DE2242111A1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen von gegenstaenden mit gerichtet erstarrtem gefuege - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Gegenständen mit gerichtet erstarrtem Gefüge .

Eine Möglichkeit der Herstellung von Gußgegenständen mit gerichtet erstarrtem Gefüge bei hoher Erstarrungsrate ist in der amerikanischen Anmeldung mit der Serial Nr. 63,143 beschrieben. Die Vorrichtung und das Verfahren dieser Anmeldung ergaben einen sehr viel höheren Grad an gerichtet erstarrten Gefügen als es früher durch stufefiweisen Rückzug der Form von der heißen Kammer bei gleichzeitigem Kühlen der Form während des Erstarrungsprozesses mit Hilfe der die Form umgebenden Kühlwände der Vorrichtung möglich war. So wurde zusätzlich zu der Ableitung der Hitze durch die erstarrte Legierung zu dem Abschrecktisch eine wesentliche Hitzeentfernung dürfen Abstrah-

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len von den Wänden der Form unterhalb der flüssig erstarrten Zwischenschicht erreicht. Da ein geringer dendritischer Abstand gunstig ist, und da sich der dendritische Abstand bei Erhöhung der Erstarrungsrate der Legierung (Wachstumsrate) verringert, ist es zweckmäßig, während des Erstarrungsprozesses ein wirkungsvolleres Abkühlen der Form zu erzielen.

Die Dendriten, die sich in dem Einkristall oder in den säulenförmigen Körnern des Gußgegenstandes bilden, unterscheiden sich von dem umgebenden Material durch Unterschiede in der Konzentration einiger Gefügebestandteile. Beispielsweise neigen eingebettete Kohlenstoffpartikel und eutektische Mikrobestandteile zur Ansammlung in den normalerweise weicheren, zwischendendritischen Regionen, und die Härte der Legierung wird durch solche Inhomogenitäten verringert. Die Größe solcher eingebetteten Partikel und Mulden von Mikrogefügebestandteilen wird wesentlich durch die Reduktion des dendritischen Abstandes in dem Gußteil verringert, da die zwischendendritischen Schichten mit dichteren dendritischen Abständen kleiner sind. Nach Beendigung des Gusses ist es günstig, die Gußlegierung durch Aufheizen auf eine Temperatur nahe der SoUdustemperatur zu homogenisieren. Da die Diffussion in Materien ein langsames Verfahren ist, kann diese Homogenisation der Legierung einige hundert Stunden erfordern, weil der dendritische Abstand relativ groß ist, so daß eine normale, vollständige Homogenisation einer dendritischen Struktur nicht praktikabel ist. Die Diffussionszeit für eine vollständige Homogenisation bei einer gegebenen Temperatur ist proportional dem Quadrat der Entfernung zwischen den Dendriten, so daß eine Verringerung des dendritischen Abstandes um den Faktor 10 die Vergütungszeit um den Faktor 100 verringern kann, wobei die erforderliche Zeit für die vollständige Diffussion auf einige wenige Stunden reduziert wird. Auf diese Weise würde die Homogenisationsbehandlung ein annehmbares Verfahren werden. Der Abstand der Dendriten wird wesentlich durch ein schnelleres Erstarren des Materials, das gegossen wird, verringert.

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Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das sehr schnelle Entfernen der Hitze von der Form in Verbindung mit einem scharfen Übergang zwischen der heißen und kalten Umgebung, um ein hohes thermisches Gefälle und ebenfalls eine hohe Wachstumsrate für das Herstellen des Gußgegenstandes zu erhalten. Ein weiteres Merkmal ist die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels, in das die Form eingebettet oder in das die Form langsam versenkt wird, zum schnellen Entfernen der Hitze von der Form, wobei das gewünschte Kornwachstum in der Form erzielt wird. Ein weiteres Merkmal ist der Gebrauch dieses flüssigen Kühlmittels zur Zirkulation um die verschiedenen Formen bei einem Mehrfachformenguß, so daß die Entfernung der Hitze von den verschiedenen Formen die gleiche sein kann und dementsprechend in allen diesen Formen das gewünschte Kornwachstum erzielt wird. Ein besonderes Merkmal dieser Erfindung ist die Kontrolle des dendritischen Wachsens in dem Gußstück in der Weise, daß der Abstand zwischen den Dendriten wesentlich verringert und dabei die Trennung der Mikrogefügebestandteile in den zwischendendritischen Regionen auf ein Minimum gesenkt wird. Nach der Erfindung besteht die Vorrichtung aus einer Heizkammer, in welche die Form eingebettet ist, und in der sie eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zu gießenden Materials erlangen kann, einem Behälter für ein flüssiges Bad unterhalb der Heizkammer, in den die Form eingebettet oder versenkt ist, einer Anordnung zum Füllen der Form, und einer Anordnung zum Bewegen der Form relativ zu dem Standort der Kammer und des Behälters und zum langsamen Einbetten der gefüllten Form in die Kühlflüssigkeit bei gleichzeitigem Entfernen von der Heizkammer. Die Durchführung dee Verfahrens geschieht durch Heizen der Form vor dem Füllen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zu gießenden Materials durch Einfüllen des geschmolzenen Materials in die Form und danach langsames Entfernen der Form aus der Heizzone und gleichzeitiges langsames Versenken in ein flüssiges

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Kühlbad, wobei dem Material in der Form ein eintauchthermisches Gefälle zugeordnet ist, das eine vertikale Erstarrung des Materials in der Form von dem Boden der Form aus nach oben mit einer kontrollierten Erstarrungsrate verursacht.

