DE2011474A1

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Info

Publication number: DE2011474A1
Application number: DE19702011474
Authority: DE
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-11
Publication date: 1970-11-19
Also published as: DE2011474C3; FR2037792A5; SE355308B; DE2011474B2; US3580324A; CA919059A; GB1263401A

Description

Anmelder: United Aircraft Corporation

Vorrichtung zaira Gießen, von doppelt orientiertön Einkris tall-Gegens tänden

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gießen von doppelt orientierten Einkristall-Gegenständen mit einer Form, in der ein Hohlraum zum Gießen des Gegenstands vorgesehen X3t·

I>ie Aufgabe der Erfindung bestellt darin, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Einkristall-Gußstücke herzustellen sind, in v#elehen die Kriatallorientierung, das Dendritenwachstu«, wahlweise in jede von zwei Richtungen in rechtem Winkel zueinander orientiert ist» Geaäß der Srfinduog wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Hohlraum zum Gieße* des Gegenstands an seinem unteren Ende offen ist, über ein Keramikrohr, welches einen, im wesentlichen rechtwinkligen Knick aufweist und von einem Gießhohlraum uegeben ist, mit einem Punkt nahe an einer ie Windel zur ¥aagerechten verlaufende» SShIflache in Verbindung steht, die Seil einer den Gießhohlrauö begrenzenden Kühlplatte ist, und so ausgebildet ist, daß aus dem doppelt orientierten Kriatallwachstum in dem Keramikrohr im Innern aes Hohlraums zum Gießen de» Gegenstands ein Einkristall auswählbar ist·

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Gießen von doppelt-orientierten Einkristall-Gegenständen »it einer Form, die wenigstens einen dem zu gießenden Gegenstand entsprechenden Hohlraum (forahohlraus) »ufweist, dadurch ge-

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kennzeichnet, daö ein Houltaum zum Steuern »ur ir (Brstarrungahoalraum) vorgesehen iat, ier ve.-i:u dem *Grniuonlrauoi verläuit» 3Loh ci3 um~,i-α Λ9 nauiiauB3 erstreckt und ein in 3ica α Linnen luitc. - j _nae-, λκ-L ches νυη itr -finkel .jiieiiki.uru>r .mreurdneten KiL* L^ lu* tea /ai-3chlü3aen i.it, 3o^T/#ie ein c ixenea oberes Ende aui'wei3·;, .ur^a welches die lun tiillfaar ist, und daö an tibei-^feui-j vou ro.ujnoiiiraua in den Sr3t^rrungsnoiil: uutu eine ¥ .^re -a^&e ^l'ir.mii j >vgesenen iat, von uer ein Ke_aiDikroiu au3gfc;r,, w ^o.ies e im weaentlionen ieceiteüK:i.7ftn Zniuk aufweist unu an airieni Q nahe der 3berfläciia äiner der Kuhlpiatten mündet.

Tn weiterer Au3ge3i;aitun:; der Enindung; k&nn α ie 7 zu» gleichzeitigen Gießen «ehrerer Gegenstände in eiae Iotu eingerichtet sein. Die Lage de3 Rohres und dex Jüihlilatten bestimen das Xktndritenwachetua in den Bohren und den formhohlräuoen. Bei der Herstellung der GhiflstÄcke weiden die f ormhohlräune, der CtieahohirauiD und die Keraeikroare oait flüßaiger Legierung gefttlXt» die Legierungen und die Fora werden gekühlt und ·■ wird ein Stengelwachetnm in den lermmikrohren im rechten Winkel zu der Holplatte eingeleitet, während die Legierung in de« ßieAhonlrauB erstarrt, schlieftlich wird die Legierung weiter zum Erstarren gebracht und ein weiteres Krißtallwacnstua in dem Keramikrohr und in die ?ormhohlräume hinein aervorgeruien.

