DE2242111B2

DE2242111B2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Gefüge

Info

Publication number: DE2242111B2
Application number: DE2242111A
Authority: DE
Inventors: Anthony Francis Middletown Giamei; Bernard Henry Madison Kear; Johann Gustav South Glastonbury Tschinkel
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-09-15
Filing date: 1972-08-26
Publication date: 1980-08-21
Also published as: IL39989A; DE2242111C3; IL39989A0; NL7211674A; US3763926A; CA964032A; AU469051B2; FR2152649A1; SE384643B; DE2242111A1; CH566832A5; AU4675472A; IT967336B; JPS4838236A; FR2152649B1; GB1369270A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 bzw. 8 angegebenen Art zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Gefüge.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-PS 35 32 155) wird zum Einleiten der gerichteten Erstarrung eine wassergekühlte Abschreckplatte benutzt, die dann zusammen mit der Form in eine untere Kammer abgesenkt wird, in der die Wärme von der Form durch Strahlung abgeführt wird.

Bei dem gerichteten Erstarren bilden sich in dem Einkristall- oder Stengelgefüge des Gußstückes Dendriten, die sich von dem umgebenden Material durch Unterschiede in der Konzentration einiger Gefügebestandteile unterscheiden. Beispielsweise sammeln sich eingebettete Carbidteilchen und eutektische Mikrobestandteile iij den normalerweise weicheren Gebieten zwischen den Dentriten an und die Festigkeit der Legierung wird durch solche Inhomogenitäten verringert. Die Größe der eingebetteten Teilchen und der Ansammlungen von Mikrogefügebestandteilen kann aber durch Verringern des Dendriteaabstandes in dem Gußstück verkleinert werden.

Bei der vorgenannten bekannten Vorrichtung wird zwar Wärme von der Form zusätzlich durch Abstrahlung von den Wänden der Form abgeführt, diese Wärmeabfuhr reicht aber nicht aus, um besonders kleine, d. h. besonders günstige Dendritenabstände zu erzielen, deren Größe von der Erstarrungsgeschwindigkeit abhängig ist. Es ist beispielsweise nach Beendigung des Gießens günstig, das Gußstück durch Aufheizen auf eine Temperatur nahe der Solidustemperatur zu homogenisieren. Da die Diffusion in Festkörpern ein langsamer Prozeß ist, kann diese Homogenisation einige hundert Stunden erfordern, wenn der Dendritenabstand relativ groß ist, so daß eine normalerweise vollständige Homogenisation des Dendritengefüges nicht praktikabel ist. Die Diffusionszeit für eine vollständige Homogenisation bei einer bestimmten Temperatur ist zu dem Quadrat des Dendritenabstandes proportional, so daß eine Verringerung des Dendritenabstandes um den Faktor 10 die Glühzeit um den Faktor 100 verringern kann, wodurch sich die für die vollständige Diffusion erforderliche Zeit auf einige wenige Stunden reduziert.

Es sind zwar bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung möglichst lunkerfreier Gußstücke aus Widerstandsöfen bekannt (DE-PS 5 32 520 und 5 75 843), bei denen ebenfalls mit gerichteter Erstarrung gearbeitet wird, diese unterscheidet sich jedoch wesentlich von der im Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 8 angegebenen gerichteten Erstarrung, denn letztere dient zum Erzielen eines Einkristall- oder Stengelgefüges, das eine gewisse Art der Kontrolle über den Beginn des Kornwachstums erfordert. Durch mehrfaches Kornwachstum wird ein Stengelgefüge und durch einzelnes Kornwachstum werden Einkristalle

erzielt Dafür muß aber eine Abschreckplatte an der Basis der Form vorhanden sein, da sonst das Gefügewachstum nicht zu einem Stengel- oder Einkristallgefüge führen würde.

Weiter sind zwar eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren bekannt (DE-PS 2 22 815 bzw. US-PS 29 68 848), bei denen eine Flüssigkeit und eine Eintauchvorrichtung benutzt werden, um die Abkühlgeschwindigkeit beim Gießen herkömmlicher Gußstücke zu erhöhen, es ist dabei jedoch ebenfalls nicht möglich, eine gerichtete Erstarrung zu erzielen, da keine Abschreckplatte vorhanden ist

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Stengel- oder Einkristallgefüge zu schaffen, mittels welchen sich geringere Dendritenabstände erzielen lassen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1, 2 bzw. 8 angegebenen Merkmale gelöst

