DE2114694A1

DE2114694A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen richtungserstarrter Gußstücke

Info

Publication number: DE2114694A1
Application number: DE19712114694
Authority: DE
Inventors: Charles Merrick; Wapping Conn.; Boucher Raymond Russell Tequesta Fla.; Phipps jun (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1970-04-28
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1971-11-11
Also published as: CH530832A; AU2711571A; IL36441A0; BE766102A; FR2086405A1; CA939110A; GB1276080A; NL7103915A; US3667533A

Description

United Aircraft Corporation 911 /CQ/

400 Main Street

East Hartford, Connecticut 06108
USA

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN RICHTUNGSERSTARRTER GUSSSTÜCKE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen richtungserstarrter Gusstücke, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Richtungserstarrte Gusstücke, wie etwa solche mit säulenförmiger Kernstruktur nach dem US Patent Nr. 3.260.505, oder von mono-kristalliner Struktur nach dem US Patent Nr. 3.484.709, werden in Formen gegossen, in welchen ein Temperaturgradient entlang der Giessform während des Erstarrens aufrecht erhalten wird durch selektive Leistungszufuhr an mehrere Erwärmungsspulen, die entlang der senkrechten Achse der Form verteilt sind. Die Giessform wird auf eine Temperatur oberhalb der Giesstemperatur der Legierung erwärmt, damit keine Nukleation an einer anderen Stelle der Form erfolgt als am Boden derselben. Das Aufwärmen der Giessform bis zu dieser Temperatur erfordert eine lange Aufwärmzeit; eine entgegengesetzt gerichtete Steuerung der Wärmezufuhr während des Erstarrungsprozesses ist erforderlich um den gewünschten Temperaturgradienten aufrecht zu erhalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zum Herstellen richtungserstarrter Gusstücke bereitzustellen, ebenso wie eine Vorrichtung zum Durchführen derselben, denen die Nach-

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teile der bekannten Verfahren und Vorrichtung nicht anhaften.

Ein Merkmal der Erfindung ist eine die Form umgebende Hülle, deren Querabmessungen zwischen ihren Enden variabel ist, um die Leistungs· zuführgeschwindigkeit zur Form während de3 Erwärmens derselben und die Abküh lungs geschwindigkeit nach dem Giessen der Legierung zu steuern, damit der gewünschte Temperaturgradient aufrechterhalten bleibt. Ein anderes Merkmal besteht darin, dass die Form und die Hülle als eine Einheit um 180 gedreht werden können, um sie auf eine Kühlplatte für die Erstarrung der Legierung zu stellen. Ein weiteres Merkmal ist das Hineinbauen eines Tiegelteils in die Gussform, sodass die Legierung während des Aufwärmens der Form geschmolzen werden kann, wobei die 180°-Drehung des Apparates nach k dem Schmelzen der Legierung dazu benutzt wird, um den Formteil der Form, sowie deren Wachstumszone mit der Legierung zu füllen.

Gemäss der Erfindung besteht das Verfahren in dem Herstellen einer Form mit einem Tiegelteil, einem Formteil, einem den Tiegelteil mit dem Formteil verbindenden Kanal und einer Wachsturrszone am gegenüberliegenden Ende des Formteils, Einführen der Form in eine Aussparung in einer Hülle mit kegelförmig veränderlicher Wandstärke, welche mindestens den Formteil der Form umgibt, Einführen einer Ladung in den sich unten befindlichen Tiegelteil, Aufwärmen der Hülle und Erwärmen und Schmelzen der Ladung im Tiegelteil, Umdrehen der Form und der umgebenden Hülle zum Giessen der Ladung aus dem Tiegelteil in den Formteil und die Wachstums zone, und Abkühlen der Form und Ladung zum richtungsabhängigen Erstarren durch den von der sich kegelförmig verändernden Hüllenwandstärke hervorgerufenen Temperaturgradienten entlang der Form.

Die Vorrichtung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Giessforra mit einem Tiegelteil, einem mit seinem einen Ende an den Tiegelteil angrenzenden Formteil, und einer an das andere Ende des Formteils stossende Wachstumszone, eine Hülle mit zentraler Aussparung zur Aufnahme der Form, wobei sich die Wandstärke derselben wenigstens um die der Wachsturnszone der Form kegelförmig ändert, zur Ausbildung eines Temperaturgradientes in der Form, eine die Hülle umgebende Induktionsspule zum Aufwärmen derselben und der

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il und eine

Form sowie zum Schmelzen eines Metalls im Tiegelteil Kühlplatte auf welche die Form und Hülle mit oben liegendem Tiegelteil gestellt werden, sodass das geschmolzene Metal 1 in den Formteil und die Wachstumszone fliesst und durch die Kühlwirkung der Kühlplatte richtungsabhängig erstarrt wird.

