DE2005393A1 - Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen und Vorrichtung zu dessen Durchführung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen und Vorrichtung zu dessen Durchführung

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DE2005393A1
DE2005393A1 DE19702005393 DE2005393A DE2005393A1 DE 2005393 A1 DE2005393 A1 DE 2005393A1 DE 19702005393 DE19702005393 DE 19702005393 DE 2005393 A DE2005393 A DE 2005393A DE 2005393 A1 DE2005393 A1 DE 2005393A1
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Description

Anmelder: United Aircraft Corporation
Verfahren zur Herstellung von Einkristall- · Gegenständen und Vorrichtung zu dessen Durchführung
Aus hitzebeständigen legierungen hergestellte Einkristall-Gegenstände haben sich als besonders brauchbar in Gasturbinen erwiesen. Am geeignesten sind Gegenstände, die eine dichte Dendriten-Struktur aufweisen. Es wurde herausgefunden, daß die gewünschte feingefügige Dendriten-Struktur mit Hilfe einer relativ großen Kühlgeschwindigkeit erzielt werden kann, wenn einmal die kristalline Erstarrung begonnen hat. Es ist er- , wünscht, ,neben der Dendriten-Struktur die Kristallorientierung 'zu steuern, da derartige Gegenstände insbesondere geeignet sind,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen zu schaffen, die eine feingefügige Dendriten-Struktur aufweisen. Außerdem sollen die Gegenstände eine gewünschte Orientierung der Dendriten-Struktur aufweisen, zum Beispiel eine /"00iJ -Orientierung entlang der Längsachse des Gegenstandes. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Das zur Lösung der Aufgabe verwendete Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Einkristallkeim innerhalb eines als lorm für den Gegenstand vorgesehenen, gekühlten Keramikzylinder auf einer Kühlplatte befestigt wird, daß ein Lichtbogen zwischen dem Ein.kristallkeim und einer sich verbrauchenden Elektrode aus dem Material dea herzustellenden Gegenstandes gezündet, der Einkristallkeim
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teilweise und die EleKtrode an ihrem i'reien Ende geschmolzen sowie der Einkristallkeim und das geschmolzene Material der Elektrode oberhalb des Einkristallkeims wieder zum Erstarren gebracht werden, und daß das Schmelzen der Elektrode vor der Grenzfläcne zwischen flüssigem und festem Teil des erstarrenden Materials fortgesetzt wird; die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb einer wassergekühlten Kühlplatte, auf der ein orientierter Kristallkeim befestigt ist, ein wassergekühlter Tiegelmantel, der eine dem herzustellenden Gegenstand angepaßte Form aufnimmt, und eine sich verbrauchende Elektrode, die in die i'orm hineinbewegbar ist, vorgesehen sind.
P Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird also eine Sciimelztechnik verwendet, bei der sich der Lichtbogen verbraucht, kombiniert mit einem Verfahren zur Steuerung der Erstarrungsgeschwindigkeit. Mit Hilfe der Kühlplatte wird das Kühlen der Schmelze mit der gewünschten Geschwindigkeit begonnen und fortgesetzt. Der auf der Kühlplatte befestigte Kristallkeim weist dieselbe dendritische Orientierung auf, die das Gußstück besitzen soll. Die oberhalb der Kühlplatte angeordnete Jj'ortn oder Ummantelung besteht aus Keramik und weist die Jj'orm auf, die das Gußstück annehmen soll. Die Keramikform ist vun einem Mantel - auch als Hülse bezeichnet - umgeben, der eine Kühlflüssigkeit enthält. Die sich verbrauchende Elektrode besteht aus dem Material, aus dem das Gußstück hergestellt werden soll. Sie ist oberhalb der i'orm angeordnet und mit steuerbarem Vorschub in die Form hineinbewegbar, bis sie den Keim berührt. Die einerseits der Elektrode, andererseits dem Keim zugeführte eleketrische Energie dient zur Bildung des Lichtbogens, der die Elektrode zum Schmelzen bringt. Durch das Schmelzen und Wiedererstarren entsteht ein Gußstück, welches - von dem Keim aua gesehen - nach oben als Einkristall kristallisier... Isoliermaterial, welches rings um den Keim angeordnet ist, schützt die Kühlplatte vor der Hitze des Lichtbogens.
