DE2450602A1

DE2450602A1 - Verfahren und giessform zum herstellen von gusstuecken mit stengelgefuege aus einer hochwarmfesten legierung

Info

Publication number: DE2450602A1
Application number: DE19742450602
Authority: DE
Inventors: Geoffrey R Brazer; Patrick Michael Curran; Bruce Ellington Terkelsen
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-10-26
Filing date: 1974-10-24
Publication date: 1975-04-30
Also published as: US3908733A; IL45917A; DE2450602C2; CH600973A5; SE7413149L; NL174330C; IL45917A0; SE410411B; CA1035538A; IT1025186B; GB1487598A; NL174330B; JPS5074521A; FR2248897A1; AU7438374A; FR2248897B1; NL7413682A

Description

Patentanwalt )ipHng. RolfMenges

8011 Pöring/München Commerzbank München

Hubertusstrasse 20 4406120

Telefon (08106) 2176

Telegramme Postscheck München

PATENTMENGES Zorneding 307487-803

Tag/Date

2450602 24. Okt. 1974

Anwaltsakte U 220

United Aircraft Corporations East Hartford, Conn.,V.St.A.

Verfahren und Gießform zum Herstellen von Gußstücken mit Stengelgefüge aus einer hochwarmfesten Legierung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Form zum Gießen von hochwarmfesten Legierungen, welche als einen Zusatz ein Element haben, das mit dem Form- und Kernmaterial reagiert und dadurch während des Erstarrens der Legierung abgereichert wird.

Gerichtet erstarrte Super!egierungen auf Ni ekel basis erhalten durch den Zusatz von geringen Anteilen von bestimmten Legierungselementen, wie etwa Hafnium, bedeutend bessere mechanische Eigenschafen, insbesondere hinsichtlich der Verformbarkeit. Die Bedeutung eines solchen Zusatzes ist in der US-PS 3 711 337 beschrieben. Es hat sich herausgestellt, daß durch den Zusatz von 1,55» bis 3,5% Hafnium die Querverformbarkeit in Turbinenlaufschaufeln stark zunimmt, was zu einer

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besseren Leistungsfähigkeit und zu einer längeren Lebensdauer bei Verwendung in einer Gasturbine führt.

Weil jedoch Hafnium mit Oxiden, wie etwa dem in den Kern- und Formmaterialien enthaltenen Siliziumdioxid, reagiert, tritt während des Erstarrungszyklus in der geschmolzenen Legierung eine Verarmung oder Erschöpfung an Hafnium ein. Das gilt insbesondere bei dem Gießen von Werkstücken mit Stengel gefüge, beispielsweise gemäß der US-PS 3 260 505 oder dem besonderen Typ eines Einkristalls mit Stengelgefüge gemäß der US-PS 3 494 709, da es bei einem solchen Gießvorgang erforderlich ist, daß die Abkühlung der Legierung von dem Boden bis zu der Oberseite der Form kontrolliert wird. Es hat sich bei solchen Gießverfahren gezeigt, daß der untere Teil des Gußstückes den Prozentsatz an Hafnium hat, der in der Legierung bei deren Eingießen vorhanden ist, daß aber weiter nach oben in dem Gußstück ein niedrigerer Hafniumgehalt angetroffen wird. Beispielsweise ist es bei bestimmten Turbinenschaufelkonstruktionen erwünscht, den Hafniumgehalt zwischen 1,75 Gewichtsprozent und 2,50 Gewichtsprozent zu halten. Aufgrund der Abreicherung des Hafniums durch Reaktion während des Erstarrungsvorganges sind jedoch an der Spitze niedrige Hafniumgehalte von etwa 1,43% beobachtet worden, während der Hafniumgehalt an der Basis 2,50% beträgt. Ein so niedriger Prozentsatz an Hafnium an der Schaufel spitze ist unerwünscht.