Eine Verbesserung der Erfindung ergibt sich bei langsamem Entfernen der der Form zugeführten Hitze und langsamen Füllen des Behälters mit einer Kühlflüssigkeit. In allen Arten der Erfindung wird die gefüllte Form langsam mit einer Kühlflüssigkeit vom Boden zur Spitze der Form umgeben und zur selben Zeit wird die der Form zugeführte Hitze langsam vom Boden zur Spitze durch Entfernen der Form oder durch stufenweise Verringerung der Hitzezuführung zu der Form verringert, wobei der Pegel des Kühlbades wirksam nach oben um die Form bewegt wird.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen abgebrochenen vertikalen Schnitt einer Abänderung,

Fig. 3 eine abgebrochene vertikale Ansicht einer weiteren Abänderung,

Fig. 4 einen schrägverlaufenden Schnitt durch eine Mehrfachform, welche die Wirkung der flüssigen Kühlung zeigt,

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt durch eine geänderte Form der Vorrichtung,

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Fig. 6 eine schrägverlaufende MikroStruktur eines Einkristalls eines konventionellen Gußstücks,

Fig. 7 eine gleiche Ansicht bei gleicher Vergrößerung eines Einkristalls das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gegossen wurde,

Fig. 8 eine gleiche Ansicht bei gleicher Vergrößerung eines Einkristalls, das nach dem vorliegenden Verfahren mit einer schnelleren Abkühlrate gegossen wurde.

Nach Fig. 1, welche eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, ist der zu gießende Gegenstand in einer Form 2, welche auf einem Tragtisch 4 steht, ausgebildet. Der Tragtisch 4 wird durch eine aufgehängte Welle 6, die mittels einer Schraubverbindung 7 an den Tisch angebracht ist, getragen. In der gezeigten Position ist die Form von einer Verschlußbuchse 8 in der Art einer Graphitbuchse umgeben, welche wiederum von Induktionsheizspulen 10,durch welche die Verschlußbuchse aufgeheizt wird, umgeben ist, wobei dieser wiederum die Form aufheizt, bevor diese aufgefüllt wird. Geeignete Hitzeschilde 12 sind an dem unteren Ende der Verschlußbuchse 8 in der Nähe des Umfangs des Tragtisches angebracht und andere Hitzeschilde 14 verschließen das obere Ende der Kammer 16, die durch die Verschlußbuchse 8 gebildet wird und in der die Form eingebracht ist. Diese Hitzeschilde 14 sind entfernbare Abdeckungen. Ein Gußtrichter 18 ist in dem Hitzeschild 14 an der Spitze der Kammer angebracht.

Unterhalb der Heizkammer 16 ist ein Tank 20 für die Flüssigkeit 22 angeordnet. Den Tank 20 umgeben die Heizelemente 24 zum Aufhei-

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zen der Badtemperatur auf die gewünschte Temperatur für das Eintauchen der Form hierin. Die Kammer ist ebenfalls vorzugsweise von Kühlspulen 26, die das obere Ende des Tanks umschließen, umgeben, wobei diese dem Zweck dienen, die gewünschte Temperatur in dem flüssigen Bad zu erhalten, insbesondere dann, wenn die Form während des Erstarrungsvorganges hierin eingebettet ist. Geeignete Rührmittel 27 sind vorgesehen, um die Zirkulation des flüssigen Bades sicherzustellen, wenn der Gußprozess durchgeführt wird. Der Tank kann an der Wand des nicht dargestellten Vakuum behälters, in welche die Vorrichtung eingebracht ist, befestigt werden.

Die Anordnung der Heiz- und Kühlspulen 24 und 26 um den Tank dienen zum Erzeugen und Verstärken der Konvektionsströme in dem flüssigen Bad für die Zirkulation der Flüssigkeit und dadurch wird eine fast genau gleiche Temperatur für den Teil des Bades erhalten, in welchen die Form eingebettet ist. Die Einbettung der Form ergibt eine sehr schnelle Aufheizung der umgebenden Flüssigkeit und verursacht einen nach oben gerichteten Fluß zur Oberfläche. Die Kühl spulen in der Nähe des oberen Endes des flüssigen Bades dienen zum Abkühlen der an ihnen anliegenden Flüssigkeit und verursachen einen Abwärtsfluß entlang der inneren Oberfläche des Tanks zum Boden des Tanks. Hier wird die Flüssigkeit wiederum durch die Heizspulen aufgeheizt und ein Aufwärtsfluß zur Mitte des Tanks hin wird bewirkt. Somit kann in einigen Fällen die Rührbewegung des flüssigen Bades durch die Rührvorrichtung wegfallen. Verständlicherweise kann die Zeichnung die einzelnen Teile nur schematisch zeigen und geeignete Tragmittel sind zum Tragen des Tanks 20 im bestimmten Verhältnis zu der oben angeführten Heizkammer vorhanden. Der Pegel des flüssigen Bades 22 ist vorzugsweise so, daß der Tragtisch teilweise eingetaucht ist , wenn die Form in der Heizkammer zum Aufheizen und für den Eingußvorgang ist, und auf diese Art dient der Tisch als wirkungsamer Abschrecktisch, ohne daß eine Zirkulation des Kühlmittels durch den Tisch nötig ist.