Die Erfindung wird nun an Hand einer in der beiliegenden Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform beschrieben, in welcher:

die Figur 1 ein senkrechter Schnitt durch eine Vorrichtung in der Erwärmungsstellung darstellt; und

Figur 2 eine ähnliche Ansicht wie die der Figur 1 darstellt, wobei jedoch die Vorrichtung um 180 gedreht auf einer Kühlplatte steht.

Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung umgibt eine Induktionsspule 2, die von einem geeigneten Träger 4 getragen wird, eine kegelförmige Hülle 6, deren schmäleres Ende sich in der Figur 1 oben befindet. Wie dort dargestellt ist, erthält die Hülle eine zylindrische, sich axial erstreckende Aussparung 8, um eine Giessform 10 aufzunehmen und die sich kegelförmig ändernde Dicke der Wand der Hülle wird dadurch erreicht, dass die Aussenwand 12 derselben eine Kegelfläche ist. Die Induktionsspule ist kegelförmig gewickelt um sich der Aussenfläche der Hülle anzupassen.

Die dünnwandige Form 10, die sich innerhalb der Aussparung 8 befindet und der Form des zu giessenden Teils entspricht, hat eine öffnung 12, die zur Aufnahme der Legierung (beim Giessen) dient. Am Boden der Form, in Figur 1, befindet sich ein Tiegelteil 14 und dieser Tiegelteil nimmt eine Masse 16 der beim Giessprozess zu schmelzenden Legierung auf.

Dieser Tiegelteil hat eine abnehmbare Kappe 17, die in geeigneter Weise mit dem restlichen Teil der Form zementiert wird, nachdem das Wachsmuster, um welches die Form gebildet wurde, entfernt worden ist, und die Masse 16 eingebracht wurde.

Oberhalb des Tiögelteils befindet sich ein Durchgang 18, der mit dem Formteil 20 der Form in Verbindung steht. Dieses Teil entspricht im vorliegenden Falle einem Turbinenbaltt mit einer Plattform 22, an dem einen Ende und einer Wurzel 24 am anderen Ende der-

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selben. Oberhalb der Wurzel des Formteils befindet sich eine spiralförmige Kammer, welche die Wachstumszone 26 oder die Kristallauswahlzone der Form ausmacht. Die Anweldung einer spiralförmigen Zone, wie hier dargestellt, zur Auswahl eines Kristalls ist in der deutschen Patentanmeldung Nr. P 20 09 873.1 vom 28. Februar 1970 desselben Anmelders beschrieben. Die Form wird innerhalb der Hülle mittels einer mit einem Gewinde versehenen Kapsel 28 festgehalten, welche abgenommen werden kann, um nach dem Giessen an die Form heranzukommen.

Wenn sich der Apparat in der in Figur 1 dargestellten Stellung befindet, wird der Induktionsspule elektrische Energie zugeführt, und dadurch die Hülle 6 erwHrmt und die Temperatur der sich darin befindlichen Form angehoben. Wenn die Form auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur der Legierung erwärmt worden ist, ist die Legierungsmasse in dem Tiegelteil 14 geschmolzen. Die dickere Wand der Hülle in diesem Bereich ermöglicht eine grössere Wärmezufuhr und kleinere Verluste in diesem Teil der Form, um die notwendige Eüctraenergie zum Schmelzen der Legierung bereitzustellen und den Temperaturgradienten in der Form aufzubauen.

Wenn die Legierung vollständig geschmolzen ist, und die Form auf die gewünschte Temperatur gebracht worden ist, wird der Apparat -um 180° in die Stellung, die in der Figur 2 dargestellt ist, gedreht, sodass das obere Ende in.der Figur 1 sich jetzt unten befindet, und der Apparat wird auf eine Kühlplatte 30 gestellt. Zu W diesem Zeitpunkt wird die Zufuhr elektrischer Energie zur Induktionsspule unterbrochen oder verringert, je nach der gewünschten Wachsturnsgeschwindigkeit, um die Legierung erstarren zu lassen. Wenn sich der Apparat in der in der Figur 2 dargestellten Stellung befindet, fliesst die geschmolzene Legierung in das Formteil und die Wachstumszone um dieselbe bis zu einem Punkte oberhalb der Plattform 22 zu füllen. Durch den Entzug von Wärme am Boden der Form beginnt die Kristallisation der Legierung in der Spirale 26 und diese Spirale dient zur Auswahl eines Einkristalls; sowie die Erstarrung den Wurzelbereich 24 mit der schnellsten dendritischen Wachstumgsgeschwindigkeit innerhalb des Kristalls in einer Richtung senkrecht zur Kühlplatte erreicht, geht das Wachsen in Form

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eines Einkristalls durch den ganzen Formteil der Form hindurch weiter. Der gewünschte Temperaturgradient, welcher das Wachsen oder das Erstarren in Form eines Einkristalls ermöglicht, wird durch die grössere Dicke der Hülle am jetzigen oberen Ende des Apparates gesteuert. In dieser Weise ist das fertige Gusstück ein Einkristall, wenigstens über das ganze Schaufelprofil hinaus beim vorliegenden Beispiel.

