DE2005393C - Verfahren und Vorrichtung zur Her stellung von Einkristallen aus hitze bestandigen Legierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen gewünschter Orientierung mit feingefügiger Dendritenstruktur aus hitzebeständigen Legierungen durch Zünden eines Lichtbogens zwischen einem Einkristallkeim und einer über dem Keim befindlichen, sich verbrauchenden Elektrode aus der Legierung, wobei der Einkristallkeim zuerst teilweise aufgeschmolzen und die Elektrode an ihrem freien Ende laufend abgeschmolzen, die Schmelze der Elektrode auf dem Keim abgelagert und laufend zum Erstarren gebracht werden und wobei das Abschmelzen der Elektrode mit einer von der der Elektrode zugeführten Energie abhängigen Geschwindigkeit fortgesetzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen gewünschter Orientiei-ung mit feingefügiger Dendritenstruktur aus hitzebeständigen Legierungen mit Hilfe des vorgenannten Verfahrens.

Es ist bekannt, Einkristalle mit Hilfe eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden herzustellen. Die Pluselekirode enthält an einer waagerechten Fläche einen Kristallkeim, zwischen dem und der Minuselektrode zu Beginn des Verfahrens ein Lichtbogen gezündet wird. Die Minuselektrode ist eine sich verbrauchende Elektrode aus dem Material des herzustellenden Einkristalls. Der ständige Lichtbogen unterhalt dauernd eine Zone aus dem flüssigen Material jeweils oberhalb des bereits wieder erstarrten Materials. Es ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen bekannt, bei dem das Material flüssig unter Druck in eine Gießform eingebracht wird, in der am unteren Ende ein Einkristallkeim aus dem gleichen Material angeordnet ist, und bei dem das Material von dem Kristallkeim ausgehend so gekühlt wird, daß

ίο es als Einkristall erstarrt. Über die Wahl der Form können Einkristalle beliebiger Gestalt hergestellt werden. Weiterhin ist ein Verfahren zum Schmelzen schwer schmelzbarer Metalle bekannt, bei dem drei Elektroden übereinander angeordnet sind, von denen die mittlere Elektrode als am oberen Teil zunehmende und am unteren Teil abnehmende Elektrode für zwei Schmelzvorgänge verwendet wird. Innerhalb des Behälters wird also ein Schmelzvorgang mit Hilfe einer abnehmenden Elektrode durchgeführt. Schließlich ist es bekannt, beim Lichtbogenschmelzen eine für das erstarrende Material dienende gekühlte zylindrische Form zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen gewünschter Orientierung mit feingefügiger Dendritenstruktur zu schaffen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Das Problem der Schaffung von Einkristallen mit feingefügiger Dendri-

tenstruktur ist bei keinem der vorstehend als zum Stand der Technik gehörig bezeichneten Verfahren und Vorrichtungen behandelt. Es hat sich aber herausgestellt, daß aus hitzebeständigen Legierungen hergestellte Einkristalle, die eine dichte Dendritenstruktur aufweisen, besonders vorteilhaft in Gasturbinen verwendet werden können.

Das zur Lösung der Aufgabe verwendete Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristallkeim innerhalb eines beim Lichtbogenschmelzen an sich bekannten als Form für den erstarrten Kristall dienenden gekühlten Zylinders auf einer am Boden der Form vorgesehenen Kühlplatte befestigt wird und daß die Geschwindigkeit des Schmelzens und Erstarrens der Legierung außer über die der Elektrode zugeführte Energie über die mittels der Kühlplatte vorgenommenen Kühlung gesteuert wird; die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb einer wassergekühlten, den Kristallkeim aufnehmenden Kühlplatte ein wassergekühlter Tiegel vorgesehen ist, der einen als Form für den erstarrten Kristall dienenden Zylinder aufnimmt und in den hinein die sich verbrauchende Elektrode bewegbar ist. Bei der Erfindung ermöglicht die Kühlung die Herstellung von Einkristallen gewünschter Orientierung mit feingefügiger Dendritenstruktur. Die Verwendung einer Gießform gestattet die Ausbildung des Einkristalls in der gewünschten Form. Die Lichtbo-

genschmelzung ermöglicht eine optimale Energieausnutzung. Die Lichtbogenschmelzung gestattet weiterhin das direkte Steuern des Schmelzvorgangs; in Verbindung mit der Kühlung gestattet es außerdem auch eine Steuerung des Erstarrungsvorgangs.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in der "inzigen Figur in einem Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung enthält eine Kühlplatte 10, auch als Tiegclboden bezeichnet, in deren Mitte ein Kristallkeim Il befestigt ist, der die Orientierung des dendritischen Wachstums aufweist, um die ausgewählte Orientierung in dem gesamten herzustellenden Gußstück oder Block zu gewährleisten. Die Wandung für die Form, in der der Block hergestellt wird, besteht aus einem keramischen Zylinder 12, dessen unteres Ende auf der Kühlplatte 10 ruht und der den Kristallkeim 11 umgibt. Der keramische Zylinder 12 ist von einem Tif.gelmantel 14 umgtben, der an seiner unteren Sti^rfifläche mit der Kühlplatte 10 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 Fläche der Kühlplatte 10 beim Betrieb der Vorrichtung beschädigt wird.