Durch die Verwendung eines Kühlflüssigkeitsbades läßt sich sehr schnell die Wärme von der Form abführen, aufgrund des hohen thermischen Gefälles zwischen heißen und kalten Bereichen läßt sich eine hohe Wachstumsrate des herzustellenden Gußstückes und damit ein kleiner Dendritenabstand erzielen und das Wachsen der Dendriten läßt sich besser kontrollieren. Es ist möglich, mit nur einem einzigen flüssigen Kühlmittel sowohl die Form als auch die Abschreckplatte zu kühlen, was sehr einfach und wirtschaftlich ist. Erfindungsgemäß wird in allen Fällen die gefüllte Form von unten nach oben langsam mit einer Kühlflüssigkeit umgeben und gleichzeitig wird die Wärme von der Form langsam von unten nach oben abgeführt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden J5 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansichl einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Teilschnittansicht einer zweiten Ausfüh- w rungsform der Vorrichtung,

Fig.3 eine Teilschnittansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung,

F i g. 4 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit mehreren Formen,

F i g. 5 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsfnrm der Vorrichtung,

Fig.6 einen Querschnitt des Mikrogefüges eines herkömmlich gegossenen Einkristalls,

F i g. 7 in gleicher Ansicht bei gleicher Vergrößerung w einen Einkristall, der durch das Verfahren nach der Erfindung gegossen wurde, und

F i g. 8 in gleicher Ansicht bei gleicher Vergrößerung einen Einkristall, der duich das Verfahren nach der Erfindung mit größerer Abkühlgeschwindigkeit gegossen wurde.

Nach F i g. 1 wird das Gußstück in einer Form 2, welche auf einer Abschreckplatte 4 steht, hergestellt. Die Abschreckplatte 4 ist an einer aufgehängten Welle 6 mittels einer Schraubverbindung 7 angebracht. In der ·> <> gezeigten Position ist die Form 2 von einem Suszeptor 8 in Form einer Graphitbuchse umgeben, welche wiederum von Induktionsheizspulen 10 umgeben ist, durch welche der Suszeplor aufgeheizt wird, der wiederum die Form aufheizt, bevor diese gefüllt wird. Hitzeschilde 12 t>5 sind an dem unteren Ende des Suszeptors 8 in der Nähe des Umfangs der Abschreckplatte 4 angebracht und weitere Hitzeschilde 14 verschließen das obere Ende einer Heizkammer 16, die durch den Saszeptor 8 gebildet ist und in der die Form angeordnet ist Die Hitzeschilde 14 sind entfernbare Abdeckungen. Ein Gußtrichter 18 ist in den Hitzeschilden 14 oben an der Heizkammer 16 angebracht

Unterhalb der Heizkammer 16 ist ein Behälter 20 für ein Kühlflüssigkeitsbad 22 angeordnet Den Behälter 20 umgeben Heizelemente 24 zum Aufheizen des Bades auf die gewünschte Temperatur für das Eintauchen der Form Z Kühlschlangen 26 umschließen das obere Ende des Behälters 20 und dienen dem Zweck, die gewünschte Temperatur in dem Bad aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn die Form 2 während des Erstarrungsvorganges in das Bad 22 eingetaucht ist Eine Rührvorrichtung 27 sorgt für eine Zirkulation des Bades während des Gießprozesses. Der Behälter 20 kann an der Wand einer nicht dargestellten Vakuumkammer befestigt sein, in welcher die Vorrichtung angeordnet ist

Die Position der Heizelemente 24 und der Kühlschlangen 26 an dem Behälter 20 dient zum Erzeugen und Verstärken der Konvektionsströme in dem Bad zum Umwälzen der Flüssigkeit und dadurch Aufrechterhalten einer fast konstanten Temperatur in dem Teil des Bades, in welchen die Form eingetaucht isL Das Eintauchen der Form führt zum Aufheizen der umgebenden Flüssigkeit und verursacht schnell eine Aufwärtsströmung zur Oberfläche des Bades. Die Kühlschlangen 26 in der Nähe des oberen Endes des Bades dienen zum Abkühlen der ihnen benachbarten Flüssigkeit und verursachen eine Abwärtsströmung an der Innenfläche des Behälters 20 zum Boden desselben. Hier wird die Flüssigkeit wieder durch die Heizelemente 24 aufgeheizt und eine Aufwärtsströmung in der Mitte des Behälters 20 wird bewirkt. Somit kann in einigen Fällen das Umwälzen des Bades durch die Rührvorrichtung 27 wegfallen. Die Oberfläche des Bades 22 liegt so hoch, daß die Abschreckplatie 4 teilweise in das Bad eingetaucht ist, wenn die Form 2 zum Aufheizen und für den Gießvorgang in der Heizkammer 16 ist. Auf diese Weise ist keine Zirkulation des Kühlmittels durch die Abschreckplatte 4 nötig.

