DE2534050B2

DE2534050B2 - Verbundgiessverfahren

Info

Publication number: DE2534050B2
Application number: DE19752534050
Authority: DE
Inventors: Lawrence Donald Euclid; Vishnevsky Constantine Solon; Ohio Graham (V .StA.)
Original assignee: TRW Inc., Cleveland, Ohio (V.StA.)
Priority date: 1974-08-05
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1977-04-14
Also published as: DE2534050A1; IL47858A0; JPS5141634A; CA1068876A; IT1040460B; FR2281511A1; IL47858A; SE7508782L; FR2281511B1; GB1487156A; JPS5218133B2; CH603284A5; SE413003B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundgießverfahren, bei dem ein metallisches Formteil teilweise eingegossen wird, das an den einzugießenden Teilen mit Der Erf —ng Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß es die unmittelbare Anwendung des Präzisionsgießens bei einem Verbundgießverfahren gestattet

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an dem Formteil eu: verlorenes Modell mit der Gestalt eines durch das teilweise Eingießen herzustellenden weiteren Formteils angebracht wird, daß um dieses Modell eine Präzisionsgußform gebildet wird, daß das Modell unter Verbleib eines Gießhohlraums mit der für das weitere Formteil gewünschten Gestalt entfernt wird, daß geschmolzenes Metall in diesen Gießhohlraum gegossen wird und daß das vergossene Metall unter Bildung des mit dem metallischen Formteil unter Vermeidung einer metallurgischen Bindung verbundenen weiteren Formteils abgekühlt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird an dem Abschnitt des metallischen Formteils, der eingegossen werden so!!, zunächst ein verlorenes Modell gebildet, das genau die Form hat, die das nach dem Eingießen mit dem metallischen Formteil verbundene weitere Formteil haben soll. Dieses Modell läßt sich mit großer Genauigkeit herstellen, so daß schließlich auch das nach diesem Modell zu gießende weitere Formteil höchsten Genauigkeitsanforderungen entspricht. Eine Veränderung der Struktur des metallischen Formteils an der Verbindungsstelle mit dem durch Gießen hergestellten weiteren Formteil wird vor« der auf dem metallischen Formteil angebrachten Trennschicht verhindert

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines metallischen Formteils in Gestalt eines Turbinenschaufelprofils, das mit zwei Versteifungsbändern unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden werden soll,

F i g. 2 eine Darstellung, die veranschau^i:cht, wie das Formteil von F i g. 1 in einem verlorenen Vv achsmodell für die Herstellung des Präzisionsgußiorm aufgenommen wird, und

F i g. 3 eine Darstellung der Anordnung von F i g. 1 nach dem Bilden der Präzisionsgußform um das verlorene Modell und dem Entfernen dieses Modells unter Erzeugung eines Gießhohlraums zur Aufnahme von geschmolzenem Metall.

In F i g. 1 ist ein mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften ausgestattetes Formteil 20 in Form eines Schaufelprofils dargestellt, das säulenförmige, längs der Hauptbeanspruchungsachse verlaufende Körper 2! aufweist An beiden Enden des Formteils 20 befinden sich zwei Vorsprünge 22 und 23 mit im Abstand voneinander angebrachten Öffnungen 24 bzw. 25. Die

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Ein Gießverfahren dieser Art ist bereits aus der DT-AS 15 83 575 bekannt Bei diesem bekannten Verfahren werden aus Stahl bestehende Leitschaufeln einer Dampfturbine zunächst an den einzugießenden Stellen mit einer Trennschicht versehen. Dann wird eine Gießform gebildet, die die Form eines Trägers für die Leitschaufeln hat. In diese Gießform werden die Leitschaufeln dann eingesetzt, worauf Gußeisen in die Gießform eingegossen wird. ⁶S

Aus der US-PS 36 59 645 ist auch bereits bekannt, zur Herstellung von Turbinenschaufeln Präzisionsgießformen zu verwenden.

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Formteil 20 bei dem anschließend durchgeführten Eingießvorgang verankern, wobei die Öffnungen 24 und 25 die mechanische Verbindung zwischen dem erstarrten geschmolzenen Metall und dem Formteil erleichtern. Es können auch andere Ausgestaltungen wie Schlitze, Nuten, Kegel oder Gewinde zur Unterstützung der mechanischen Verbindung verwendet werden. Diese mechanische Verbindung wird durch die durch das erstarrende Metall ausgeübten Druckkräfte gefördert

Gemäß der Darstellung von F i g. 2 wird dann um das Formteil 20 ein verlorenes Modell gebildet. Das

Formteil 20 wird dabei zwischen zwei Nachbildungen 26 und 27 von Versteifungsbändern gehalten, mit denen das Formteil 20 verbunden werden soll. Das Modell kann aus Wachs, Polystyrol oder Mischungen der beiden bestehen. Die Nachbildungen 26 und 27 sind mit Angußkanäle bildenden Teilen 28 bzw. 29 verbunden, die von einem Angußtrichter 30 gespeist werden; all diese Teile bestehen aus dem Material des Modells.