Gemäß der Erfindung wird beim Gießen von Werkstücken mit Stengelgefüge aus einer hochwarmfesten Super!egierung ein Reservoir an geschmolzener Legierung in der Form oberhalb des Werkstückhohlraums angeordnet und dieses Reservoir hat ein großes Volumen : Oberfläche-Verhältnis, so daß das Hafnium.in einem geringeren Ausmaß abgereichert wird. Die Erfindung beinhaltet außerdem das Verfahren zum Herstellen von Gußstücken aus hochwarmfesten Superlegierungen mit einem zugesetzten Bestandteil, wie etwa Hafnium, der mit der Form und den Kernen reagiert, so daß der Bestandteil während der Erstarrung erschöpft wird, wobei das Verfahren beinhaltet, daß die an diesem Bestandteil reiche Legierung aus einen ;_ä der Form oberhalb des Werkstückhohlraums angeordneter Reservoir zugeführt wird

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und daß die Legierung in dem Reservoir geschmolzen bleibt, bis die gesamte Legierung in dem Werkstückhohlraum erstarrt ist.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren und eine Gießform zum Gießen von hochwarmfesten Legierungen, welche als einen Zusatz ein Element haben, das mit der Form und dem Kernmaterial reagiert und dadurch während des Erstarrens der Legierung abgereichert wird. Ein Reservoir, welches so geformt ist, daß die Absicherung des Elements minimiert wird, ist oberhalb des Werkstückhohlraums in der Form angeordnet und führt der Oberseite des Werkstückhohlraums Legierung zu. Wenn die Erstarrung fortschreitet, dient die geschmolzene Legierung in dem Reservoir dazu, die erstarrende Legierung in dem das Gußstück bildenden Formhohlraum mit dem angereicherten Reaktionsbestandteil anzureichern.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Vertikal Schnittansicht durch eine Gießform nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt auf der Linie 2-2 von Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt auf der Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig. 4 eine Vertikal Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform zum Herstellen von hohlen Schaufeln, und

Fig. 5 einen Querschnitt auf der Linie 5-5 von Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 ist die Gießform 2, wenn sie gebrauchsfertig ist, auf der Abschreckplatte 4 angeordnet und hat ein offenes unteres Ende 6, so daß geschmolzene Legierung, wenn sie in die Gießform gegossen ist_s in direkter Berührung mit der Abschreckplatte 4 ist. Die Gießform wird zum Herstellen von Gußstücken aus einer hochwarm-

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festen Superlegierung auf Nickelbasis verwendet, die in den US-PS'en 3 260 505 und 3 494 709 beschrieben und mit einem zugesetzten Bestandteil angereichert worden ist, der die mechanischen Eigenschaften der Gußlegierung zwar verbessert, der aber mit der Gießform oder dem Kern reagiert, so daß die Menge des Bestandteils während des Erstarrungsvorgangs verringert wird. Ein derartiger Bestandteil ist das Element Hafnium und eine der Superlegierungen, welcher Hafnium hinzugefügt ist, hat folgende Nominal zusammensetzung:

Kohlenstoff	0,14	Wolfram	12,5
Chrom	9,0	Niob	1,0
Cobalt	10,0	Bor	0,015
Aluminium	5,0	Zircon	0,05
Titan	2,0	Hafnium	2,5
		Rest Nickel

Die . bei dem Gießverfahren verwendeten Gießformen enthalten Oxidmaterialien, wie etwa Siliziumdioxid, die mit dem Hafnium in der geschmolzenen Legierung reagieren. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß, wenn der Guß durch das sogenannte Schnellerstarrungsverfahren gleichmäßig gemacht wird, der Prozentsatz an Hafnium in der geschmolzenen Legierung in einer herkömmlichen Gießform während des Erstarrungsprozesses abgereichert wird. Obgleich der Prozentsatz an Hafnium an der Basis des Gußstückes gleich dem Prozentsatz an Hafnium in einer geschmolzenen Legierung ist, die gerade eingegossen wird, beispielsweise 2,5%, kann der Prozentsatz an Hafnium an dem oberen Ende des Gußstückes, beispielsweise der Schaufel spitze, einen niedrigeren Wert haben, beispielsweise 1,40%, was zum Erzeugen der gewünschten Verformbarkeit eines Gußstückes zu niedrig ist. Mit dem Zusetzen des Hafniums wird der Zweck verfolgt, die Verformbarkeit zu erhöhen, wie in der oben genannten US-PS 3 711 337 beschrieben.