Die Form ist eine Schalenform und als Mehrfachform ausgebildet. Sie besitzt zum Herstellen von Gußstücken zwei Gußstückformteile 30 auf entgegengesetzten Seiten einer mittigen Tragbuchse 32. Die Teile 30 sind als Beispiel mit einem Hohlraum in Form einer Turbinenschaufel gezeigt. Zwischen jedem Teil 30 der Form 2 und der Tragbuchse 32 befinden sich vertikale Füllrohre 34, die an ihren oberen Enden mit einem Füllring 36 verbunden sind, der an einer Stelle direkt unter dem Gußtrichter 18 angeordnet ist. leder Teil 30 der Form 2 hat ein nach oben gerichtetes Steigrohr 38, das mindestens so hoch reicht wie das obere Ende des Füllringes 36. Unten steht mit den Teilen 30 der Form 2 eine Wachstumszone mit einer Kristallwählvorrichtung 40 in Verbindung, die eine Wendel sein kann, welche einen wendeiförmigen Durchlaß bildet, mit dem das Hineinwachsen eines Einkristalle in die Formteile 30 ausgewählt werden kann. Der wendeiförmige Durchlaß endigt unten in einer Hauptwachstumszone 42, in welcher stengeiförmige Körner wachsen. Die Füllrohre 34 Siihen mit der Wachstumszone 42 in Verbindung. Wenn die Legierung in den Gußtrichter 18 eingefüllt wird, fließt sie in den Einfüllring 36, durch die Füllrohre 34, in die Wachstumszone und von dieser aus aufwärts durch die Kristallwählvorrichlung 40, um den Teil 30 der Form 2 zu füllen, und aufwärts in das Steigrohr 38. Diese

Formanordnung eignet sich zum Herstellen von Gußstücken mit Einkristallgefüge.

F i g. 2 zeigt einen Teil einer Form, die zum Herstellen von Gußstücken mit Stengelgefüge statt mit Einkristallgefüge dient. Zu diesem Zweck hat die Form 30' das Steigrohr 38' oben und eine Wachstumszone 42' unten, die zu der Abschreckplatte 4 hin offen ist. Die Kristallwählvorrichtung von F i g. 1 ist weggelassen und die Wachstumszone steht direkt mit dem unteren Ende des Gußstückformteils 30' in Verbindung, wobei längs der in Fig.2 gestrichelt dargestellten Trennlinie der Wachstumsteil des Gußstückes später von dem Gußstück selbst abgetrennt wird.

Kristalline Gefüge mit anderen Orientierungen als [001] können mit Hilfe der in Fig.3 gezeigten Form hergestellt werden. In dieser Anordnung hat der Gußstückformteil 30" das Steigrohr 38" oben und eine Wachstumszone 42" unten. Die Wachstumszone 42" empfängt einen Einkristallblock 46 der gewünschten Orientierung, dessen unteres Ende in eine Vertiefung 48 in der Abschreckplatte 4 eingesetzt wird, so daß er während des Erhitzens der Form nicht völlig geschmolzen wird. Wenn die Legierung eingefüllt wird, erfolgt das Einkristallwachstum mit derselben Dendritenorientierung wie in dem Block 46 in dem gesamten Gußstück. In Fig. 1 ist die Kristallwählvorrichtung als Teil der Wachstumszone anzusehen, wenn Einkristallgußstücke hergestellt werden.

Eine besonders brauchbare Flüssigkeit für den Abkühlprozeß ist Zinn, und zwar wegen seines niedrigen Dampfdruckes und wegen seiner niedrigen Schmelztemperatur (232⁰C). Eine geeignete Temperatur für das Zinnbad ist ungefähr 260⁰C₁ da die Abkühlgeschwindigkeit um so größer ist, je niedriger die Temperatur des Bades ist. Die Platte 4 ist am Beginn des Gießvorganges teilweise in das Zinnbad eingetaucht und dient als Abschreckplatte.

Das Verfahren wird zweckmäßigerweise im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre durchgeführt und zu diesem Zweck wird die Vorrichtung in einer Vakuumkammer angeordnet. Wenn sich die Vorrichtung in der Position von F i g. 1 befindet und wenn die Form 2 auf der Abschreckplatte 4 ruht und an dieser befestigt ist, so daß das Herauslecken von schmelzflüssigem Material aus der Form verhindert wird, wird die Form erhitzt, indem die Induktionsheizspulen 10 mit Strom versorgt werden, um die Temperatur der Form selbst wenigstens bis auf die Schmelztemperatur der Legierung und vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 150° C oberhalb der Schmelztemperatur zu steigern. Wenn das herzustellende Gußstück eine Turbinenschaufel ist die die Gestalt des in den F i g. 1 und 2 gezeigten Gußstückformteils hat, ist eine geeignete Superlegierung beispielsweise Mar-M 200.