Bin Torteil der.Erfindung besteht darin, dau mit der Vorrichtung das Dendritenwach3tu·, und »oeit die festigkeitseigenschaften, in Besiehung sun GuSatück in jede von zwei Richtungen wahlweise orientiert werden kann« Das gerichtete Wachsen geht aus von zwei Kifrlplatten, welche Kühlflächen aufweisen, die einen Baaisnohlrauta oder ßie'ihohlrau» begrenzen. Senkrecht zu jeder KühlfllcA· wird ein $tenge!wachstum hervurgeruien. Die sich eohneidenden Stengel rufen ein Kornwaehstun hervor, in de» da· DendritenwaehHtum in rechten Winkeln zu den beiden Itthlfliehen verläuft und »o»lt doppelt orientiert ist. Aus diese» doppelt orientierten Waehfttu* wird ein Einkristall

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- 3 , ier in den eigentlichem Formhohlraum hineinwächst.

Drei Auaführumrabeispielßder Erfindung sinu in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend im einzelnen beachrieben. Ea seigt:

Fig. 1 (3iineu Yertikalachnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung

Fi;. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung entlang der Linie 2-2 in Mg. 1;

Fi~. ί einen Vertikalschnitt durch eine abgeänderte Vorrichtung zur Herstellung eines GußatUcks Kit ("ί'¹Q)-Orientierung;

Fi.;-;. 4 eine?: Vertikalscunitt durch eine weitere abgeänderte Vorrichtung Eur Herstellung eines Gußstücke o'it £i 1i3-..rientierung;

Fi₍;. 3 eine Teilanaicht in der Richtung des Pfeils fj in Fig. 4.

Ein doppelt-crientiertes Gußat'ick wird in einer keramischen For? 10 hergestellt, welche auf einem Aufbau von Kühlplatten ruht, der aus einer herköeelichen Kühlplatte 12 mit waagerechter Kühlfläche und einer sweiten oder Nebenkühlplatte r it senkrechter Kühliläahe 14 besteht· Die Henkrechte Kühlilache 14 bildet eine Wand eines Hohlraumes 16, welcher zur steuerung "-er Erstarrung dient, und als Baoishohlraum oder Gießhohlrau-r bezeichnet ist» 'Den Boden dieses Hohlraums 16 bildet die Kühlplatte 12.

Tie !'Ci¹Ei 1u weist einen nach, unten vorstehenden Flansch 18 auf, welcher auf dei. oberen Pläciie der Kebenkühlplatte 13 ruht, weiterhin eine relativ dicke Wand 20, welche oberhalb des Flansches 18 verläuft und in welcher sich oehrere Hohlräume 22, acgenannte Forfchohlräuse, buk Gießen der Gegenstände befinden. Bis Hoalräuiue 22 haben eine vorBugöweise SenlcreGhte Längsachse; sie umgeben eine zentrale senkrechte Öffnung 24 in der i:rm. Die Öffnung 24 dient zum Füllen der Fora mit flüssiger Legierung und dient weiterhin zum Siaiern der Kühl-

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geacnwindigkeit der Legierung in den verschiedenen Formnohlräumen 22. Jeder Hohlraum 22 h?;t am Boden einen verengten Durchgang 26, welcher in dor Bodenfläche 28 der Hauptwand 20 der Form 10 endet.

Für ,jeden Formhohlraum 22 i3t ein kleines Keramiki ohr 30 mil. einer 90°-Krütnmune; an der r.odenfläulie 2b angebracht, dessen Inneres mit dem unteren Jiinde des verengten Durchgangs 26 in Verbindung steht. Jedes Rohr 30 ist ^n der Fox-m 1U derart angebracht, äaß sich sein unteres <inde im Eereicu der oenkrecuten Kühlfläche 1m der Nebenkünlplatte 13 in einem Abstand bei'indet, der das Fliesaen der Legierung in da., <ίοΙιτ 30 hinein zum Füllen der Ι^;οϊπι erlaubt. Dor Teil der; Rohrs 30 unter der 90°-Krüraraung verläuft im rechten Winkel zu ücü. senk»echten Kühlfläche 14.

in der gezeigten Anordnung liegen beide Schenkel ües Rohrs 30 mit rechtwinkliger Krümmung in de.'.· Sbene der Zeichnung. Daher wird das Denüritenwachstum in zwei rechtwinklig zueinander und zu den Kühlflächen 14 liegenden Ebenen vor sicn gehen.

