DE2011474C3 - Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen - Google Patents
Vorrichtung zum Herstellen von EinkristallenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen mit wählbarer Kristallorientierung
aus Legierungen durch Einfüllen einer Schmelze der Legierung in eine von einer Seite aus
kühlbare Gießform und gerichtetes Erstarren der Schmelze, wobei die kühlbare Gießform einen vertikalen
Eineießkanal. einen damit verbundenen Basishohlraum."
welcher der Kühlung am nächsten liegt und von dem aus die Kristallisation der Schmelze
beginnt, und wenigstens einen Formhohlraum aufweist,
der mit dem' Basishohlraum mittels verengter
Durchlässe verbunden ist.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1 138 376 ist eine
ίο Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen bekannt,
bei der das Ausgangsmaterial in einen Schmelztiegel eingebracht wird, welcher in seinem Innern an
seinem unteren Ende abwechselnd Querschnittsverklc;nerungen
aufweist, und bei dem das Ausgangs-
material nach dem Schmelzen von unten nach oben abgekühlt wird. Dadurch erstarrt die im unteren Teil
dendritenartig erstarrende Schmelze im Teil oberhalb der F.inengungen einkristallin. Aus der deutschen
Auslegeschrift 1 138 376 ist weiterhin ein Verfahren
bekannt, bei dem das Ausgangsmaterial in ein rohrartig
ausgebildetes Quarzgefäß eingebracht wird welches an seinem unteren Teil eine Querschnittsverkleinerung
und -vergrößerung aufweist. Das Quar/-gefäß wird anschließend evakuiert, vakuumdicht ab-
geschmolzen und dann erwärmt. Durch starke ort
liehe Kühlung wird dann eine spontane Keimbildunt! erreicht, wobei die ersten Keime in verschiedener
Richtung wachsen. Durch die Querschnittsverkleinerung, die das Quarzgefäß aufweist, wird aus den
dendritenartig erstarrten Kristallen eine Auslese der Kristallwaehstumsrichtungen erreicht, so daß sich
schließlich eine einkristalline Wachstumsform ausbildet, wodurch dann bei allmählicher Abkühlung
des gesamten Quarztiegels das Ausgangsmaterial zu
einem Einkristall erstarrt. Der Nachteil der bekannten Vorrichtung und des bekannten Verfahrens besteht
darin, daß nach der Abkühlung Z" ar ein Festkörper
" mit einkristalliner Orientierung vorliegt, daß diese
einkristalline Orientierung jedoch nicht vorgegeben ist Mit anderen Worten: Die Orientierung des mit
der bekannten Vorrichtung und nach dem bekannten Verfahren hergestellten Einkristalls ist mehr oder
weniger zufällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich
ist, Einkristalle mit einer vorausbestimmbaren, beliebig gewollten Orientierung zu schaffen. Die Schaffung
eines solchen Einkristalls mit vorausbestimmbarer Orientierung ist von Bedeutung, weil es bekannt
ist, daß Kristalle entlang verschiedener Richtungen verschiedene physikalische Eigenschaften aufweisen.
Für ein bestimmtes Anwendungsgebiet soll also mit der Erfindung die Orientierung des herzustellenden
Einkristalls optimal gewählt werden. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst,
daß der Basishohlraum von einer horizontalen unteren Kühlplatte, einer darüber angebrachten Nebenkühlplatte
und einer zylindrischen Aussparung einer sich darüber befindlichen Keramikform gebildet und von
gewinkelten Keramikrohren durchsetzt ist, die den Basishohlraum mit den verengten Durchgängen im
unteren Teil der Formhohlräume verbinden und deren freie Enden senkrecht zu der Kühlfläche der Nebenkühlplatte
angeordnet sind, die ihrerseits mit der horizontalen Kühlplatte einen vorgebbaren Winkel bildet.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: In Verbindung mit dem an
sich bekannten verengten Durchlaß kann über die
Lage der Kühlflächen zueinander und über die 1 i»c
icT Keramikrohre im Basishohlraum, nämlich übe,
,jen Winkel der Keramikrohre einerseits /au KuM-däche
dei Nebenkühlplatte und andererseits /u dem
verengten Durchlaß im Formhnhlraiiiii. ul·.· Orientierung
des herzustellenden Einkristalls vi.raii-. beMimmt
werden.