Die zu gießende Legierung wird bis auf etwa 150° C oberhalb ihres normalen Schmelzpunktes erhitzt, so daß sie eine beträchtliche Oberhitze hat Wenn die Form und die Legierung so weit überhitzt worden sind, wird die Legierung in die Form eingefüllt wobei die Form wenigstens bis zu einer Stelle oberhalb des Gußstückformteils und vorzugsweise bis in die Höhe des Einfüllringes 36 gefüllt wird. Da die Temperatur der Abschreckplatte 4 im wesentlichen auf der Temperatur des Kühlflüssigkeitsbades 22 gehalten wird, beginnt das Dendritenwachstum sofort in der Wachstumszone 42 der Form, und, wenn die Erstarrung durch die Wachstumszone hindurch nach oben weitergeht wird das Kornwachstum stengeiförmig. Fast unmittelbar nach dem Einfüllen der Legierung und dem Beginn des Kornwachstums wird die Abschreckplatte 4 mit der darauf befindlichen Form 2 allmählich aus der Heizkammer 16 abgesenkt, so daß die Abschreckplatte ι vollständig untergetaucht wird, und dann wird die Form allmählich in das Kühlflüssigkeitsbad 22 eingetaucht. Wenn sich die Form 2 abwärts in das Bad bewegt, fließt die Kühlflüssigkeit über die Oberfläche der Abschreckplatte 4 und umgibt die verschiedenen Teile der Form.

ίο Da die Kühlflüssigkeit mit sämtlichen Außenflächen der Form in Berührung ist, umschließt sie die Form vollständig und führt die Hitze aus allen Teilen der Form schnell ab, wodurch die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierung in vertikaler Richtung vergrößert wird.

Aufgrund der Kristallwählvorrichtung 40 wächst ein Einkristall aus dem Hauptwachstumsteil in den Gußstückformteil 30 der Form 2 hinein.

Die Form wird allmählich und kontinuierlich abwärts in das Kühlflüssigkeitsbad 22 mit derartiger Geschwindigkeit bewegt, daß die Oberfläche des Kühlflüssigkeitsbades 22 dem Soliduspegel nicht voreilt, so daß die Wärmeabfuhr aus der breiigen Zone der erstarrenden Legierung vertikal abwärts erfolgt und die Flüssig-Fest-Grenzfläche im wesentlichen horizontal bleibt. Dadurch wird das Wachstum eines Einkristalls in dem Gußstückformteil der Form sichergestellt und es wird eine Keimbildung von Körnern an den Oberflächen der Form verhindert. Der sich ergebende hohe Wärmegradient und die Grenzflächen sind außerdem bestrebt eine Konvektion aufgrund von Konzentrationsunterschieden in der schmelzflüssigen Superlegierung zu verhindern, die sonst zu Erstarrungsdefekten führen könnten.

Bei Verwendung einer Superlegierung zum Herstellen von Turbinenschaufeln mit einer Länge von beispielsweise 10,16 cm und einer Höhe der Wachstumszone 42 von mindestens 2^4 cm würde die Gesamthöhe der Form einschließlich des Steigrohres 20,32 cm betragen. Bei einem besonderen Gießvorgang zum Herstellen einer Einkristallschaufel wird diese Form auf 1566° C erhitzt, und zwar mit Ausnahme des Teils, der der Abschreckplatte 4 unmittelbar benachbart ist. Die Legierung wird auf 1566° C erhitzt und dann in die Form eingefüllt die sich zu dieser Zeit auf der Abschreckplatte 4 und in der Heizkammer 16 befindet.

Die Abschreckplatte 4 und die darauf befindliche Form 2 werden für 1 bis 5 min in der gezeigten Position gehalten, damit das Stengelwachstum in der Wachstumszone beginnt, bevor die Abschreckplatte und die Form abwärts in das flüssige Zinn bewegt werden, das eine Temperatur von 260° C hat Die Abwärtsbewegung der Abschreckplatte und der Form wird mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit von 305 cm/h ausgeführt bis die Form wenigstens 2^4 cm über dem oberen Ende des Gußstückformteils der Form eingetaucht ist wodurch das Wachsen eines Einkristalls in dem gesamten Gußstückformtefl der Form gewährleistet wird.