In den keramischen Zylinder 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 Zylinders 12 ein Lichtbogen erzeugt und aufrechterhalten wird. Die Stange 18 bildet also eine Elektrode. Die Stange 18 ist an einer Zuführzahnstanfs 20 befestigt, die von einem Zahnrad 22 angetrieben wird, um die Elektrodenstange 18 in den keramischen Zylinder 12 hinein oder aus ihm heraus zu bewegen, und zwar mit der Geschwindigkeit, bei der der gewünschte Schmelzvorgang für den herzustellenden Block aufrechterhalten bleibt. Die Energie wird aus einer Energiequelle 24 über Leitungen 26 der Elektrode 18 und dem Tiegelmantel 14 zugeführt. 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 Zylinder 12 wirkt als Hitzeschild, so daß dann, wenn die Elektrode 18 schmilzt und ein Schmelzbad in dem keramischen Zylinder 12 erzeugt wird, der Hauptwärmeverlust in Axial richtung 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 in der Erstarrungszone aufrechterhalten 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 viieder geschmolzen, ein wesentlicher Teil bleibt jedoch fest, da er in direktem Kontakt mit der Kühlplatte 11 steht. Der keramische Zylinder 12 wirkt als Hitzeschild, und der Wärmefluß vom gegossenen Block in die Kühlplatte 11 wird durch das Vorheizen des keramischen Zylinders 12 durch den Lichtbogen, während der Schmelzvorgang fortschreitet, erhöht. Die Schmelzgeschwir.digkeit und somit die Erstarrung des E^:nkristalls sind eine Funktion der Energiezufuhr und der Wirksamkeit der Kühlung.

Um z. B. 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 wesentlichen 12,7 mm/min, wobei die Elektrode einen Querschnitt von 19 mm-' aufwies. Der Kristallkeim wurde durch ein Vakuum-Induktions-Gießverfahren hergestellt.

Das wie vorstehend hergestellte Gußstück hatte die gewünschte MikroStruktur und eine reduzierte Mikroporosität. Die große Erstarrungsgeschwindigkeit, 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.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen gewünschter Orientierung mit feingefügiger Dendritenstruktur aus hitzebeständigen Legierungen durch Zünden eines Lichtbogens zwischen einem Einkristallkeim und einer über dem Keim befindlichen, sich verbrauchenden Elektrode aus der Legierung, wobei der Einkristallkeim zuerst teilweise aufgeschmolzen und die Elektrode an ihrem freien Ende laufend abgeschmolzcn, die Schmelze der Elektrode auf dem Keim abgelagert und laufend zum Erstarren gebracht werden und wobei das Abschmelzen der Elektrode mit einer von der der Elektrode zugeführte^ Energie abhängigen Geschwindigk.^:t fortgeseu: wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristallkeim innerhalb eines beim Lichtbogenschmelzen an sich bekannten als Form für den erstarrten Kristall dienenden gekühlten Zylinders auf einer am Boden der Form vorgesehenen Kühlplatte befestigt wird und daß die Geschwindigkeit des Schmelzens und Erstarrens der Legierung außer über die der Elektrode zugeführte Energie über die mittels der Kühlplatte vorgenommene Kühlung gesteuert wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung "'On Ei kristallen gewünschter Orientie-ung mit fehgefügiger Dendritenstruktur aus h'izebeständigen Leg^: rungen mit einem Kristallkeim und einer sich verbrauchenden Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb einer wassergekühlten, den Kristallkeim (H) aufnehmenden Kühlplatte (10) ein wassergekühlter Tiegel (14) vorgesehen ist, der einen als Form für den erstarrten Kristall dienenden Zylinder (12) aufnimmt und in den hinein die sich verbrauchende Elektrode (18) bewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Kühlplatte (10) befestigte Kristallkeim (11) von keramischem Material (17) umgeben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12) als den Tiegel (14) auskleidender Mantel aus keramischem Material ausgebildet ist.