Mit tier Hrhndung können inshevmdcr·..· Nickeileeierungen
L"".d Kobaltlegieruimcii hcrne-.tolli λ erden.
Die prozentualen Bestandteil,. eiiv/'NickcUcäcrung
und einer Kobaltlegierunu sj;llj !-eispieNw .'·;..._■
folgende:
Nickellegierung:
Chrom Γ his 25-
Kobalt λ his 311..
MoIn'«dan oder Wolfram : |1Λ 14-
Aluminium ο his u-
Titan Π tv-, rv,
Aluminium und Titan, mindestens. 3.5 .,
Kohlenstoff 0.1 ' '-. ti.; ■ „
Bor il.(iD.-i his ü l " „
Zirkon 0,05 ■>
„ iv.s (1 21· ■„
Nickel R-st
Wahlweise zuzufügen:
Vanadium maximal 1.5" ,»
Ei~.cn maximal 5,0"..
Mangan maximal I.(!" „
Silicium maximal 1.0" „
Kobalt-Legierung:
Chrom 15 bis 27" „
Nickel 0 bis 12" „
Wolfram 5 bis 12" n
Titan maximal 1 "Ό
Kohlenstoff 0,4 bis 1.2" ■>
Zirkon 0,05 bis 2,5 "Ί.
Kobalt Rest
Wahlweise zuzufügen:
Tantal 0 bis 10" 1»
Niob 0 bis 3" .,
Bor maximal 0.01" <·,
Eisen maximal 1,5" 0
Mangan maximal 0,2"»
Silicium maximal 0,2"0
In Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Basishohlraum vertikal parallel zu den Formhohlräumen,
erstreckt sich bis unterhalb der Formhohlräume und weist ein offenes oberes Ende auf, in welches der
Eingießkanal mündet.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
im einzelnen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen mit [100]-Orientierung,
F i g. 2 einen Querschnitt durch die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie 2-2,
F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung
zur Herstellung von Einkristallen mit [100]-Orientierung.
Die Vorrichtung r.jm Gießen von Einkristallen mit
wählbarer Kristallorienticrung nach F i g. 1 und 2 weist eine Keramikform 10 auf, welche auf einem
1 474
Aufbau von Kühlplatten ruht, der aus einer herkömmlichen
Kühlplatte 12 mit waagerechter Kühlfläche und einer X'ehenkühlplatte 13 mit senkrechter Kühlfläche
i4 besieht. Die senkrechte Kühlfläche 14 bildet eine
Wand eines Basishohlraumes 16. welcher zur Steuerung der Erstarrung dient. Den Boden des Basishnhl-
:.Hirnes 16 bildet die Kühlplatte 12.
Die Keramikform 10 weist einen nach unten vorstellenden
Flansch 18, welcher auf der oberen Fläche 'ler Nebenkühlplatte 13 ruht, sowie eine relativ dicke
Wand 20 auf. welche oberhalb des Flansches 18 verlauft
und in welcher sich mehrere Formhohlräume 22 /um Gießen der Einkristall-Gußstücke befinden. Die
!·■: nihohlräume 22 haben eine vorzugsweise senk-
'-5 reelle Längsachse: sie umgeben einen zentralen senkrechten
Eingießkanal 24 in der Form. Der Eingießr.:ü!.;1
24 dient zum Füllen der Keramikform mit e.r.ei Schmelze der Logierimg. Hr dient weiterhin zum
Sie'.iern der Geschwindigkeit, mit det die Legierung
in den verschiedenen Formhuhlräumen 22 gekühlt
wild Jeder Formhohlraum 22 hai am Boden einen verengten Durchgang 26. welcher in der Bodentläche
28 tier Wand 20 der Keramikform 10 endet.