Da die Strecke, um die sich die Form abwärts bewegen muß, um in diesem Ausmaß in das flüssige Zinnbad eingetaucht zu werden, 15,24 cm beträgt dauert der vollständige Vorgang zum ausreichenden Eintauchen der Form ab dem Zeitpunkt des Abgießens der Form bis zum Abschluß des Erstarrungsvorganges nur 3 min plus der Haltezeit Die Form wird dann nach oben durch die Heizkammer 16 hindurch bis zu einer Stelle über dieser herausgezogen, wobei die Hitzeschilde 14 durch einen Tragrand 44 an der Welle 6 nach oben mitgenommen werden. Wenn sich die Form und die

Abschreckplatte vollständig oberhalb der gezeigten Vorrichtung befinden, erfolgt das Entfernen der Form aus ihrer Position auf der Abschreckplatte durch Abschrauben der Abschreckplatte und Herunterziehen der Form von der Welle, die dafür zweckmäßig vorher zur Seite bewegt wird.

Die Heizspulen 10 sind ständig eingeschaltet und der Suszeptor 8 wird während der Abwärtsbewegung der Form in das Zinnbad auf seiner hohen Temperatur gehalten, so daß oberhalb des unteren Endes des Suszeptors die Form noch auf nahezu 1566° C gehalten wird. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Wärmegradient in dem Material innerhalb der Form zwischen dem unteren Ende des Suszeptors und der Oberfläche des Zinnbades aufrechterhalten. Die Form ist also von einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung auf der gesamten Höhe des Suszeptors 8 umgeben und der untere Teil der Form ist in das Zinnbad mit einer Temperatur von 260° C in einer sehr kurzen Entfernung unter dem unteren Ende des Suszeptors eingetaucht, wodurch dieser sehr hohe Wärmegradient geschaffen wird. Die Steilheit des Wärmegradienten an der Grenzfläche wird in hohem Maße durch den Abstand des Suszeptors oberhalb der Oberfläche des Bades durch die Temperatur und die Wirksamkeit des Bades und durch die Legierungsüberhitze bestimmt.

Weiter ist die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der Flüssig-Fest-Grenzfläche, nämlich die Erstarrungsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung der Form in das Kühlflüssigkeitsbad festgelegt. Df das Bad mit den Außenflächen der Form in Berührung ist, ist die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr von der Form und daher von der Legierung an und unterhalb der Oberfläche des Kühlflüssigkeitsbades durch Wärmeleitung extrem schnell. Die Formwand sollte relativ dünn sein, um dadurch die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zu verbessern. Die Wanddicke der Form wird durch die Festigkeit begrenzt, die benötigt wird, damit die Form den Druck des Materials in ihrem Inneren während des Gießvorganges aushält.

Statt die Form aus der Heizkammer abzusenken und in ein Kühlflüssigkeitsbad einzutauchen, kann die Form auch allmählich untergetaucht werden, indem die Kühlflüssigkeit in eine die Form umgebende Kammer eingefüllt wird. Gemäß F i g. 5 ruht die Form 50, die zum Herstellen eines einzelnen Gußstückes dient, auf einer Abschreckplatte 52 und ist von einem Suszeptor 54 umgeben. Der Fuß 56 der Form ist verlängert, so daß er über der gesamten Abschreckplatte liegt und sich am Umfang derselben unter den Suszeptor erstreckt. Der Suszeptor wird an dem Formfuß durch ein Bindemittel 57 gehalten, das an dieser Stelle eine flüssigkeitsdichte Verbindung bildet Der Suszeptor ist von einer Induktionsheizung 58 umgeben, welche aus mehreren axial angeordneten Spulen besteht, so daß die den Spulen zugeführte Energie an dem Suszeptor allmählich von unten nach oben verringert werden kann. Ein Rohr 60 dient zum Einleiten von Kühlflüssigkeit in die die Form umgebende Kammer. Im Gebrauch wird die Form, die in der oben beschriebenen Weise auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt worden ist, mit der überhitzten, schmelzflüssigen Legierung gefüllt und die Erstarrung wird an der Abschreckplatte durch die Zufuhr von Kühlflüssigkeit zu den Durchlässen in der Abschreckplatte eingeleitet Nach einer kurzen Zeitspanne für das Stengelwachstum in der Form an der Abschreckplatte wird der Kammer eine Kühlflüssigkeit zugeführt und gleichzeitig wird die unterste Heizspule abgeschaltet. Die Kühlflüssigkeit umschließt die Form und führt aus dieser und aus der in ihr befindlichen Legierung Wärme schnell ab, damit die Legierung nach oben hin erstarrt. Der Anstieg der Kühlflüssigkeit in der Kammer zum Untertauchen der Form erfolgt mit den oben für die Abwärtsbewegung der Form von F i g. 1 angegebenen Geschwindigkeit. Außer der Notwendigkeit, daß das Zinn Wärme aus dem Suszeptor aufnimmt, ist die Wirkung beim Untertauchen der Form durch die

ίο eingefüllte Kühlflüssigkeit die gleiche wie bei dem Eintauchverfahren von F i g. 1. Wenn die Oberfläche der Kühlflüssigkeit in der Kammer ansteigt, werden aufeinanderfolgende Spulen abgeschaltet, so daß nur derjenige Teil des Suszeptors weiterhin erhitzt wird, der sich oberhalb der Oberfläche der Kühlflüssigkeit befindet.