Wie bereits erwähnt wurde, kann das Formteil 20 aus einem beliebigen Material mit anisotropen metallurgisehen Eigenschaften bestehen. Gerichtet erstarrte Legierungen von Nickel und Kobalt sind für diesen Zweck besonders geeignet.

Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung wird dann in einem Präzisionsgießverfahren angewendet. Dabei wird das verlorene Modell bei Raumtemper jr durch Eintauchen in eine hochschmelzende Teilcn^i und ein Bindemittel enthaltende wässrige A.uf-'-läivrnung mit einem Überzug versehen. Dieser Über ·. j wird dann isotherm getrocknet, so daß ■*'· Temperatur des Modells konstant bleibt Da=; T.^oknen erfolgt durch Überleiten von Luft mit g>. ■ s_lter Feuchtigkeit über das überzogene Modeii, wobei die Luft soviel Feuchtigkeit enthält, daß eine etwa konstante mit dem Naßthermometer gemessene Temperatur au^f-echterhalten wird, die etwa der Ausgangstemperatur des Modells entspricht, und dabei eine mit dem Trockenthermomeier gemessene Temperatur aufweist, die um mindestens 5,5° C über der mit dem Naßthermometer gemessenen Temperatur liegt Das Model! wird dann in weitere wäßrige Aufschlämmungen aus eirem hochschmelzenden Stoff getaucht, damit auf dem Modell aufeinanderfolgende Schichten entstehen, jede nachfolgende Schicht wird wie vorstehend beschrieben isotherm getrocknet, während die Temperatur des Modells im wesentlichen konstant gehalten wird. Schließlich wird das verlorene Modell entweder in einem Ofen oder in einem Autoklav herausgeschmolzen.

Die dabei erhaltene Gußform ist in F i g. 3 der Zeichnung dargestellt. S'e enthält einen Trichterabschnitt 3t, durch welchen zwei Angußkanäle 32 und 33 gespeist werden, die ? . . wei Gußhohlräumen 34 und 35 führen, welche die Versteifungsbänder des Formteils bilden sollen.

Bei der Durchfühning des hier beschriebenen Gießverfahrens wird die Gießform bei einer Temperatur von et'va 870° C gebrannt, lamit zumindest diejenigen Abschnitte des Formteils 20 oxidieren, welche die mechanische Verbindung mit dem anschlie-Bend durch Eingießen gebildeten weiteren Formteil herstellen sollen. Andrerseits kann das Formteil 20 durch Aufsprühen, Tauchen oder Bestreichen mit einem nichtmetallischen Trennmaterial unter Verwendung geeigneter Binder vorüberzogen werden. Zu diesem Zweck können verschiedene keramische Stoffe, z. B. S1U2 oder JÜ.TU7 verwendet werden, die mit hochschmeizenden Bindemittel festgehalten werden; auch geschmolzene glasartige Überzüge können verwendet werden. Weitere Möglichkeiten zur Aufbringung solcher Trennmaterialien sind das Flammsprühen oder das Piasmasprühen unter Bildung einer keramischtn Oberflächenschicht. Die Trennschicht kann auch so erzielt werden, daß zuerst eine Schicht aus einem Metall aufgebracht wird, das sich besonders für eine anschlie- fts ßende Umwandlung in eine keramische Form durch Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre eignet.

Das zur Bildung der Ve^teifungsbänder verv/endete geschmolzene Metal! wird dann unter Überhitzung über den Schmelzpunkt soweit eingegossen, daß es alle Formhohlräume ausfüllt; die Überhitzung ist jedoch nicht so hoch, daß das Formteil 20 schmilzt. Für Nickel- oder Kobaltsuperlegierungen ist eine Überhitzung um 66 bis 177° C über die Temperatur des vollständigen Schmelzens in der Regel annehmbar. Solche Temperaturen liegen für übliche Legierungen im Bereich von 1427° C und ergeben ein beträchtliches Temperaturgefälle zwischen der Gußform und dem überhitzten Metall. Die Anteile des geschmolzenen Metalls, welche die Vorsprünge 22 und 23 umgeben, kühlen daher unter Entstehung von sehr feinen säulenförmigen, senkrecht zur Grenzfläche verlaufenden Körnern sehr rasch und nahezu sofort ab. Diese feinkörnige Struktur ist äußerst erwünscht, da sie grobkörnigeren Gußstrukturen in ihren mechanischen Eigenschaften überlegen ist. Außerdem ist der steile Temperaturgradient, wie er sich in den Abschreckungskörnern zeigt, ein Anzeichen dafür, daß die Erstarrung so verläuft, daß das rasch abgekühlte Metali in Nähe der Grenzfläche eine w scntlich geringere Neigung zur Ausbildung einer Schrumpfporosität zeigt; es ist dies für den Fachmann in bezug auf die metallurgische Qualität und die m^inanisenen Eigenschaften eindeutig ein günstiges Merkma..