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. 2242¹H

Die Form besteht vorzugsweise aus einer an sich bekannten Schalenform und ist wie gezeigt, eine Mehrfachform und besitzt zwei zu formende Teile 30, die gegenüberliegend an den gegenüberliegenden Seiten einer mittleren Tragbuchse 32 angeordnet sind. Die Teile 30 sind hier als Beispiel in der Form einer Kammer einer Turbinenschaufel gezeigt. Die letztere hat solche Abmessungen, daß sie um die vertikale Welle 6, wie gezeigt, passt. Zwischen jedem Teil der Form und der mittleren Tragbuchse 32 sind vertikale Füllrohre 34, die an ihren oberen Enden mit einem Füllring 36 verbunden sind, angeordnet, wobei die letzteren an einem Ende direkt unterhalb des Einfülltrichters angebracht sind. Jeder Teil der Form hat ein nach oben gerichtetes Steigrohr 38, das mindestens so hoch reicht wie die Spitze des Einfüllringes 36. Unten und verbunden mit dem zu formenden Teil der Form ist eine Wachszone mit einer Kristallwahlvorrichtung 40 vorgesehen, die in Form einer Wendel mit einem Wendelweg zum Auswählen eines Einkristalls ausgebildet ist, welches in den Teil hineinwachsen kann. Der Wendelweg endet am unteren Ende in eine Hauptwachszone 42, in der säulenförmige Körner wachsen können. Die Einfüllrohre 34 sind mit der Wachstumszone 42,wie gezeigt, verbunden. Wenn die Legierung in den Trichter 18 eingefüllt wird, fließt sie somit durch den Ring 36 und durch die Rohre 34 in die Wachstumszone und dann nach oben durch die Kristallwahlvorrichtung und füllt den Teil der Form und dann nach oben in das Steigrohr. Diese Formanordnung ist geeignet zum Herstellen von Einkristallgegenständen.

In Fig. 2 ist ein Teil einer Form gezeigt, welcher zum Herstellen von säulenförmigen Korngußgegenständen anstelle von Einkristallgegenständen geeignet ist. Zu diesem Zweck ist die Form 30* mit einem Steigrohr 38' an der Spitze und einer Wachstumszone 42^J am Boden, die zur Abschreckplatte hin geöffnet ist, ausgerüstet. Die Kristallwahlvorrichtung der Fig. list weggelassen und die Wachstumszone steht in direkter Verbindung mit dem unteren Ende des Formteiles, wobei die Teilerlinie die Linie 43 in Fig. 2 ist und entlang dieser Linie wird

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der Wachstumsteil des Gusses von dem Gegenstand selbst bedient.

Kristalline Strukturen anderer Orientierung als (001) können durch Verwendung einer Form nach Fig. 3 erhalten werden. In dieser Anordnung besitzt der Formteil 30** das Steigrohr 38" an seinem oberen Ende und die Wachstumszone 42" an seinem unteren Ende. Diese Wachstumszone enthält einen EtnkristallrohHng 46 der ge-*· wünschten Orientation und der Boden dieses Rohlings ist vorzugsweise in einer Vertiefung 48 in dem Tragtisch 4 so angeordnet, daß dieser Rohling während des Aufheizvorganges der Form nicht total geschmolzen wird. Wenn die Legierung eingefüllt wird, erfolgt ein Wachsen eines Einkristalls mit dendritischer Orientierung durch den Gegenstand in der gleichen Art wie die Rohlinge 46. In Fig. 1 ist die Kristallwahlvorrichtung als Teil der Wachstumszone gedacht, wenn Einkristallgüßstücke erzeugt werden.

Eine besonders brauchbare Flüssigkeit für die Verwendung des Abkühlprozesses ist Zinn und zwar wegen seines niedrigen Dampfdrukkes und wegen seiner niedrigen Schmelztemperatur (232 C).Eine brauchbare Temperatur für das Zinnbad ist ungefähr 260 C, wobei klar ist, daß je niedriger die Temperatur des Bades ist, desto höher die Abkühl rate ist. Wie oben angeführt, ist der Tisch 4 teilweise in das Zinnbad während des Beginns des Gußvorganges eingebettet, und er dient als Abschreckplatte.