Das Verfahren ist zwar unter Bezugnahme auf Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis beschrieben worden, es können jedoch auch andere Legierungen gegossen werden, beispielsweise eutektische Legierungen und jedes Gemisch von Materialien, die ein gerichtet erstarrtes Stengel- oder Einkristallgefüge ergeben.
Bei der Erstarrung dieser eutektischen Legierungen sind grundsätzlich zwei Zustände sehr erwünscht. Erstens, die Flüssig-Fest-Grenzfläche auf einem sehr großen Verhältnis von Wärmegradient zu Wachstumsgeschwindigkeit zu halten, und, zweitens, eine ebene und horizontale Flüssig-Fest-Grenzfläche aufrechtzuerhalten, da bei diesen eutektischen Legierungen nur eine sehr geringe Abweichung von dieser Orientierung toleriert werden kann. Dieses Verfahren bietet den erwünschten, sehr hohen Wärmegradienten und gestattet die maximal zulässige Wachstumgsgeschwindigkeit, die bei höheren Wärmegradienten höher ist Da der Wärmegradient mehrmals größer als bei anderen bekannten Verfahren ist, kann die Wachstumsgeschwindigkeit ebenfalls mehrmals größer sein, ohne daß das Verhältnis von Wärmegradient zu Wachstumsgeschwindigkeit beeinflußt wird.

Die Erstarrungsgeschwindigkeit wird durch die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr von der Legierung begrenzt, die keine übermäßige Krümmung der Solidusfläche erzeugt. Da die Größe der gewachsenen Dendriten von der Abkühlgeschwindigkeit abhängig ist, ist der Dendritenabstand in dem Dendritengefüge um so kleiner, je kürzer die Erstarrungszeit ist. In Experimenten sind Wachstumsgeschwindigkeiten von bis zu 457 cm/h erreicht worden, und solche Geschwindigkeiten oder noch höhere Geschwindigkeiten sind für das Gießen, beispielsweise von Laufschaufeln und Leitschaufeln von Gasturbinentriebwerken, nicht ungünstig. Die Wachstumsgeschwindigkeit hängt von der Querschnittsfläche des Materials in der Form und auch von der Gestalt des Gußstückes ab, da beispielsweise ein Schaufelprofil eine größere Oberfläche als ein Kreis mit derselben Querschnittsfläche ergibt und deshalb schneller Wärme verlieren wird.
Der Wärmegradient wird, wie oben erwähnt, durch mehrere Parameter kontrolliert, nämlich durch das Ausmaß an Oberhitze in der schmelzflüssigen Legierung zur Zeit des Einfüllens derselben, die Temperatur des Bades und den Abstand zwischen dem unteren Ende der Heizkammer und der Oberfläche des Bades. Der

⁶S Wärmegradient kann ziemlich steil sein und es sind Gradienten von bis zu 260⁰C pro 2,54 cm erzielt worden. Wärmegradienten von bis zu 520" C pro 2^4 cm sind ebenfalls erzielbar.

Die Wachstumsgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit, mit der sich die Erstarrungsfront aufwärts bewegt, wird im wesentlichen durch die Geschwindigkeit, mit der die Wärme von der Form abgeführt werden kann, kontrolliert. Bei der dünnen Formwand ist die Wärmeabfuhr von der Querschnittsfläche der Legierung im Vergleich zur Oberfläche, von der Geschwindigkeit, mit der die Form in das Bad eingetaucht wird, und von der Fähigkeit des Bades, die abgeführte Wärme aufzunehmen, ohne daß seine Temperatur beträchtlich zunimmt, abhängig. Der letztgenannte Parameter ist daher von dem Volumen des Bades, der spezifischen Wärme des Materials des Bades und der Umwälzung des Bades, durch die die Kühlflüssigkeit nahe bei der Form in Bewegung gehalten wird, und den äußeren Kühleinrichtungen zur Temperaturaufrechterhaltung abhängig. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist daher von dem Wärmegradienten im wesentlichen unabhängig und zur Erzielung optimaler Ergebnisse können beide unabhängig voneinander eingestellt werden.