Da es unerwünscht ist, daß die Gußlegierung mehr als einen vorbe-

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stimmten Prozentsatz von Hafnium enthält, beispielsweise 2,5%_s wie oben beschrieben, kann die Menge an Hafnium in der Hauptlegierung, so wie sie eingegossen wird, nicht über diesem Wert liegen. Folglich muß der Gesamtverlust an Hafnium in dem oberen Teil des Gußstückes verringert werden.

Zur Minimierung des Gesamt- oder Reinverlustes an Hafnium während des Gießprozesses ist die Gießform mit einem Reservoir versehen, welches so groß ausgeführt ist, daß die Abreicherungsmenge verringert wird. Gemäß Fig. 1 hat die Gießform eine Wachstumszone 8 in ihrem Unterteil, in welchem das kristalline Wachstum in ein Stengel gefüge umgewandelt wird. Diese Wachstumszone hört auf, nachdem das Gußstück im wesentlichen längs der gestrichelten Linie 9 in Fig. 1 erstarrt ist. Oberhalb der Wachstumszone 8 in Fig. 1 ist die Wurzelzone 10 des Gußstückes und oberhalb derselben ist der Versteifungsrand- oder Plattformhohlraum für die Turbinenschaufel, die gegossen wird. Oberhalb des Plattformhohlraums ist der Hohlraum 12 für die Schaufel fläche, d.h. den mit Gas in Berührung kommenden Teil der Schaufel. Dieser Teil ist, wie in Fig. 2 gezeigt, verhältnismäßig dünn und im Querschnitt tragflügel förmig. Wegen des dünnen Querschnitts mit einem hohen Oberflächen : Volumen-Verhältnis ist ein beträchtlicher Oberflächenbereich der Oxidoberfläche der Gießform ausgesetzt und ermöglicht die Reaktion des Hafniums in der geschmolzenen Legierung mit dem Material in der Form, was zu einer Hafniumabreicherung" führt. An der Oberseite des den Tragflügel bildenden Hohlraums befindet sich ein Steigerteil 14 mit verhältnismäßig geringer Höhe und anschließend ein Reservoir 16 mit einem beträchtlichen Rauminhalt zum Zuführen der geschmolzenen Legierung.

Das Reservoir 16 steht über den Steiaer 14 mit dem gesamten Bereich der Schaufel spitze oder des Schaufel teils 12 des Gußstückteils der Form in Verbindung. Der Steiger 14 ist folglich mit von der Spitze des Schaufelteils 14 aus zu der Basis des Reservoirs zunehmender Querschnittsfläche dargestellt»und das Reservoir ist an allen Stellen breiter als die Dicke der Spitze der Schaufel, geringfügig weiter als die Profiltiefe des Schaufel teils 12 und

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erstreckt sich sowohl über die Vorderkante als auch die Hinterkante des Schaufelquerschnitts an der Spitze hinaus. Das ist verdeutlicht, indem die Spitzenöffnung der Schaufel in der Darstellung von Fig. 3, d.h. dem Querschnitt durch das Reservoir gezeigt ist. Das Reservoir 16 führt dem Oberteil des Gußstückhohlraums geschmolzene Legierung zu, da in der Legierung während der Erstarrung eine Hafniumabreicherung stattfindet, um dadurch eine Legierung mit einer angemessenen Menge an Hafnium dem Oberteil des Gußstückes zuzuführen.

Das Reservoir 16 gleicht in seiner Querschnittsform vorzugsweise etwas dem Hohlraum 12, es ist jedoch breiter als in Fig. 3 dargestellt, vorzugsweise mindestens doppelt so breit im Horizontalquerschnitt. Dieses Reservoir hat eine beträchtliche Höhe, beispielsweise von 2,5 cm bis 3,8 cm für eine Schaufel, die einen Tragflügel profil teil mit einer Höhe von 5,0 cm bis 7,6 cm haben kann. Der Steigerteil 14 ist eine Stelle, an welcher die Schaufel, wenn sie gegossen ist, von der Gußlegierung in dem Reservoir abgetrennt werden kann. Oberhalb des Reservoirs 16 ist ein Kanal 18, durch welchen der Formhohlraum gefüllt wird, der mit einer nicht dargestellten Einfüll öffnung in Verbindung steht.