Das Verfahren wird zweckmäßigerweise im Vakuum oder in einer neutralen Atmosphäre durchgeführt und hierzu wird die Vorrichtung in einer Vakuumkammer angeordnet. Mit der Vorrichtung in der Anordnung nach Fig. 1 und mit der Form in ihrer Anordnung auf und an den Tragtisch wird ein Lecken des geschmolzenen Materials aus der Form verhindert, und diese wird durch Aufheizen der Induktionsspulen erhitzt, um die Formtemperatur mindestens bis zur Schmelztempe-

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ratur der Legierung zu erhöhen, wobei diese vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 150 C über der Schmelztemperatur erhöht wird. Bei einem zu gießenden Gegenstand, der eine Turbinenschaufel darstellt, wie es in dem Teil der Form nach den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen gezeigt ist, ist eine geeignete Superlegierung für diesen Zweck Mar-M 200, obwohl viele andere Legierungen in gleicher Weise brauchbar sind, die z.B. in den US-PS 3,2 60, 505, 3,494,709 und 3,567,526 beschrieben sind.

Die zu gießende Legierung ist auf einen Punkt ungefähr 150 C oberhalb der normalen Schmelztemperatur der Legierung erhitzt, sp daß sie eine wesentliche Überhitze hat. Wenn die Form oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung und die Legierung selbst auf diese Höhe überhitzt ist, wird die Legierung in die Form eingefüllt, wobei die Füllung der Form mindestens bis zu einem Punkt oberhalb des Teiles der Form und vorzugsweise hauptsächlich bis zu dem Pegel des Einfüllringes 36 erfolgt. Während die Temperatur des Tragtisches 4 bei der Temperatur des flüssigen Bades gehalten wird,- beginnt das dendritische Wachstum sofort in der Wachstumszone 42 der Form und bei stetiger nach oben führender Erstarrung durch die Wachstumszone wird das Kornwachstum säulenförmig, wie es in der US-PS 3,494,709 beschrieben ist.

Fast sofort nachdem die Legierung eingefüllt ist und wenn das Kornwachstum begonnen hat, wird der Tragtisch mit der Form darauf langssam von der Heizkammer 16 gelöst, so daß der Tragtisch vollständig und dann die Form langsam in das flüssige Kühlbad eingebettet wird. Wenn die Form sich nach unten in das Bad bewegt, fließt die Kühlflüssigkeit über die Oberfläche des Tragtisches und umgibt die verschiedenen Teile der Form. Wenn das Kühlmittel mit allen äußeren Oberflächen der Form Berührung hat, umgibt es die Form vollständig und entfernt sehr schnell die Hitze aus allen Teilen der Form, wobei die Erstarrungsrate der Legierung in vertikaler Richtung erhöht wird. Die Kornaus-

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wählvorrichtung 40 arbeitet in der gleichen Weise wie die Kristallauswahlvorrichtung nach der US-PS 3,494,709, und sie verursacht das Wachsen eines Einkristalls aus dem Hauptwachstumsteil in den Teil der Form.

Die Form wird langsam und stetig nach unten in das flüssige Bad bewegt und zwar mit solch einer Geschwindigkeit, daß der Pegel des kühlenden Bades nicht den Soliduspegel wesentlich übersteigt, so daß die Entfernung der Hitze aus der breiigen Zone der erstarrenden Legierung vertikal nach unten gerichtet ist, und der Pegel der flüssig erstarrten Zwischenschicht im wesentlichen horizontal verharrt. Dieses stellt ein Wachstum eines Einkristalls in dem Teil der Form sicher und verhindert die Kernbildung falscher Körner entlang den Oberflächen der Form. Das hohe resultierende thermische Gefälle und die Pegelzwischenschichten neigen ebenso dazu, die Konvektion in Abhängigkeit von den Konzentrationsunter— schieden in den geschmolzenen Superlegierungen zu verhindern, die im anderen Falle zu einer falschen Erstarrung führen könnten, die als Sonnenflecken bekannt sind.

Bei Verwendung einer Superlegierung zum Herstellen von Turbinenschaufeln, wenn die Schaufel z.B. 10,16 cm lang ist, und die Höhe der Wachstumszone 42 vorzugsweise mindestens 2,54 cm beträgt, würde die Gesamthöhe der Form einschließlich des Steigrohres 20, 32 cm betragen. In einer besonderen Gußausführung beim Herstellen einer Einkristallschaufel wird diese Form auf 1566 C erhitzt mit Ausnahme des Teils, das dicht an dem Tragtisch anliegt. Die Legierung wird auf

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1566 C erhitzt und dann in die Form gefüllt, welche zu dieser Zeit auf dem Tragtisch in der Heizkammer angeordnet ist. Der Tragtisch und die Form werden dann in der gezeigten Position ein bis fünf Minuten für den Beginn des säulenförmigen Wachstums in der Wachstumszone gehalten, bevor eine nach unten gerichtete vertikale Bewegung der Abschreckplatte und der Form in das flüssige Zinn bei 260 C beginnt. Die abwärts gerichtete Bewegung der Abschreckplatte und Form wird mit

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einer gleichmäßigen Rate von 305 cm/Std. ausgeführt und zwar bis die Form bis zu einem Punkt mindestens 2,54 cm oberhalb der Spitze des Teils der Form eingebettet ist, und hierbei wird sichergestellt, daß ein Wachstum eines Einkristalls durch den ganzen Teil der Form geschieht.