Die Wirkung der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit und des hohen Wärmegradienten geht aus den F i g. 6,7 und 8 hervor. F i g. 6 zeigt einen Querschnitt durch das Mikrogefüge eines Einkristalls aus Mar-M 200-Legierung, die gerichtet erstarrt ist. Es sind große Dendriten mit vergleichsweise großem Dendritenabstand zu erkennen, wobei die weißen Flächen eutektische Mikrobestandteile sind, die Inhomogenitätsbereiche bilden, welche die Festigkeit der Legierung verringern. Fig.7 zeigt ein ähnliches Mikrogefüge aus derselben Legierung, die durch das hier beschriebene Verfahren mit einer Eintauchgeschwindigkeit von 63,5 cm/h gegossen worden ist, mit offensichtlich viel feinerem Dendritengefüge, engerem Abstand zwischen den Dendriten und kleineren eingebetteten Carbidteilchen und eutektischen Mikrobestandteilen. Die Legierung ist daher stabiler und hat eine höhere Dauerfestigkeit. Das feinere Dendritengefüge und der kleinere Dendritenabstand sind außerdem in dem gesamten Gußstück vorhanden und ergeben daher gleichmäßigere mechanische Eigenschaften, wie Dauerfestigkeit, Bruchfestigkeit und Streckfestigkeit, in sämtlichen Bereichen des Gußstücks. Die Streuung der mechanischen Eigenschaften, die für herkömmliche Gußstücke kennzeichnend ist, wird dadurch minimiert.

F i g. 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Mikrogefüge derselben Legierung wie in den F i g. 6 und 7, die aber bei einer Eintauchgeschwindigkeit von 457 cm/h erstarrt ist Durch das Erstarren mit dieser Geschwindigkeit werden das Dendritengefüge und der Dendritenabstand sehr viel kleiner als bei der geringeren Eintauchgeschwindigkeit von F i g. 7 und die Carbidteilchen und eutektischen Mikrobestandteile sind wegen des kleineren Dendritenabstandes ebenfalls viel kleiner. Das in Fig.8 gezeigte Mikrogefüge ist wie das von Fig.7 in dem gesamten Gußstück vorherrschend, so daß gleichmäßige mechanische Eigenschaften in dem gesamten Gußstück gewährleistet sind.

Die hier beschriebene Vorrichtung und das hier beschriebene Verfahren ermöglichen die Reproduzierbarkeit des gewünschen Mikrogefüges und der gewünschten mechanischen Eigenschaften in nacheinander hergestellten Gußstücken, so daß viele Gußstücke hergestellt werden können, beispielsweise ein vollständiger Satz von Laufschaufeln oder Leitschaufeln einer Gasturbine, die dann alle dieselben Eigenschaften haben werden.

Die Ansammlungen von eutektischen Mikrobestandteilen, die in diesen Mikrogefügen zu erkennen sind, können minimiert oder eliminiert werden, indem die Legierung auf eine Temperatur nahe der Solidustemperatur erhitzt wird, damit es zur Diffusion der Materialien kommt. Wenn der Dendritenabstand groß ist, wie in F i g. 6, müssen die Gußstücke für eine lange Zeit auf

ίο dieser Temperatur gehalten werden, da die Diffusionszeit zu dem Quadrat des Abstandes zwischen den Dendriten proportional ist. Das Gefüge von F i g. 7 kann in nur wenigen Erwärmungsstunden homogenisiert werden, was eine praktikable Behandlung ermöglicht.

Das Gefüge von F i g. 8 würde eine beträchtlich kürzere Zeit als das von F i g. 7 benötigen, da der Dendritenabstand kleiner ist.

Es können auch mehrere Gußstücke gleichzeitig in einer Mehrfachform hergestellt werden, da das Kühlflüssigkeitsbad in den Bereichen zwischen den Einzelformen zirkulieren und diese in ihrem gesamten Querschnitt sowie auf ihrer gesamten Länge gleichmäßig abkühlen kann. F i g. 4 zeigt einen der Vorteile des Kühlflüssigkeitsbades beim gleichzeitigen Gießen von mehreren gerichtet erstarrten Gußstücken. Die Mehrfachform hat eine große Anzahl von Gußstückformteilen 62, die in einem äußeren Ring angeordnet sind, und weitere Gußstückformteile 64, die in einem inneren Ring angeordnet sind. Alle sind zum gleichzeitigen

