberhalb der inneren Heizung ein Trichter existiert, welcher über ein Verbindungsrohr und eine rohrartige Verlängerung der Giessform mit der Giessform so verbunden ist, dass ein Füllen der Gussstücke über den Trichter, das Verbindungsrohr und die rohrartige Verlängerung durch die hohlzylindrische Heizung möglich ist.
Die innere Heizung heizt die kälteren, nach innen ins Heizkammerzentrum zeigenden Flächen in der Form auf, so dass die Erstarrungsfront weitgehend horizontal durch die Gussstücke verläuft. Als Richtwert sollte die innere Heizung, welche aus einem oder mehreren Heizern bestehen kann, die gleiche Temperatur haben wie der bzw. die äusseren Heizelemente auf vergleichbarer Höhe in der Heizkammer.
Der untere Bereich der Heizkammer wird gegenüber der unteren Kühlkammer thermisch isoliert, um einen Wärmeverlust dorthin zu vermeiden und einen grösseren Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront zu erzeugen. Zum Zweck der Isolation kann im mittleren Bereich zwischen der oberen Heizkammer und der unteren Kühlkammer ein inneres Baffle angeordnet sein.
Mit dem erfindungsgemässen Gussofen können eine erhöhte Produktivität und eine einheitlichere Gussqualität erzielt werden, da eine grössere Anzahl von Gussstücken in dem Gussofen angeordnet werden kann, ohne einen Verlust in der Qualität, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, zu erleiden. Indem die innere Heizung hohlzylindrisch ausgestaltet ist, wird die Giessform von oben durch die Heizung mit Hilfe des Trichters eingefüllt. Dabei kann die Innenoberfläche der Heizung thermisch isoliert sein.
Weitere Ausführungsarten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Gussofens mit einer inneren Heizung,
2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Gussofen mit einer hohlzylindrischen inneren Heizung und einem Einfülltrichter,
3 einen Querschnitt gemäss der Linie III-III in der 2 durch einen erfindungsgemässen Gussofen mit einer hohlzylindrischen inneren Heizung.
Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt. Gleiche Elemente werden in verschiedenen Zeichnungen gleich bezeichnet.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gussofens 1 zur Herstellung von gerichtet ein- und polykristallin erstarrten Gusskörpern, wie sie beispielsweise bei Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen vorkommen. Der Gussofen 1 besteht aus einer oberen Heizkammer 2 und einer unteren Kühlkammer 3. Beide Kammern 2, 3 können an ein nicht dargestelltes Vakuumsystem angeschlossen werden, um die Kammern 2, 3 zu evakuieren. Die obere Heizkammer 3 ist zylindrisch geformt und weist eine Heizkammerwand 4 auf, welche mindestens ein Heizelement enthält. Die obere Heizkammer 3 ist nach oben durch eine Ofenabdeckung 8 begrenzt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen der oberen Heizkammer 2 und der unteren Kühlkammer 3 ein Baffle 5 angeordnet.
Innerhalb der Kühlkammer 3 sind nicht näher dargestellte Kühlvorrichtungen vorhanden. Es kann sich beispielsweise um eine aus der Offenlegungsschrift EP-A1-749 790 bekannte Gaskühlung, um eine LMC-Kühlung oder um einem Hohlraum mit gekühlten Wänden handeln. Im inneren Raum 9 der Heizkammer 2 ist üblicherweise eine Giessform 11 mit Gusstücken 11a vorhanden, in welche die Schmelze eingegossen wird, symmetrisch auf einem imaginären Kreis oder in ähnlicher Weise angeordnet. Der Einfachheit halber sind sowohl die Giessform 11, die Vorrichtung zum Einfüllen der Legierung in die Giessform 11 und auch die Transportvorrichtung, welche die Giessform 11 während des Verfahrens zur Herstellung der Gussstücke 11a von der Heizkammer 2 in die Kühlkammer 3 führt, in der 1 fortgelassen. Es handelt sich dabei um normale, aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen.