Im Gebrauch ist die Gießform auf der Abschreckplatte und in dem Ofen angeordnet, welcher Einrichtungen zum Aufheizen der Gießform auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung hat. Nachdem die Gießform auf diese Weise erwärmt worden ist, wird die Legierung mit etwa 165 ⁰C überhitzungstemperatur in die Gießform gegossen, die mindestens bis zu dem oberen Teil des Reservoirs 16 gefüllt wird. Die Erstarrung beginnt an der Abschreckplatte 4 und setzt sich nach oben fort, wobei Stengel strukturen oder ein einzelner Kristall mit Stengel gefüge in der Wachstumszone gebildet werden. Durch Kontrollieren des Temperaturgefälles in der Gießform, wie in der US-PS 3 260 505 oder der US-PS 3 494 709 beschrieben, setzt sich das Stengelgefügewachstum durch die Gießform hindurch bis in das Reservoir fort, so daß die gesamte Schaufel struktur ein Stengel- oder Einkristall gefüge hat.

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Wenn das Erstarren in Aufwärtsrichtung fortschreitet, reagiert das Hafnium in der geschmolzenen Legierung mit der Gießform und somit wird der Hafniumgehalt zu der Oberseite des Gußstückhohlraums 12 hin in einem größeren Ausmaß abgereichert, wodurch der Prozentsatz an Hafnium verringert wird. Wegen des niedrigen Oberfläche : Volumen-Verhältnisses des Reservoirs ist jedoch die Abreicherung der Legierung in dem Reservoir geringer und somit wird die Legierung, wenn sie innerhalb des Schaufel hohlraums erstarrt, aus der noch an Hafnium reichen Legierung in dem Reservoir angereichert. Infolgedessen wird der Prozentsatz an Hafnium in dem Tragflügel teil der Schaufel nicht unter das gewünschte Minimum verringert und es wird die in der Schaufel insbesondere in der Nähe der Schaufelspitze geforderte Verformbarkeit erzielt.

Die übertragung des Reaktionsbestandteils in der Legierung aus dem Reservoir in die'Legierung in dem Schaufelteil des Gußstückes erfolgt durch die Konvektionsströme und durch Abwärtsdiffusion des Hafniums in der geschmolzenen Legierung. Diese Konvektionsströme und die Diffusion werden dadurch, daß das Reservoir mit der gesamten Fläche der Schaufel spitze in Verbindung steht, noch vergrößert.

Bei Verwendung des oben beschriebenen Reservoirs hat es sich gezeigt, daß, wenn der Prozentsatz an Hafnium in der eingefüllten Legierung 2,50 beträgt, das Hafnium in der Legierung in der erstarrten Schaufel so wenig abgereichert wird, daß selbst an der Spitze der Schaufel der Hafniumgehalt nicht unter das gewünschte Minimum von 1,75% verringert wird.

Die Erfindung kann in gleicher. Weise zum Herstellen von hohlen Schaufeln verwendet werden, wie sie in den Fig. 4 und 5 im Querschnitt dargestellt sind. In diesen Figuren hat die Gießform 2' einen KernteiT 20, welcher ebenfalls einen hohen Gehalt an Oxiden hat, wie etwa Siliziumdioxid, das mit dem Hafnium in der geschmolzenen Legierung reagiert. Da dieser Kern sich nicht aufwärts bis in das Reservoir 16' an der Oberseite des Gußstückhohlraums 12'

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in der Gießform erstreckt, wie in Fig. 4 gezeigt, werden bei dem fertiggestellten Gußstück dieselben Ergebnisse erzielt, wobei der resultierende ausreichende Prozentsatz an Hafnium in der fertiggestellten Gußschaufel sogar an der Spitze derselben vorhanden ist. Der Ausdruck "Gießform" schließt den Kern als einen wesentlichen Teil der Gießform ein.