Ein Auaführungsbeispiel der Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in der einzigen tfigur
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.in -ein.e,m Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung enthält eine Kühlplatte 10, auch als .Tiegelhoden bezeichnet, in deren Mitte ein Kristallice im 11 befestigt ist, der. die Orientierung des dendritischen Wachstums aufweist, um die ausgewählte Orientierung in ,dem gesamten herzustellenden Gußstück oder Block zu gewähr-.-leisten. Die Wandung für die, Form, in der der Block hergestellt wird, besteht aus einem keramischen Mantel 12, dessen unteres ' Ende auf der Kühlplatte 10 ruht und der den Kristallkeim 11 umgibt. Der keramische.Mantel 12 ist von einem Tiegelmantel umgeben, der an seiner unteren Stirnfläche mit der Kühlplatte mit Hilfe von Schraubenbolzen 16 verbunden ist. Der Tiegelmantel 14- ist gekühlt; er kann von einem Kühlmantel umgeben oder von einem Kühlmittel durchflossen sein. Der Raum zwischen dem Kristallkeim 11 und den Innenwänden des keramischen Mantels 12 ist von einem isolierenden keramischen Material 17 ausgefüllt, wodurch verhindert wird, daß die lläche der Kühlplatte 10 . beim Betrieb der Vorrichtung beschädigt wird.
In den keramischen Mantel 12 ragt eine sich verbrauchende Stange 18 aus der zu gießenden Legierung hinein. Die Stange 18 wird von einer üblichen Elektroden-Vorschubeinrichtung gehalten, mit deren Hilfe während des Schmelzens der Stange. 18 innerhalb des keramischen Mantels 12 ein Lichtbogen erzeugt und/aufrechterhalten wird. Die Stange 18 bildet also eine Elektrode. Ein bekannter Lichtbogen-Schmelzofen mit sich verbrauchender Elektrode dieser Art ist der Ofen Heraeus L 200 H. ]?ür die vorliegende Erfindung genügt es daher anzugeben, daß die Stange an.einer Zuführzahnstange 20 befestigt ist, die von einem Zahnrad 22 angetrieben wird, um die Elektrodenstange 18 in den keramischen Mantel 12 hinein oder "aus ihm heraus zu bewegen, und zwau mit der Geschwindigkeit, bei der der gewünschte Scnmelzvorgang für den herzustell..enden Block aufrecht erhalten bleibt. Der Lichtbogen ist von einem elektrischen Lichtbogen gebildet. Die Energie wird aus einer Energiequelle 24 über Leitungen 26 der Elektrode 18 und dem Tiegelmantel 14 zuge-
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führt. Eine Regeleinrichtung 28 üblicher Ausführung hält die notwendige Energiezufuhr aufrecht und dient außerdem dazu, den notwendigen Vorschub für die Elektrode 18 zu regeln.
Der keramische Mantel 12 wirkt als Hitzeschild, so daß dann, wenn die Elektrode 18 schmilzt und ein Schmelzbad in dem keramischen Mantel 12 erzeugt wird, der Hauptwärmeverlust in Axialrichtung durch die Kühlplatte 11 am Boden auftritt. Die Erstarrungsfront schreitet, ausgehend von dem Kristallkeim 11, nach oben fort, so daß das erstarrende Metall die Ausbildung der kristallinen Struktur des Kristallkeims 11 erhält. Überhitztes geschmolzenes Metall wird kontinuierlich genau oberhalb der Grenzfläche zwischen flüssigem und festem Metall zugeführt, so daß ein sehr steiler Temperaturgradient inlder Erstarrungszone aufrecht erhalten bleibt. Das hat eine sehr große Erstarrungsgeschwindigkeit zur Folge, was wiederum eine feine dendritische Struktur ergibt.
Wenn der Lichtbogen zum Schmelzen der Elektrode 18 zwischen der Elektrode und dem Kristallkeim 11 erstmals gezündet wird, wird der letztere bis zu einem gewissen Teil wieder geschmolzen, ein wesentlicher Teil bleibt jedoch fest, da er in direktem Kontakt mit der Kühlplatte 11 steht. Der keramische Mantel wirkt als Hitzeschild und der Wärmefluß vom gegossenen Block in die Kühlplatte 11 wird durch das Vorheizen des keramiscnen Mantels 12 durch den Lichtbogen, während der Schmelzvorgang