In der Mitte der Heizkammer 2 befindet sich erfindungsgemäss eine innere Heizung 6. Diese innere Heizung 6 wird vorteilhaft im Bereich der oberen Ofenabdeckung 8 mechanisch an einer Halterung 7 gehalten. Von dort kann auch die Energiezufuhr, z. B. elektrischer Strom im Falle einer Widerstandsheizung, erfolgen. Diese elektrischen Anschlussleitungen der inneren Heizung 6 sind in der 1 nicht näher dargestellt. Die zentral angeordnete innere Heizung 6 heizt die kälteren, nach innen ins Zentrum der Heizkammer 2 zeigenden Flächen der Giessform 11 in der Form auf, so dass die Erstarrungsfront weitgehend horizontal durch die Gussstücke verläuft. Als Richtwert sollte die zentrale Heizung 6, welche aus einem oder mehreren Heizelementen bestehen kann, eine Temperatur der gleichen Grössenordnung haben wie das mindestens eine Heizelement der Heizkammerwand 4 auf vergleichbarer Höhe in der Heizkammer 2.
Die innere Heizung 6 kann vorteilhaft nach unten durch eine thermische Isolation abgeschlossen sein. In der 1 wird zum Zweck der Isolierung neben der thermischen Isolation am unteren Ende der inneren Heizung 6 ein zusätzliches inneres Baffle 10 für den inneren Bereich zwischen der oberen Heizkammer 2 und der unteren Kühlkammer 3 verwendet. Diese Isolation reduziert den Wärmeverlust von den nach innen zeigenden Oberflächen der Giessform 11 zur Kühlkammer 3, da der innere Raum 9 nach unten hin abgeschlossen wird. So kann ein höherer Temperaturgradient in den Gussstücken 11a erreicht werden.
Bei Verfahren, welche wie in den Druckschriften EP-A1-749 790 bzw. US 3,532,155 arbeiten, erstreckt sich die zentrale Heizung 6 vom oberen Bereich der Heizkammer 2 vorteilhaft bis kurz oberhalb der Kühlkammer 3.
Bei LMC-Verfahren, wie beispielsweise aus der Druckschrift US 3,763,926 bekannt, erstreckt sich die zentrale Heizung 6 vom oberen Bereich der Heizkammer 2 vorteilhaft bis etwas oberhalb der Kühlbadoberfläche oder bis in den Bereich des Baffles 5, um insbesondere einen direkten Kontakt mit der Kühlflüssigkeit zu vermeiden.
Die innere Heizung 6 ist zentral angeordnet. Die 2 zeigt, dass die innere Heizung 6 hohlzylinderförmig gebaut und zentral angeordnet ist, wodurch die Symmetrie der Giessform 11 und damit eine einheitliche Gussqualität aller auf einem Kreis oder ähnlich angeordneten Gussstücke 11a einer Giessform 11 nicht gestört wird. In diesem Fall kann der Einguss von Giessschmelze in einen mittig am oberen Ende der zentralen Heizung 6 positionierten Trichter 13 erfolgen. Die Schmelze wird dann durch ein Verbindungsrohr 12 zu den Gussstücken 11a innerhalb der hohlzylindrisch ausgeführten inneren Heizung 6 geführt. Eine rohrartige Verlängerung 14 der Giessform 11 befindet sich im Bereich des unteren Endes des Verbindungsrohrs 12. Die rohrartige Verlängerung 14 sollte mindestens so hoch sein wie die Füllhöhe der Gussstücke 11a, um ein Überlaufen während des Einfüllens zu verhindern. Um die thermische Belastung des Giesstrichters 13, des Verbindungsrohrs 12 und der rohrartigen Verlängerung 14 zu reduzieren, kann sowohl am oberen Ende als auch an den Innenflächen der hohlzylindrischen inneren Heizung 6 hin zum Trichter 13, zum Verbindungsrohr 12 und zur rohrartigen Verlängerung 14 eine thermische Isolation angebracht werden.