F- ■" 1 r jeden Formhohlraum 22 ist ein kleines
Keramikrohr 30 an der Bodenfläche 28 angebracht. das zwei einen Winkel von 00 miteinander bildende
Schenkel aufweist und dessen Inneres mit dem unteren F.nde des verengten Durchgangs 26 in Verbindung
steht. Jedes gewinkelte Keramikrohr 30 ist au
der Keramikform 10 derart angebracht, daß sich sein unteres freies Ende im Bereich der senkrechten Kühlfläche
14 der Nebenkühlplatte 13 in einem Abstand befindet, der zum Füllen der Form das Fließen der
Legierung in das Keramikrohr 30 hinein erlaubt. Der abgewinkelte Teil des Keramikrohres 30 verläuft im
rechten Winkel zu der senkrechten Kühlfläche 14.
Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung ist also die Kühlfläche 14 der Nebenkühlplatte
13 zu der horizontal verlaufenden Kühlplatte 12 unter
einem Winkel von 00 . das gewinkelte Keramikrohr 30 mit seinem einen Schenkel senkrecht zur /weiten
Kühlfläche 14 und mit seinem anderen Schenkel koaxial zum verengten Durchgang 26 angeordnet. Das
Dendritenwachstum geht daher in zwei rechtwinklig zueinander und zu den Kühlflächen 14 liegenden
Ebenen vor sich. Es werden Einkristalle mit [100]-Orientierung
hergestellt, und zwar auf folgende Weise:
Im Betrieb wird die Keramikform 10 erhitzt. Ist
die Formtemperatur erreicht, wird die Keramikform
So 10 durch den F.ingießkanal 24 mit einer Schmelze der
Legierung gefüllt. Während des Füllens fließt die Schmelze vom Basishohlraum 16. welcher zum Steuern
der Erstarrung dient, nach oben duich die Keramikrohre 30 und füllt die verschiedenen Formhohlräume
22. Ist die Form gefüllt, werden die Kühlplatten 12, 13 gekühlt. Die Temperatur der Keramikform wird,
beginnend an ihrem Fuß, stufenweise gesenkt, um einen Temperaturgradienten in der Form zu erzeugen,
welcher eine gesteuerte Erstarrungsgeschwindigkeit und eine gesteuerte Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung
der Flüssig-fest-Trennschicht sowohl in dem Eingießkanal 24 als auch in den Formhohlräumen
22 hervorruft. Diese Technik ist in der USA.-Patentschrift 3 260 505 beschrieben. Die Erstarrung
der Schmelze erfolgt von Anfang an gerichtet im rechten Winkel zu den beiden wirksamen Flächen der
Kühlplatten 12,13. wodurch ein senkrechtes Wachsen
von Einkristallen im rechten Winkel zu der Haupt-
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kühlplatte 12 und ein waagerechtes Wachsen im In dem Basishohlraum erfolgt die Steuerung der
rechten Winkel zu der senkrechten Nebcnkühlplatte Erstarrung von der Hauptkühlpl^tte 12' und von der
13 gewährleistet ist. Jedes Keramikrohr 30 wählt für unter 45° verlaufenden Kühlfläche 32 der Neben-
cincn Formhohlraum 22 aus den waagerecht wachsen- kühlplatte 13' aus. Das Einkristallwachstum geht
den Kristallen nur wenige aus und erlaubt an der 5 senkrecht zu den beiden Kühlflächen vor sich. Daher
90 -Krümmung nur einer kleinen Anzahl dieser erfolgt das Wachsen der Einkristalle bei Eintritt in
Kristalle ein senkrechtes Weiterwachsen. In dem ver- das Rohr 30' im rechten Winkel zu der Kühlfläche 32.