.ίο Füllen der gesamten Form miteinander verbunden. Wenn einer solchen Formanordnung kein Kühlflüssigkeitsbad vorhanden ist, verlieren die äußeren Oberflächen der äußeren Gußstückformteile 62 Wärme schnell durch Abstrahlung an die umgebende kühlere Kammerwand, aber die inneren Oberflächen des äußeren Ringes von Gußstückformteilen können nicht mit derselben Geschwindigkeit Wärme verlieren, da die ihnen benachbarten Oberflächen die der ebenfalls heißen inneren Gußstückformteile 64 sind; das Wachstum des Dendritengefüges ist daher unregelmäßig und die Flüssig-Fest-Grenzfläche wird nicht relativ horizontal gehalten, sondern ist geneigt; das ergibt ein langsameres Abkühlen und eine Erstarrungsgeschwindigkeit, die niedriger als erwünscht ist; der innere Ring von Gußstückformteilen 64 wird weniger schnell auch deshalb gekühlt, da nur kleine Bereiche einer kalten Oberfläche gegenüberliegen, an die Wärme abgesti ahlt werden kann, weshalb die Kühlung hauptsächlich durch Wärmeleitung über die erstarrte Legierung zu der Abschreckplatte erfolgen muß; die Flüssig-Fest-Grenzfläche dieser Gußstückformteile weicht daher von der optimalen, im wesentlichen horizontalen Lage ab, was zu unsymmetrischem und ungleichförmigem Dendritenwachstum führt.

Dadurch aber, daß der gesamte Umfang jedes Gußstückformteils derselben Kühlflüssigkeit mit im wesentlichen derselben Temperatur ausgesetzt wird, wird die erwünschte schnelle und gleichmäßige Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung über die Form zu der Kühlflüssigkeit möglich und es wird dadurch eine im wesentlichen gleichmäßige Wachstumsgeschwindigkeit in sämtlichen Gußstückformteilen gewährleistet, wobei die Flüssig-Fest-Grenzfläche während des gesamten Erstarrungsvorganges im wesentlichen horizontal und in derselben Höhe bleibt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Gefüge, mit einer die Form tragenden Abschreckplatte, mit einer Formfülleinrichtung, mit einer oberhalb der Abschreckplatte angeordneten und die Form umschließenden und vor dem Füllen erhitzenden Heizkammer und mit einer Einrichtung zum langsamen Eintauchen der Form in einen Kühlbehälter beginnend an der Abschreckplatte, dadurch gekennzeichne t, daß der Kühlbehälter (20) ein Kühlflüssigkeitsbad (22) enthält, in das die Einrichtung (6,7), die die Abschreckplatte (4) und die Form (2) trägt, mit diesen eingetaucht wird, und daß die Oberfläche des Kühlflüssigkeitsbades (22) so dicht unterhalb der Heizkammer (16) angeordnet ist, daß sich die Abschreckplatte (4) vor dem Eintauchen wenigstens teilweise in dem Kühlflüssigkeitsbad befindet

2. Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Gefüge, mit einer die Form tragenden Abschreckplatte, mit einer Formfülleinrichtung, mit einer oberhalb der Abschreckplatte angeordneten und die Form umschließenden und vor dem Füllen erhitzenden Heizkammer und mit einer Einrichtung zum langsamen Eintauchen der Form in einen Kühlbehälter beginnend an der Abschreckplatte, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ^m Eintauchen der Form (50) aus dem aus einem Seitenteil (54) und der von der jo Kühlflüssigkeit durchströmten Abschreckplatte (52) gebildeten Kühlbehälter und einer Einrichtung (60) zum langsamen Füllen des Behälters mit derselben oder einer weiteren Kühlflüssigkeit besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit geschmolzenes Zinn ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (24, 26) zum Steuern der Temperatur des Kühlflüssigkeitsbades 4« (22) an dem Kühlbehälter (20) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuereinrichtungen aus den Kühlbehälter (20) oben und unten umschließenden Heizelementen (24) bzw. Kühlschlangen (26) bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuereinrichtungen eine Kühlschlange (26) aufweisen, die den Behälter (20) nahe der Oberfläche des Kühlflüssigkeitsbades so (22) umgibt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckplatte (4) durch die Einrichtung (6, 7) zum Eintauchen der Form (2) von oberhalb der Heizkammer (16) her « gehalten ist.

8. Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Gefüge unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem zunächst eine Schalenform mit einem m> Wachstumsteil an einem Ende hergestellt wird, diese Schalenform dann auf einer Abschreckplatte mit zu derselben hin geöffnetem Wachstumsteil angeordnet wird und die Schalenform auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des zu gießenden ft Materials aufgeheizt und abgegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel ein Kühlflüssigkeitsbad bildet, in das die Form und die Abschreckplatte beginnend an letzterer, die bereits vor dem Abgießen der Form durch dasselbe Kühlmittel oder durch ein zum Kühlen der Form verwendetes weiteres Kühlmittel gekühlt wird, eingetaucht werden und dessen Temperatur wesentlich unterhalb des Schmelzpunktes des zu gießenden Materials liegt