Die Beschreibung ist zwar nur auf eine Gießform zum Herstellen einer Turbinenschaufel und auf den Gebrauch einer solchen Gießform gerichtet, diese ist jedoch in gleicher Weise zum Herstellen anderer Werkstücke geeignet, wie etwa stationäre Turbinenleitschaufeln und Werkstücke mit anderer Geometrie, die ein hohes Oberfläche : Volumen-Verhältnis haben. Das wesentliche Merkmal besteht darin, daß das Reservoir eine solche Größe hat, daß das darin enthaltene Hafnium während des Erstarrungszyklus nicht unter das gewünschte Minimum abgereichert wird. Auf diese Weise besteht eine ausreichende Zufuhr an hafniumreicher Legierung zum Anreichern der Oberseite des Gußstückhohlraums während der Erstarrung.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über das beschriebene Ausführungsbeispiel hinaus eine Vielzahl von Abwandlungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten sowohl hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch der Gießform nach der Erfindung.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit Stengel gefüge aus einer hochwarmfesten Legierung, die als einen Bestandteil ein Element enthält, das mit dem Gießformmaterial reagiert, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Herstellen einer Gießform, die einen Gußstückhohlraum und einen Sekundärhohlraum hat, der oberhalb des Gußstückhohlraums angeordnet ist, direkt mit diesem in Verbindung steht, als ein Reservoir dient und ein großes Volumen : Oberfläche-Verhältnis hat, um die Abreicherung des Bestandteils durch die Reaktion zwischen der Legierung in dem Reservoir und dem geschmolzenen Material zu minimieren,

Aufsetzen der Gießform auf eine Abschreckplatte,

Füllen der Gießform einschließlich der beiden Hohlräume mit einer geschmolzenen hochwarmfesten Legierung,

Erstarrender Legierung von der Abschreckplatte aus aufwärts, damit darin ein oder mehrere Stengel gefüge gebildet werden, und

Bewirken, daß die geschmolzene Legierung in dem Sekundärhohl raum den abgereicherten Bestandteil in der Legierung in dem Gußstückhohlraum während der Erstarrung nachliefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bestandteil Hafnium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gießform von ihrer Unterseite zu ihrer Oberseite hin verringert wird, wenn die Legierung erstarrt, um das Stengelgefüge zu erzeugen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet» daß das Gußstück eine Turbinenschaufel ist, so daß der Gußstückhohl-

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raum der Gießform einen tragflügelförmigen Teil hat, und daß der Sekundärhohlraum mit dem oberen Ende des Tragflügel teils in Verbindung steht und im Querschnitt ebenfalls tragflügel förmig ist.

5. Gießform zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Basisteil mit einem darin enthaltenen Wachstumszonenhohlraum (8), durch einen Wurzel hohl raum (10), der oberhalb des Wachstumszonenhohlraums angeordnet ist und mit diesem in Verbindung steht, durch einen tragflügelförmigen Hohlraum (12), der oberhalb des Wurzel hohlraums angeordnet ist und mit diesem in Verbindung steht, und durch einen Sekundär- oder Reservoirhohlraum (16), der oberhalb des tragflügelförmigen Hohlraums angeordnet ist, mit diesem direkt in Verbindung steht und so geformt ist, daß er ein großes Volumen : Oberfläche-Verhältnis hat und groß genug ist, um zu verhindern, daß das Reaktionselement darin während der Erstarrung der Legierung unter die erforderliche Menge abgereichert wird.

6. Gießform nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärhohlraum (16) ebenfalls tragflügelförmig ist und eine größere Querschnittsfläche als das mit ihm in Verbindung stehende Ende des Schaufel hohlraums (12) hat.

7. Gießform nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Gießform (2) offen ist, damit er auf eine Abschreckplatte (4) aufgesetzt werden kann.

8. Gießform nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (16)einen ähnlichen Querschnitt wie d'ie Spitze des tragflügelförmigen Hohlraums hat und mit dem gesamten Querschnitt derselben in Verbindung steht.

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