Da die Entfernung, die sich die Form nach unten bewegen muß, um bis zu dieser Höhe in das flüssige Zinnbad eingebettet zu sein, 15,24 cm beträgt, ist es offensichtlich, daß der ganze Vorgang der vollständigen Einbettung der Form nur drei Minuten plus der Haltezeit von dem Zeitpunkt des Einfüllens in die Form für einen vollständigen Erstarrungsvorgang beträgt. Die Form wird dann nach oben entfernt und die Anordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die Form nach oben durch die Heizkammer zu einem Punkt oberhalb dieser gezogen wird, wobei die Hitzeschilde 14 mit nach oben durch den Tragrand 44 an der Welle gezogen werden. Wenn die Form und die Tragplatte vollständig oberhalb der gezeigten Vorrichtung sind, ist die Entfernung der Form aus ihrer Position auf der Tragplatte durch Abschrauben des Tisches und Herausziehen der Form aus ihrer Position um die Welle getan. Irgendein geeigneter Mechanismus, der nicht Teil dieser Erfindung ist, kann für diesen Zweck herangezogen werden. Natürlich kann die freihängende Welle seitlich bewegt werden, um die Form und den Tisch über eine geeignete Werkbank anzuordnen.

Die Heizspulen sind ständig eingeschaltet, und deshalb wird das Seitenteil 8 bei einer Abwärtsbewegung der Form auf den^;Abschrecktisch bei einer hohen Temperatur gehalten, so daß oberhalb des Pegels des Bodens des Seitenteils die Form noch immer in der Nähe von 1566 C gehalten wird. Auf diese Weise wird ein sehr hohes thermisches Gefälle in dem Material in der Form zwischen dem Pegel des Bodens des Seitenteils und dem oberen Pegel des Zinnbades gehalten. Das besagt, daß die Form von einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der

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Legierung über die ganze Höhe des Seitenteils gehalten wird und der untere Teil der Form in ein kühlendes Bad bei 260 C ganz kurz unter dem unteren Ende des Seitenteils eingebettet ist, wobei dieses hohe thermische Gefälle fest gehalten wird. Die Steilheit des thermischen Gefälles an der Zwischenschicht wird zu einem grossen Teil durch die Entfernung des Seitenteils von der Oberfläche des Bades, durch die Temperatur, durch den Wirkungsgrad des Bades und durch die Überhitze der Legierung bestimmt.

Weiterhin ist die Rate der Aufwärts bewegung der flüssig erstarrten Zwischenschicht, die Wachstumsrate, durch die Rate der Abwärtsbewegung der Form in das flüssige Bad bestimmt. Da das Bad in Berührung mit der äußeren Oberfläche der Form ist, ist die Rate der Hitzeentfernung von der Form und somit von der Legierung an und unterhalb der Oberfläche des flüssigen Bades wegen der Leitfähigkeit extrem schnell. Es ist günstig, eine relativ dünne Formwand zu haben, um dadurch die Hitzeübertragungsrate.zu verbessern,- und somit ist die Wanddicke der Form durch die Festigkeit,die benötigt wird, um dem Druck des Materials in der Form während des Gußverfahrens zu widerstehen, begrenzt.

Anstatt die Form von der Heizkammer zu entfernen und in das flüssige Kühlbad einzubetten, kann die Form langsam in eine Kammer durch Einfüllen der Kühlflüssigkeit,die die Form umgibt, versenkt werden. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, steht die Form 50, die als eine Form für einen einzelnen Gegenstand gezeigt ist, auf einem Abschrecktisch 52 und ist von einem Seitenteil 54 umgeben. Der Fuß der Form ist so ausgebildet, daß er die ganze Abschreckplatte übei— zieht und unter das Seitenteil am äußeren Umfang der Abschreckplatte reicht. Das Seitenteil ist mit dem Formfuß durch das Bindemittel verbunden, um eine feste Verbindung gegen Durchfluß von Flüssigkeiten an dieser Stelle zu bilden. Das Seitenteil ist von der Induktionsheizung 58 umgeben, welche aus mehreren axial angeordneten Spulen besteht, so daß die den Spulen zugeführte Energie langsam vom

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Boden zum oberen Ende des Seitenteils verringert werden kann. Ein Rohr 60 dient zur Zuführung des flüssigen Kühlmittels in die Kammer, die die Form umgibt. Bei Benutzung, wenn die Form auf die gewünschte Temperatur, wie oben beschrieben, erhitzt wurde, wird diese mit der überhitzten geschmolzenen Legierung gefüllt, und die Erstarrung beginnt bei der Abschreckplatte durch Zuführung des Kühlmittels in die dafür vorgesehenen Wege der Abschreckplatte. Nach kurzer Zeit, wenn sich das säulenförmige Wachstum in der Form bei der Abschreckplatte aufgebaut hat, wird die Kühlflüssigkeit der Kammer zugeführt und gleichzeitig die unterste Heizspule abgeschaltet. Die Kühlfüssigkeit umgibt die Form und zieht sehr schnell Hitze aus der Form und der Legierung, wobei eine Aufwärtserstarrung der Legierung bewirkt wird. Das Ansteigen des Kühlmittels in der Kammer bei Einsenken der Form geschieht mit den gleichen Raten die, wie oben genannt, für die Abwärtsbewegung der Form in Fig. 1 angegeben sind. Außer der Notwendigkeit, daß das Zinn die Hitze von dem Seitenteil aufnimmt, ist die Wirkung die gleiche bei dem Eintauchen der Form in das eingefüllte Kühlmittel wie bei der Einbettechnik nach Fig. 1. Wenn der Pegel des Kühlmittels in der Kammer ansteigt, werden die entsprechenden Spulen abgeschaltet, so daß nur der Teil des Seitenteils oberhalb des Kühlmittels erhitzt bleibt.