Im : trieb wird α ie JOr ω so erhitzt, v>ie ea in der UoA-Patentschrift 3 2·':Ο 30^rj angegeben ist. Iac die geeignete Formtetnperanjr errt'icut, so wird die form 10 durcc die zentrale Öffnung ?A "vl: ilü33ir^fic Legierung gefüllt. Wänrenu des Füllens iiieis-, aie Lrt 1'..J^₁: vuc GJ.^iähohlrautn 16, welcher zum 3teu■ vr, der Erstarrung dior-t;. nach oben durcrj die Rohre 30 und lullt die- veraoüiedenen JOrnhohlräume 22. Ist die Form richtig gei'Hl':, werdeu die Küi.'ijua^ton 12, 13 wirksam ge-cacht und ä:·; ''''^Tiperatirc der Form wird, beginnend am Fuße der Form, stufenweise ge^;;eru:t, um einen Temperaturgradienten in dei Form zu GJ.^eugea, v/elcrier die Bi'atarrungsgeschwindigkeit steuert und eine gesteuerte Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der Flüssig-fest-Trennschicht sowohl in der zentralen öffnung 24 als auch in den Formhohlräumen 22 hervorruft. Diese Ti-onnik ία', .in δ· r Tir;>'-Patentsonr.\ft beschrieben.

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Sobald die Erstarrung beginnt, erfolgt eine gerichtete Erstarrung im rechten Winkel zu den bexden wirksamen -Flächen der· Kühlplatten 12, 13, wodurch ein senkrechtes Wachsen von Dendriten im rechten Winkel zu der Hauptkühlplatte 12 und ein waagrechtes Wachsen im rechten Winkel zu der senkrechten Nebenkühlplatte 13 gewährleistet ist. Jedes Keramikrohr 30 wählt für einen Formhohlraum 22 aus dem waagerechten Teil nur wenige Kristalle und erlaubt an der 90⁰-Krümmung nur einer kleinen Anzahl dieser Kristalle ein senkrechtes Wachsen. In der Verengung 26 wird dann ein einzelner Kristall ausgewählt, welcher in den Formhohlraum 22 hinein und in ihm weiter wächst, wobei das Dendritenwachstum notwendigerweise rechtwinklig zu den beiden Kühlplattenflächen gerichtet ist. Die resultierende Orientierung in dem Gußstück ist £100). Der größere Anteil an Metall, welches sich in dem Basishohlraum 16 befindet, dient hauptsächlich zur Steuerung der Erstarrungsgeschwindigkeit in den Formhohlräumen 22, wodruch die gewünschte Korngröße und die Fehlerfreiheit des fertigen Gußstücks gewährleistet ist. Die Formhohlräume sind jeder gewünschten Form des fertigen Gegenstandes anzupassen. Die !formen werden herkömmlicherweise nach dem Wachsausschmelzver— fahren hergestellt. Um den Wärmeverlust auf ein Minimum zu reduzieren, ist für jeden der Formhohlräume eine Deckplatte 31 vorgesehen.

Die Anordnung in Pig. 3 ist in vielen Hinsichten der in Fig. ähnlich. Die herkömmliche Kühlplatte 12 bildet die waagerechte Kühlfläche; aber die Nebenkühlplatte 13' enthält eine Kühlfläche 32, welche in einem Winkel von 45° zu der waagerechten Kühlfläche angeordnet ist. Die Form besitzt die gleiche Art

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von Formhohlräumen 22; aber der untere Schenkel des dünnen

Keramikrohrs 30'ist in rechtem Winkel zu der 45°-Fläche der Nebenkühlplatte angeordnet, der obere Schenkel im rechten Winkel zu dem unteren Schenkel, In der dargestellten Anordnung befindet sich das ganze Rohr 30*in derselben Ebene wie der t durch die Zeichnung.

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Der Vorgang in dieser aDgeänderten Vorrichtung ist in derselbe wir der oben beschriebene Vorgang. D&3 gerichtete V/achjen in dem Basianohxiaum sur Jceuerun_o der Erstarrung geschieht senkrecht von der Hauptkünlplatte \d uuu und auch aeni;-rech^f; von der 4:>'^J-Fläcne 32 der Nebenkünlplatte \t> au ^. :-Jo verläuft daa Wachsen der Dendrite bei Eintritt in aaa honr 30 im rechten Winkel zu dieser - ./'-Kühiriäune ;j2. An dur Krümmung im Ronr 30 wachsen wenige Kristalle, deiche parallel zu dem uberen Schenkel des Rohres 30 ausgerichtet nina, zu der Verengung 26, welche dann einen einzelnen Kristall wänlt, der durch die Verengung hindurch in den Pormhohlraum hinexn wächst. So verläuft das Dendritenwachatuni in zwei zlich'.urujen parallel zu den beiden Schenkeln des Rohrs 30, und set ¹St sich in (Itim Gußstück fort. Diesesbewirkt eine fi \C) Orientierung.