engten Durchgang 26 wird dann ein einzelner Kristall An der 90 -Krümmung im Rohr 30' wachsen wenige
ausgewählt, welcher in den Formhohlraum 22 hinein Kristalle, welche parallel zu dem oberen Schenkel des
und in ihm weiter wächst, wobei das Einkristallwaehs- io Rohres 30' ausgerichtet sind, weiter bis zu dem ver-
lum wie vorher rechtwinklig zu den beiden Kühl- engten Durchgang 26', in welchem dann ein einzelner
plattenflächen erfolgt. Die resultierende Orientierung Kristall ausgewählt wird, der durch den verengten
in dem Gußstück ist [100]. Der größere Anteil der Durchgang hindurch in den Formhohlraum hinein
Legierung, welche sich in dem Basishohlraum 16 be- wächst. Das Einkristallwachstum verläuft in zwei
findet, dient hauptsächlich zur Steuerung der Er- 15 Richtungen parallel zu den beiden Schenkeln des
starrungsgcschwindigkeit in den Formhohlräumen 22. Keramikrohres 30' und setzt sich in dem Gußstück
wodurch die gewünschte Korngröße und die Fehler- fort. Die resultierende Orientierung in dem Gußstück
freiheit des fertigen Gußstücks gewährleistet ist. Die ist [110],
Formhohlräumc 22 sind jeder gewünschten Form des Durch die Wahl anderer Winkel zwischen den
Gußstücks anzupassen. Die Formen werden her- ao Kühlflächen 14,32 der Nebenkühlplatte 13 bzw. 13'
kömmlieherweise nach dem Wachsausschmelzvcrfah- und der Kühlplatte 12 bzw. 12' einerseits sowie der
ren hergestellt. Um den Wärmcverlust auf ein Mini- Lage der Keramikrohre 30 bzw. 30' zu den Kühl-
mum zu reduzieren, ist für jeden der Formhohlräumc flächen 14 bzw. 32 einerseits und den verengten
22 eine Deckplatte vorgesehen. Durchgängen 26 bzw. 26' sind andere Orientierungen
Die Vorrichtung nach F i g. 3 ist, soweit nach- 25 des Einkristallwachstums möglich. Zur Herstellung
folgend nicht anders beschrieben, der in Fig. I und 2 eines Einkristalls mit [111]-Orientierung ist z. B. die
dargestellten Vorrichtung gleich. Auch hier bildet Kühlfläche der Nebenkühlplatte 13 zu der horizontal
die Kühlplatte 12' die waagerechte Kühlfläche. Die verlaufenden Kühlplatte 12 unter einem Winkel von
Nebenkühlplatte 13' enthält jedoch eine Kühlfläche 55 , das rechtwinklige Keramikrohr 30 mit seinem
32. welche in einem Winkel von 45 zu der waage- 30 einen Schenkel parallel zur [100]-Orientierung und
rechten Kühlfläche angeordnet ist. Die Keramikform mit seinem anderen Schenkel paraüei zur [OiOj-Orien-
10 enthält die beschriebene Art von Formhohlräumen tierung angeordnet. Mit anderen Worten: Ordnet
22'. Der untere Schenkel des dünnen Keramikrohres man das rechtwinklige Keramikrohr 30 mit seinem
30' ist jedoch im rechten Winkel zu der Kühlfläche 32 einen Schenke! senkrecht zur Kühlfläche der Neben-
der Nebenkühlplatte 13'angeordnet; der obere Sehen- 35 kühlplatte 13' und mit seinem anderen Schenkel
kel im rechten Winkel zu dem unteren Schenkel. In unter einem Winkel von 35C zum verengten Durch-
der dargestellten Anordnung befinden sich zwei gang 26 an, erhält man die [ 111 !-Orientierung.