Obwohl der oben beschriebene Prozeß für Superlegierungen mit Nikkei- oder Kobalt-Basis gedacht ist, ist er so zu verstehen, daß die Vorrichtung und das Verfahren nicht nur auf Gußteile dieser besonderen Legierungsart angewendet wird, sondern sie können ebenso gut für Gußteile anderer Materialien, z.B. einige eutektische Legierungen, die in den US-PS 3,552,953 und 3,554,817 beschrieben sind, verwendet werden. Dementsprechend ist die Verwendung des Begriffs Legierung nicht nur streng auf die bekannten Superlegierungen der Nickel- oder Kobalt-Basis begrenzt, wie in den obengenannten US-PS 3,260,505 und 3,494,709, sondern ist allgemein angewendet

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und meint jegliche Mischung von Materialien, die direkt vorzugsweise in säulenförmiger Korn- oder Einkristallform erstarrt sind.

Bei der Erstarrung dieser eutektischen Legierungen sind grundsätzlich zwie Zustände sehr günstig. Erstens bei einer flüssig erstarrten Zwischenschicht eine hohe Rate von thermischem Gefälle zur Wachstumsrate und zweitens eine flache und horizontal flüssig erstarrte Zwischenschicht, da diese eutektischen Legierungen nur sehr kleine Toleranzversetzungen von dieser Orientierung zulassen. Dieses Verfahren ergibt ein günstiges, sehr hohes thermisches Gefälle und erlaubt eine maximal mögliche Wachstumsrate, die mit dem Ansteigen des thermischen Gefälles ansteigt. Da das thermische Gefälle weit höher ist als bei anderen bekannten Techniken, ist die Wachstumsrate auch um ein Mehrfaches höher, ohne daß das Verhältnis des thermischen Gefälles zur Wachstumsrate beeinflußt wird.

Die Rate der Erstarrung ist durch die Rate der Entfernung der Hitze von der Legierung begrenzt, die keine übertriebene Krümmung der Solidusoberflache erzeugt. Da die Größe der gewachsenen Dendriten eine Funktion der Kühlrate ist, gilt: je kürzer die Zeit der Erstarrung desto dichter ist die dendritische Struktur. In Versuchen wurden Wachstums raten in der Größenordnung von 457 cm/Std realisiert, und solche Raten oder noch höhere sind zum Gießen von z.B.

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Schaufeln und Leitschaufeln für Gasturbinenmaschinen geeignet. Die Wachstumsrate ist abhängig von der Querschnittszone des Materials in der Form und ebenfalls von der Form des Gegenstandes, da beispielsweise eine Schaufelform eine größere Oberflächenzone als ein Kreis mit der gleichen Querschnittszone hat, und daher wird sie die Hitze schneller verlieren.

Wie oben erwähnt, wird das thermische Gefälle durch verschiedene Parameter, wie der Menge der Überhitze in der geschmolzenen Le-

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gierung zur Zeit des Einfüllens, der Temperatur des flüssigen Bades und dem Abstand zwischen dem Boden der Heizkammer und der Oberfläche des flüssigen Bades kontrolliert. Das thermische Gefälle kann ganz steil sein, und es wurden Gefälle in der Größenordnung 260 C pro 2,54 cm bereits erzielt. Thermische Gefälle in der Größenord-

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nung von 520 C pro 2,54 cm sind mit der vorliegenden Erfindung

durchführbar.

Die Wachstumsrate, nämlich die Rate, bei welcher die Erstarrungsfront sich aufwärts bewegt, wird im wesentlichen durch die Rate, mit der die Hitze von der Form entfernt werden kann, kontrolliert. Mit der dünnen Formwand ist die Entfernung der Hitze eine Funktion der Querschnittszone der Legierung verglichen mit der Oberflächenzone und der Rate, bei der die Form in das Bad eingebettet wird, und der Fähigkeit des Bades, die entfernte Hitze ohne bedeutende Erhöhung der Temperatur aufzunehmen. Dieser letzte Parameter ist somit abhängig von dem Volumen des Bades, der spezifischen Hitze des Materials des Bades, der Zirkulation des Bades, um die Flüssigkeit dicht in der Nähe der Form in Bewegung zu halten, Und der externen Kühlmittel zum Aufrechterhalten der Temperatur. Die Wachstumsrate ist somit im wesentlichen unabhängig von dem thermischen Gefälle und jedes Gefälle kann unabhängig für optimale Ergebnisse justiert werden.