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Bei der Anordnung in Pig. 4 ruht die Form 10 auf einem Aufbau von Kühlplatten, der au3 einer waagerechten Kühlplatte Y<L^{X x} und einer Nebenkühlplatte 13 besteht. letztere enthält eine Kühlfläche 34, welche in 3pitzem Winkel au der waagerechten Platte angeordnet ist; in dem vorliegenden Fall beträgt der Winkel 55 . Die Fläche 34 bildet einen Teil der Seitenwand des Hohlraums 16'zur Steuerung der Erstarrung. Bin dünnes Keramikrohr 30, welches aus Aluminiumoxyd hergestellt sein kann, ist am unteren Ende des verengten Durchgangs 26" an die Form anzementiert. Bei dieser Ausführung befindet sich der obere Schenkel des Ronrs 3O¹' -nicht in derselben Vertikalebene wie der untere Schenkel, sondern verläuft wie in Flg. 5 dargestellt, in einem gewissen Winkel zu der Vertikalebene. Dieser Schenkel geht, wie in Fig. 4 dargestellt, aus der Zeichenebene dieser Figur heraus, obechon der Winkel des Rohrs noch immer ein rechter Winkel ist. Diese Anordnung erlaubt die Wahl einer anderen Orientierung des Kristall- ader Dendritenwachatums.

Der Arbeitsvorgang ist derselbe wie oben beschrieben. Das gerichtete Wachsen geschieht sowohl vertikal von der ϊlatte i2^!t aii.i, al3 au ;h unter eineiü -achten Winkel zu ü-j„-

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Kühlfläche der Platte 13". J)as Rohr 50" wählt einige gerichtet erstarrte Körner aus, welche entlang dem unteren Schenkel · parallel zu seiner Achse wachsen. An der Krümmung geht „las Kristallwachstum von einigen dieser Körner in den oberen Schenkel hinein weiter mit detc Dendritenwachstum parallel zu diesem Schenkel des Rohrs, wodurch ein doppelt-orientiertes Jendritenwachstum parallel zu den zwei Schenkeln des Rohrs 50'' erzielt wird. Die Verengung 26" wählt eines dieser doppelt orientierten Körner aus und dieses Korn pflanzt sich durch die Verengung 26·· hindurch mit derselben doppelt orientierten Kristallstruktur in den Formhohlraum hinein fort. Durch diese Anordnung wird eine Cl 11j Orientierung erzielt; Jie^TOO}- und die {01 Oj-Orientierungen sind parallel zu den beiden ."Schenkeln des Rohrs. Der spitze Winkel der Hebenkühlilatte kann sum Steuern des Winkels des Dendritenwachstums in dem unteren Schenkel des I-lohrs geändert werden.' Iu der Winkel zwischen -3em oberen Schenkel des Rohis und der vertikalen Ebene ien zneiten Winkel des Dendritenwachstums bestimmt, kann durch die Lage des dünnwandigen Rohrs jede gewünschte Orientierung der Kristallstruktur und des Dendriten- " winkeis gewählt werden·

Es ist nioht notwendig, daß der Durohmeaser des Rohrs 30 oder JO¹ oder 30·' so klein ist, wie der der Verengung 26 oberhalb des Rohrs· Somit besteht nur ein kurzer verengter Durchgang,durch äen die flüssige Legierung zum Mllen der Gagenstandshohlräume hindurchfließen muss. Weiterhin ist das Rohr keinem Druckunterschied ausgesetzt, da die flüssige Legierung während des üillens der Form wesentlich auf de® gleichen Ni¥eau ist, sowohl im als auch außerhalb des Rohrs. Demgemäß kann das Rohr eine sehr dünne Wand aufweisen, so daß kein wesentlicher !empera"turuni;ersohied im Metall innerhalb und außerhalb des Rohrs während des Srstarrungsprozeßee