Keramikrohre 30' in derselben Ebene, in der der Es ist nicht notwendig, daß der Durchmesser der
Querschnitt durch die Vorrichtung geführt ist. Rohre 30 oder 30' so klein ist wie der des verengter
Bei der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung ist also 4° Durchgangs 26 oder 26' oberhalb der Rohre. Somil
die Kühlfläche 32 der Nebenkühlplatte 13' zu der besteht nur ein kurzer verengter Durchgang, durch
horizontal verlaufenden Kühlplatte 12' unter einem den die flüssige Legierung zum Füllen der Formhohl-
Winkel von 45 und das gewinkelte Keramikrohr 30' räume 22 hindurchfließen kann. Weiterhin ist das
mit seinem einen Schenkel senkrecht zur zweiten Rohr keinem Druckunterschied ausgesetzt, da die
Kühlfläche 32 und mit seinem anderen Schenkel 45 Schmelze der Legierung während des Füllens dei
unter einem Winkel von 45 ' zum verengten Durch- Form im wesentlichen auf dem gleichen Niveau ist
gang 26' angeordnet. Mit dieser Vorrichtung werden sowohl im als auch außerhalb der Rohre. Demgemäß
Einkristalle mit [110]-Orientierung hergestellt, und kann jedes Rohr eine sehr dünne Wand auf eisen,
zwar im wesentlichen auf die Weise, wie sie an Hand so daß kein wesentlicher Temperaturunterschied irr
der F i g. 1 und 2 beschrieben wurden, jedoch mit 50 Metall innerhalb und außerhalb des Rohres währenc
folgenden Unterschieden: des Erstarrungsprozesses auftritt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen mit wählbarer Kristallorientierung i'us Legierungen
durch Einfüllen einer Schmelze der Legierung in eine von einer Seite aus kühlbare Gießform
und gerichtetes Erstarren der Schmelze, wobei die kühlbare Gießform einen vertikalen Eingießkanal,
einen damit verbundenen Basishohlraum, welcher der Kühlung am nächsten liegt und von dem aus
die Kristallisation der Schmelze beginnt, und wenigstens einen Formhohlraum aufweist, der mit
dem Basishohlraum mittels verengter Durchlässe verbunden ist. dadurch gekennzeichnet,
daß der Basishohlraum (16) von einer horizontalen unteren Kühlplatte (12). einer darüber angebrachten
Nebenkühlplatte (13) und einer zylindrischen Aussparung einer sich darüber befindenden
Keramikform \i !)) gehildet und von gewinkelten
Keramikrohren (30) durchsetzt ist. die den Basishohlraum (16) mit den verengten Durchgängen
(26) im unteren Teil der Formhohlräume (22) verbinden und deren freie Enden senkrecht zu der
Kühlfläche (14. 32) der Nebenkühlplatte (13) angeordnet Miid. die ihrerseits mit der horizontalen
Kühlplatte (12) einen vorgebbaren Winkel bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,
daß der Basishohlraum (16) vertikal parallel zu den Formhohlräumen (22) verläuft,
sich bis unterhalb der Formhohlräume (22) erstreckt und ein offenes oberes finde aufweist, in
welches der F.ingießkanal (2-1) mündet.
3. Vorrichtung nach Ansprucn 1 oder 2 zur Herstellung eines Einkristall.; mit [I0()]-Orientierung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche (14) der Nebenkühlplatte (13) zu der horizontal
verlaufenden Kühlplatte (12) unter einem Winkel von 90 , das gewinkelte Keramikrohr (30) mit
seinem einen Schenkel senkrecht zur zweiten Kühlfläche (14) und mit seinem anderen Schenkel
koaxial zum verengten Durchgang (26) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung eines Einkristalls mit [lOOj-Orientierung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche (32) der Nebenkühlplatte (13) zu der horizontal
verlaufenden Kühlplatte (12) unter einem Winkel von 45" und das gewinkelte Keramikrohr (30)
mit seinem einen Schenkel senkrecht zur zweiten Kühlfläche (32) und mit seinem anderen Schenkel
unter einem Winkel von 45r zum verengten Durchgang (26) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung eines Einkristalls mit [111 !-Orientierung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche der Nebenkühlplatte (13) zu der horizontal
%'erlaufenden Kühlplatte (12) unter einem Winkel von 55°, das rechtwinklige Keramikrohr (30) mit
seinem einen Schenkel parallel zur [lOOJ-Orientierung
und mit seinem anderen Schenkel parallel zur [010]-Orientierung angeordnet ist.
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