Die Wirkung der hohen Erstarrungsrate und das hohe thermische Gefälle dieser Erfindung ist in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellt. Fig. ist eine schräg verlaufende MikroStruktur eines Einzelkorns einer Mar-M 200 Legierung, die unter Verwendung der Direkterstarrung stechnik nach der US-PS 3,260,505 gegossen wurde. Diese zeigt die großen Dendriten mit vergleichbar großen dendritischen Abständen, wobei die weißen Zonen eutektische Mikrogefügebestandteile sind, und Zonen von Inhomogenitäten, die die Härte der Legierungen verringern. Fig. 7 zeigt eine ähnliche MikroStruktur derselben Le-

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-legierung, die durch die vorliegende Technik mit einer EirtBÄtungsf-' ' rate von 63,5 cm/Std. gegossen wurde, mit einer offensichtlich viel feineren dendritischen Struktur und dichteren Zwischendendritischen Abständen und kleineren eingebetteten Kohlenstoffpartikeln und eutektische Mikrogefügebestandteile. Die Legierung ist somit von sich aus fester und widerstandsfähiger gegen Ermüden. Die kleinere dendritische Struktur und der Abstand erstreckt sich auch durch den Gußgegenstand und ergibt somit weit gleichmäßigere Eigenschaften, wie Alterungsfestigkeit, Bruchbeanspruchung und Streckfestigkeit in allen Teilen des Gusses. Dies verringert die Streuung der mechanischen Eigenschaften, die konventionellen Gußgegenständen charakteristisch zugeordnet sind.

Fig. 8 ist eine schräg liegende MikroStruktur der gleichen Legierung wie in den Fig. 6 und 7, jedoch ist sie durch die vorliegende Technik mit einer Einbettungsrate von 457 cm/Std erstarrt. Bei einer solchen Erstarrungsrate ist die dendritische Struktur und der Abstand sehr viel kleiner als bei der langsameren Einbettungsrate nach Fig. 7, und die Kohlenstoff partikel und die eutektischen Mikrogefügebestandteile sind auch viel kleiner aufgrund des dichteren Dendritenabstandes. Wie in dem Gußstück, von dem das Bild der Fig. 7 gemacht wurde, herrscht die MikroStruktur durch das ganze Gußstück vor und gewährleistet somit gleichförmige mechanische Eigenschaften für den ganzen Gußgegenstand.

Die vorliegende Vorrichtung und Technik erlaubt die Wiederholbarkeit der gewünschten MikroStruktur und der gewünschten mechanischen Eigenschaften in aufeinanderfolgenden Gußvorgängen, so daß viele Abgüsse gemacht werden können, wie z.B. ein vollständiger Satz Turbinenschaufel oder Leitschaufel für Gasturbinen mit gleichen Eigenschaften.

Die Teiche der eutektischen Mikrogefügebestandteile^die in diesen Mikrostrukturen gezeigt werden, können verringert oder ganz ent-

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fernt werden durch Aufheizen der Legierung bis dicht an die SoIidustemperatur zum Zerstäuben des Materials. Wenn der dendritische Abstand so groß ist wie in Fig. 6, dann müssen die Gußgegenstände bei dieser Temperatur für eine längere Zeit gehalten werden, da die Diffussionszeit proportional dem Quadrat der Entfernung zwischen den Dendriten ist«, Die Struktur nach Fig. 7 kann durch nur einige Stunden Aufheizen homogenisiert werden. Die Struktur nach Fig. 8 würde eine bedeutend kürzere Zeit als die nach Fig. 7 wegen der kleineren dendritischen Abstände erfordern. Diese Erfindung kann benutzt werden für das Herstellen einer Vielzahl von Gußstüpken zur gleichen Zeit in einer Mehrfachform, da das Kühlbad in den Zonen zwischen den einzelnen Formelementen zirkuliert und den einzelnen Elementen der Form ermöglicht, gleichförmig über den Querschnitt sowie über die Länge abzukühlen. Fig. 4 zeigt einen der Vorteile des flüssigen Bades, das eine Vielzahl von direkt erstarrten Gußgegenständen zur gleichen Zeit kühlt. Wo die Form eine Mehrfachform mit einer großen Anzahl von Formteilen 62 ist, die in einem äußeren Ring angeordnet sind, und anderen Formteilen 64 in einem inneren Ring, wie gezeigt, und alle zum gleichzeitigen Füllen miteinander verbunden sind, wird die ganze Form zur gleichen Zeit gefüllt. Mit solch einer Formstruktur wird die äußere Oberfläche der äußeren Formteile die Hitze sehr schnell durch Strahlung an die umgebende kühlere Kammerwand geben, jedoch werden die inneren Oberflächen des äußeren Ringes des Formteiles unfähig sein, die Hitze mit der gleichen Rate abzugeben, da die anliegenden Oberflächen die gleich heißen inneren Formteile 64 sind. Somit ist das Wachstum der dendritischen Struktur ungleichförmig, und die flüssig erstarrte Zwischenschicht wird nicht relativ horizontal sondern geneigt. Hieraus res.ultiert ein langsameres Kühlen und eine langsamere als die gewünschte Erstarrungsrate „ Die inneren Ringe des Formteiles 48 werden sogar weniger schnell abgekühlt, da nur kleine Zonen einer Kühlfläche, an die die Hitze aus-