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Claims

Patentansprüche

1. Verrichtung aum Gießen vun dc[;pelt orientierten Einkriatall-'ieg-enstänucn mit einer Form, in dej. ein Hohlraum zum Gießen üeo Gegenstanues (Formhohlraum) vorgesehen iyt, dadurch gekennzeichnet, daß ue.. Formnohlraum (22) an seinem unteren Ende oiien ist, über ein Keramikrohr {'jO), welches einen im wesentlichen rechtwinkligen Knick auiweiat und von einem Gießhohlraum (16) umgeben ist, mit einem Punkt nahe an einer im Winkel zur Waagerechten verlautenden Kühlfläche (14, 32, 34) in Verbindung 3tent, die iCeil einer den Gießnohlrautr (16) begrenzenden Kühlplatte (ii) ist, und so ausgebildet ist, daß aus dem doppelt orientierten Kristallwachstum in dem Keramiicrohr (30) am Übergang zum Pormhohlraum (22) ein Einkristall auswählbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Gießhohlraum (16, 24) vertikal parallel zu dem POrohohlraum (22) verläuft, sich bis unterhalb des l'ormhohlraums (22) erstreckt und ein an eich offenes unteres Ende, welcnes von im Winkel zueinander angeordneten Kühlplatten (12, 13) verschlossen ist, sowie ein offenes oberes Ende aufweist, durch welches die Form füllbar ist, und daß an: Übergang vom Formhohlraum (22) in den Gießhohlraum (16) eine V verengte Öffnung vorgesehen ist, von der ein Keramikrohr (30) ausgeht, welches einen im wesentlichen rechteckigen Knick aufweist und an einem Punkt nahe der Oberllache einer der Kühlplatten (12, 13) mündet.

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BAD ORiGINAL

•3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I oder 2 mit einer Form, die mehrere senkrechte Formhohlräume im Abstand voneinander aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal - verlaufende Gießhohlraum (24) parallel zu den Formhohlräumen (22) in deren Nähe vorgesehen ist und ebenso wie die Formhohlräume (22) in einen größeren Baaishohlraum (16) mündet, der am an sich offenen, von den zwei mit ihren Kühlflächen im Winkel zueinander angeordneten Kühlplatten (12, 13) verschlossenen Fuß der Form vorgesehen ist, und in dem Keramikrohre (30) vorgesehen sind, von denen jedes einen im wesentlichen rechtwinkligen Knick aufweist ' und sich von dem offenen Ende eines der Formhohlräume (22) bis zu einem Punkt in der Nähe der Kühlplatten (12, 13) erstreckt.

4.Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Keramikrohre (30), die die freien Enden enthalten, im wesentlichen senkrecht zu der zugehörigen Kühlplattenfläche angeordnet sind.

5.Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen senkrecht und waagerecht angeordnet sind und daß die Enden der Keraraikrohre (30) an die senkrechten g Kühlflächen (14) herangeführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen (34, 32) einer Kühlplatte (13) einen spitzen Winkelnit der Waagerechten bilden und daß die Lnden der Keramikrohre (30) an die im Winkel verlaufenden Kühlflächen herangeführt sind.

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-ΙΟ-ί'. Verfanren zum Gießen vcn doppelt orientierten ijirikriatall-Ge.jenatänden mit HiIIe einer der Vorrichtungen nacn oindeatens einem der Ansprüche 1 - 6, ciauuron ge kennte ic tine t, daß die lOrmhohlräuae (22), der Gießhonlraum (1b) und die Keramikrohre (30) mit flüssiger Le^ierun^ gelullt werden, daßdie Legierung und die Form gekühlt juwie ijtengelwachatum in den Keramikrohren (30) im recnten tfinlEL au den Kühlplatten eingeleitet wird, während die Legierung in dem Gießhohlraum (Ib) erstarrt, und daJ die Legierung weiter zum Erstarren gebracnu und ein weiteres Kristallwachstum in den Keramikrohren (30) und in die jj'ormhoulräume (22) hinein hervorgerufen wird.

8. Verfaiiren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß aicn der Gießhohlraum (16) nacri oben parallel zu den Eormhohlräumen (22) erstreckt und daß die Geschwindigkeit der senkrechten Erstarrung in den iOrmhonlräumen (22) durch die Erstarrungsgeschwindigkeit in dem Gießhohlrauce (16) gesteuert wird.

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