Nach vollständiger Erstarrung wird die Kapsel 28 entfernt und die Form dann aus der Hülle herausgezogen und durch eine ähnliche Form für den nachfolgenden Giessgang ersetzt werden. Die Ausführung der Vorrichtung erlaubt den Einsatz einer einzigen Wärmequelle sowohl um der Form die gewünschte Temperatur zum Giessen zu geben, als auch um die Legierung giessfähig zu schmelzen, bevor dieselbe in den Formteil gegossen wird. Es ist selbstverständlich dass dieselbe Vorrichtung dazu benutzt werden kann,um Gegenstände mit säulenartiger Kernstruk-tür zu giessen, wie sie etwa im US Patent Nr. 3.260.505 beschrieben sind, dadurch, dass die Spirale der gezeigten Form durch eine Wachstumszone ersetzt wird, wie sie im US Patent 3.417.809 beschrieben ist. Diese Wachstumszone kann auch beim Herstellen von Einkristallgusstücken dazu benutzt werden, um die Kernorientierung 100 im Gusstück gegenüber jeder anderen Kernorientierung zu bevorzugen.

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Claims

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^_β Verfahren zum Herstellen von richtungserstarrten Gusstük-)cen, gekennzeichnet, durch Herstellen einer Form mit einem Tiegelteil, einem Formteil, einem den Tiegelteil mit dem Formteil verbindenden Kanal und einer Wachstumszone am gegenüberliegenden Ende des Formteils, Einführen der Form in eine Aussparung in einer Hülle mit kegelförmig veränderlicher Wandstärke, welche mindestens den Formteil der Form umgibt. Einführen einer Ladung in den sich unten befindlichen Tiegelteil. Aufwärmen der Hülle und Erwärmen und Schmelzen der Ladung im Tiegelteil, !Andrehen der Form und der umgebenden Hülle zum Giessen der Ladung aus dem Tiegelteil in den Formteil und die Wachstums zone, und Abkühlen der Form und Ladung zum riehtungsabhängigen Erstarren durch den von der s ich liege If örraig verändernden Hüllenwandstärke hervorgerufenen Temperaturgradienten entlang der Form.

J₄ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Form und Hülle nach Umdrehen auf eine Kühlplatte gestellt werden.

j„ Verfahren nach Ansprach I edmx 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Hülle von einer Induktionsspule zum Erwärmen der Form und Schmelzen der Ladung umgeben wird.

4» Vorrichtung zum Giessen* von richtungserstarrten Gusstücken ^ gekennzeichnet durch eine Giessform mit einem Tiegelteil, einem mit seinem einen Ende an den Tiegelteil angrenzenden Formteil, und einer an das andere Ende des Formteils s tos sende Wachs turns zone, eine Hülle mit zentraler Aussparung zur Aufnahme der Form, wobei sich die Wandstärke derselben wenigstens un die der Wachstums zone der Form kegelförmig ändert zur Ausbildung eines Temper at urgradientes in der Form, eine die Hülle umgebende Induktionsspule zum Aufwärmen derselben und der Form sowie zum Schmelzen eines Metalls im Tiegelteil und eine Kühlplätte auf welche die Form und Hülle mit oben liegendem Tiegelteil gestellt werden, sodass das geschmolzene Metall in den Formteil und die Wachs turns zone fliesst und durch die Kühlwirkung der Kühlplatte richtungsabhängig erstarrt wird. ..'..... . .. .

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. Vorrichtung nach MMBKiräl %, dadurch gekennzeichnet, dass die Form am tiegelseitigen Ende mit einer abnehmbaren Verschlusskappe versehen ist.

f Vorrichtung nach KaMHOb 4 OAHP S* dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Aussparung der Hülle im wesentlichen zylindrisch ist.

η Vorrichtung nach «Imb d«ff MMpeQel»+"fc dadurch gekennrzeichnet, dass die Hülle ihre grösste Abmessung am tiegelseitigen Ende der Form aufweist.

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