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atkuhlunq

gestrahlt werden kann ,ausgesetzt sind und somit die Hauptkuhlung durch Ableitung durch die erstarrte Legierung zu der Abschreckplatte geschehen muß. Die flüssig erstarrte Zwischenschicht dieser Formteile ist somit aus der optimalen haupthorizontalen Anordnung mit dem Ergebnis einer nicht symmetrischen und nicht gleichförmigen Dendritenwachstum verzerrt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei Umgebung des gesamten Umfanges eines jeden Formteiles mit derselben Kühlflüssigkeit bei im wesentlichen gleicher Temperatur die erwünschte, schnelle und gleichförmige Hitzeentfernung durch Ableitung durch die Form zu der Kühlflüssigkeit hin, wobei eine im wesentlichen gleichförmige Wachs turn s rate in allen Formteilen sichergestellt ist, und die flüssig erstarrte Zwischenschicht in allen Formteilen im wesentlichen horizontal und bei dem gleichen Pegel während des ganzen Erstarrungsprozesses gehalten wird.

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-Patentansprüche-

Claims (16)

1. Meine Akte:

   109/72"Pt ¹^"* 22. Aug. 1972

   PATENTANSPRÜCHE

   . Vorrichtung zum Erzeugen eines gerichtet erstarrten Gefüges, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Tragplatte (4) für die Form, einem Seitenteil (8)₍welches oberhalb der Tragplatte (4) angeordnet ist und eine Heizkammer (16) für die Form bildet, Mittel zum Füllen der Form, und Mittel zum langsamen Umgeben der Form mit einer Kühlflüssigkeit von der Tragplatte (4) aufwärts zum Kühlen des Materials, das in die Form eingefüllt wird, besteht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit geschmolzenes Zinn ist.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Behälter (20) für die Kühlfüssigkeit und Mittel zum langsamen Bewegen der Form und der Tragplatte (4) in die Flüssigkeit in dem Behälter (20) aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Seitenteil und die Tragplatte den Behälter für die Kühlflüssigkeit bilden, und daß Mittel zum langsamen Füllen des Behälters mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen sind, wobei die Form langsam in das flüssige Kühlmittel absenkbar ist.

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5. 5. Vorrichtung zum Erzeugen eines gerichtet erstarrten Gefüges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Tragplatte zum Tragen der Form und einem Behälter für eine Flüssigkeit zum Kühlen der Form besteht, daß diese Flüssigkeit unterhalb und in einer Position, in der sie die Tragplatte umgeben kann, angeordnet ist, daß eine Heizkammer oberhalb des Behälters mit zugeordneten Mitteln zum Heizen der Form angeordnet ist, daß Mittel zum Erlangen einer vertikalen Bewegung zwischen der Tragplatte und der Kammer und dem Behälter zum Bewegen der Form aus der Kammer und in den Behälter, wobei die Form in eine Kühlflüssigkeit in dem Behälter absenkbar ist, vorhanden sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Kontrollieren der Temperatur der Flüssigkeit in dem Behälter vorgesehen sind.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter von Heizmitteln und auch von Kühlmitteln umgeben ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Mitteln für die Kontrolle der Temperatur eine Kühlspule, die den Behälter nahe der Oberfläche des Flüssigkeitbades umgibt, gehört.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des flüssigen Bades dicht unterhalb des Bodens der Heizkammer liegt.
10. 10.! Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 - 9, dadurch gekenn-

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    zeichnet, daß der Tragtisch von oberhalb der Kammer gehalten ist..
11. 11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittel, die mit denn Behälter verbunden und dicht an dem Pegel der Oberfläche des flüssigen Bades zum Kühlen des Bades angeordnet sind, und andere Mittel, die auch mit dem Behälter verbunden und am unteren Ende desselben zum Aufheizen des Bades angeordnet sind, vorgesehen sind.
12. 12. Verfahren zum Herstellen von gerichtet erstarrten Gußgegen-• ständen bei Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Form mit einem Wachstumsteil an einem Ende hergestellt wird, daß die schalenform ige Form auf einem Tragtisch mit dem Wachstumsteil zu dem Tisch hin geöffnet angeordnet wird, daß die Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des zu gießenden Materials aufgeheizt wird, daß die Form mit Material, das auf eine Temperatur wesentlich oberhalb des Schmelzpunktes des zu gießenden Materials erhitzt wird, gefüllt wird, und daß der Tisch und die Form vom Boden aus zum oberen Ende der Form in einem flüssigen Bad mit einer Temperatur wesentlich unterhalb des Schmelzpunktes des zu gießenden Materials langsam abgekühlt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das gerichtet erstarrte Wachstum bei dem Tragtisch vor der Bewegung der Form in das Bad beginnt,
14. 14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine Vielzahl von parallel angeordneten Formteilen, die in Abständen voneinander angeordnet sind, wobei jede ihren eigenen Wachstumsteil an einem Ende besitzt und alle miteinander zum Füllen verbunden sind, aufweist.

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15. 15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine Kristallwahlvorrichtung oberhalb des Wachstumsteils besitzt.
16. 16. Verfahren nach den Ansprüchen 12 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zusätzlichen Schritt der Formteil oberhalb des Pegels der Flüssigkeit, die die Form bei hoher Temperatur langsam umgibt, während des langsamen Umgebens der Form durch die Flüssigkeit gehalten wird.

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