Die 3 zeigt einen Querschnitt gemäss der Linie III-III der 2 durch die obere Heizkammer 2 eines erfindungsgemässen Gussofens 1. In der Heizkammerwand 4 der oberen, zylindrischen Heizkammer 2 ist mindestens ein Heizelement angeordnet. Im inneren Raum der oberen Kühlkammer 2 befindet sich die innere Heizung 6, welche in der 3 als Hohlzylinder ausgeführt ist. Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform ist in der Mitte der hohlzylindrischen inneren Heizung 6 die rohrartige Verlängerung 14 sichtbar, welche zum zentralen Einfüllen der Giessstücke 11a dient. Der Trichter 13, welcher zum Einfüllen dient, und die Verbindungselemente vom Trichter 13 über das Verbindungsrohr 12 zu den Giessstücken 11a sind in der 3 nicht dargestellt. Unterhalb der inneren Heizung 6 befindet sich das innere Baffle 10. Innerhalb der oberen Heizkammer 2 sind um die innere Heizung 6 die Giessstücke 11a angeordnet. Sichtbar in der 3 ist auch das Baffle 5, welches unterhalb der oberen Heizkammer 2 zur Isolation zu der in der 3 nicht dargestellten unteren Kühlkammer 3 in runder Form angeordnet ist. Durch die Anordnung der inneren Heizung 6 in der Mitte der oberen Heizkammer 2 werden die Innenflächen der Giessstücke 11a in gleichem Masse wie die der Heizkammerwand 4 zugewandten Aussenflächen beheizt, und die innere Abschirmung vor der Strahlung der Heizkammerwand 4 durch die Giessstücke 11a selbst wird kompensiert.
Mit dem erfindungsgemässen Gussofen 1 können eine erhöhte Produktivität und eine einheitlichere Gussqualität erzielt werden, da eine grössere Anzahl von Gussstücken 11a in dem Gussofen 1 angeordnet werden kann, ohne einen Verlust in der Qualität, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, zu erleiden, da die innere Heizung 6 die Gussstücke 11a von der Innenseite her beheizt und so die durch die Gussstücke 11a selbst hervorgerufene Abschirmung vor der von der Heizkammerwand 4 kommenden Strahlung kompensiert.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern bezieht sich allgemein auf Gussöfen zur Herstellung von gerichtet ein- und polykristallin erstarrten Gusskörpern.

1: Gussofen
2: Heizkammer
3: Kühlkammer
4: Heizkammerwand
5: Baffle
6: Innere Heizung
7: Halterung
8: Ofenabdeckung
9: Raum für Gussstücke 11a
10: Inneres Baffle
11: Giessform
11a: Gussstücke 11a
12: Verbindungsrohr
13: Trichter
14: Rohrartige Verlängerung der Giessform 11

Claims

Gussofen (1) zur Herstellung von gerichtet ein- und polykristallin erstarrten Gusskörpern, bestehend aus einer oberen Heizkammer (2) mit einer Heizkammerwand (4), welche mindestens ein Heizelement enthält, und mit einer Ofenabdeckung (8), einer unteren Kühlkammer (3), einer Giessform (11) mit Gussstücken (11a), einer Transportvorrichtung für die Giessform (11), und einer im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) zentral zwischen den Gussstücken (11a) angeordneten inneren Heizung (6), welche mindestens ein Heizelement enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) angeordnete innere Heizung (6) an der Ofenabdeckung (8) angebracht ist und dort an eine Energieversorgung angeschlossen ist, und die im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) angeordnete innere Heizung (6) hohlzylindrisch ausgeführt ist und oberhalb der inneren Heizung (6) ein Trichter (13) existiert, welcher über ein Verbindungsrohr (12) und eine rohrartige Verlängerung (14) der Giessform (11) mit der Giessform (11) so verbunden ist, dass ein Füllen der Gussstücke (11a) über den Trichter (13), das Verbindungsrohr (12) und die rohrartige Verlängerung (14) durch die hohlzylindrische Heizung (6) möglich ist.
Gussofen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der im mittleren Bereich der oberen Heizkammer (2) angeordneten inneren Heizung (6) eine thermische Isolation angebracht ist.
Gussofen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der inneren Heizung (6) ein inneres Baffle (10) zwischen der unteren Kühlkammer (2) und der oberen Heizkammer (3) angeordnet ist.
Gussofen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Innenflächen der inneren, hohlzylindrischen Heizung (6) eine thermische Isolation hin zum Trichter (13) und/oder zum Verbindungsrohr (12) und/oder zur rohrartigen Verlängerung (14) angebracht ist.