der fortschreitet, erhöht. Die Schmelzgeschwindigkeit und somit die Erstarrung des Einkristalls sind eine Punktion der Energiezufuhr und der Wirksamkeit der Kühlung.
Um zum Beispiel einen Block mit einem Durchmesser von 38,1 mm zu erzeugen, wurde als Kühlplatte eine Kupferplatte verwendet, die Kühlkanäle enthielt. Als Kühlflüssigkeit wurde Wasser in einer Menge von 30,3 l/min, verwendet. Die elektrische Eingangsleistung für den Lichtbogen betrug 220 A bei 21 V. Die Zufuhrgeschwindigkeit für die Elektrode betrug im wesent-
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Lichen 12,7 ram/min., wobei die Elektrode einen Querschnitt von 19 mm aufwies. Dieser Block wurde aus der Legierung Mar M 200 gegossen, der Kristallkeim bestand aus derselben Legierung. Der Kristallkeim wurde durch ein Vakuum-Induktions-Gießverfahren hergestellt.
Das wie vorstehend hergestellte Gußstück hatte die gewünschte MikroStruktur und eine reduzierte Mikroporosität. Die große ErstarrungsgeBGhwindigkeit, die durch das Schmelzen mit sich verbrauchender Elektrode erzielt wurde, erzeugte eine dichtere dendritische Struktur·, eine kleine eutektische Phase und eine feinere Verteilung kleiner MC-Karbide, was alles zusammen ein besseres Gußstück ergab. ■
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Claims (7)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einkristallkeim innerhalb eines als Form für den Gegenstand vorgesehenen, gekühlten Keramikzylinders auf einer Kühlplatte befestigt wird, daß ein Lichtbogen zwischen dem Einkristallkeim und einer sicn verbrauchenden Elektrode aus dem Material des nerzustellenden Gegenstandes gezündet, der Einkristallkeim teilweise und die Elektrode an ihrem freien Ende geschmolzen sowie der Einkristallkeim und das geschmolzene Material der Elektrode oberhalb des Einkristallkeims wieder zum Erstarren gebracht werden, und daß das Schmelzen der Elektrode vor der Grenzfläche zwischen flüssigem und festem Teil des erstarrenden Material-s fortgesetzt wird.
2. Vorrichtung zum Gießen von Gegenständen aus orientierten Einkristallen, dadurch gekennzeichnet, daß ooeriialb einer wassergekühlten Kühlplatte (10), auf der ein orientier tier Kristallkeim (11) befestigt ist, ein wassergekühlter Tiegelmantel (14), der eine dem herzustellenden Gegenstand angepaßte Form (12) aufnimmt, und eine/verbrauchende Elektrode (18), die in die Form (12) hineinbewegbar ist, vorgesehen sind-.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (10) durch keramisches Material (17)» welches den Kristallkeim (11) umgibt, geschützt ist.
4« Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßzum Schmelzen der Elektrode (18) 'elektrische Energie der Elektrode (18) und dem Kristallkeim (11) zugeführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2j dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) mit einem Mantel aus keramischem Material (12) ausgekleidet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel.(14) von einem wassergekühlten Mantel umgeben ist. -
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) vom Wasser als Kühlflüssigkeit durcnflossen ist.
■3. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie und der Elektrodenvorschub- über eine an sich beiAnnte Regelvorrichtung (28) "regelbar sind.
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DE19702005393 1969-03-03 1970-02-06 Verfahren und Vorrichtung zur Her stellung von Einkristallen aus hitze bestandigen Legierungen Expired DE2005393C (de)

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DE2005393B2 DE2005393B2 (de) 1972-09-14
DE2005393C DE2005393C (de) 1973-04-05

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CA928192A (en) 1973-06-12
JPS4815133B1 (de) 1973-05-12
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GB1289042A (de) 1972-09-13
DE2005393B2 (de) 1972-09-14
SE349489B (de) 1972-10-02

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