Die Wahl des jeweiligen geschmolzenen Metalls für die Versteifungsbänder steht im wesentlichen frei. Beispielsweise kann dieses Metall eine Nickel- oder Kobaltsuperlegierung oder eine hochtemperaturbeständige Eisenlegierung sein. Es hat sich gezeigt, daß überraschenderweise bei dem hier beschriebenen Gießverfahren höherschmelzende Legierungen für die Versteifungsbänder verwendet werden können als für das Formteil selbst; dies ist auf die vorhandene große Wärmeübertragung zurückzuführen.

Die Trennschicht an der Grenzflächen zwischen dem Formteil und dem erstarrenden Metall soll eine geringere Wärmeleitfähigkeit als jedes der beiden zu verbindenden Metalle aufweisen. Eine solche Trennschicht verhindert eine Vermischung oder Legierungsbildung r!er beiden Metalle. Diese Trennschic''.¹, kann sehr dünn sein und etwa 25 μίτι oder weniger betragen.

Die Erzeugung eines Hochvakuums bei der Vorerhitzung während der Herstellung des Verbundgußteils ist nicht erforderlich. Die Vorerhitzung de^r Form kann vielmehr in einer oxidierenden Atmosphäre erfolgen, und das Gießen kann dann bei geringerem Unterdruck stattfinden. Der beim Schmelzen angewendete Unterdruck braucht nur für das spezifische zu vergießende Material ausreichend zu sein. Besondere Vorsichtsmaßnahmen für das Vorliegen sehr sauberer Oberflächen an der Grenzfläche sind nicht erforderlich. Im Fall von Legierungen, die fur gewöhnlich in Luft geschmolzen werden, z. B. viele Kobaltsuperlegierungen, kann das Schmelzen und Gießen völlig ohne Anwendung vo^-Unterdruck erfo'gen.

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komplizierter Formen Anwendung finden, wobei die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften jedes Teils der fertigen Fo. m zur Geltung kommen. Das Verfahren kann beispielsweise zum Gießen ganzer Turbinenräder um Schaufelblattabschnitt mit verschiedenen physikalischen und chemischen Eigenschaften angewendet werden.

Gegenstände, die als einheitliches Gußstück dazu neigen, eine Schrumpfporosität in den Bereichen zu zeigen, wo Formteile auf die massiveren Befestigungsbereiche auftreffen, zeigen bei Anwendung des hier

beschriebenen Verfahrens eine geringere Schrumpfporosität. Da solche bimetallischen Gußstücke mechanisch miteinander verbunden sind, entfällt die Untersicherheit und das Risiko, das infolge fehlender Prüfmöglichkeiten besteht, wenn auch an kleinen Stellen eine schlechte metallurgische Verbindung vorliegt Das beschriebene Verfahren zur Erzielung einer mechanischen Verbindung läßt sich ohne besonders strenge Überwachung in einfacher Weise durchführen. Die thermischen Bedingungen sind so, daß keine sehr hohe Vorerhitzung und keine sehr hohen Gießtemperaturen erforderlich sind, so daß die Möglichkeit der Erosion oder des Schmelzens

des einzugießenden Formteils vermieden wird. Infolgedessen sind die erzielbaren Ergebnisse wettgehend vorhersagbar.
Obwohl vorstehend das Verfahren spezifisch für Legierungskombinationen mit anisotropen metallurgischen Strukturen des einzugießenden Formteils beschrieben wurde, sind solche anisotropen Strukturen doch kein Erfordernis für die erfolgreiche Anwendung des Verfahrens zur Erzielung einer mechanischen

ίο Verbindung unter gewollter Vermeidung einer metallurgischen Verbindung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbundgießverfahren, bei dem ein metallisches Formteil teilweise eingegossen wird, das an den einzugießenden Teilen mit einer Trennschicht versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Formteil ein verlorenes Modell mit der Gestalt eines durch das teilweise Eingießen herzustellenden weiteren Formteils angebracht wird, daß um dieses Modell eine Präzisionsgußform gebildet wird, daß das Modell unter Verbleib eines Gießhohlraums mit der für das weitere Formteil gewünschten Gestalt entfernt wird, daß geschmolzenes Metall in diesen Gießhohlraum gegossen wird und daß das vergossene Metall unter Bildung des mit dem metallischen Formteil unter Vermeidung einer metallurgischen Bindung verbundenen weiteren Formieils abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch Erhitzen der das metallische Formteil enthaltenden Form in Luft auf eine zur Erzielung einer Oxidschicht auf diesem Formteil ausreichende Temperatur gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Formteil auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur als das gegossene geschmolzene Metall gehalten wird, so daß das auf dieses Formteil aufgegossene geschmolzene Metall abgeschreckt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem metallischen Formteil vor dem Eingießen öffnungen für eine mechanische Verzahnung mit dem erstarrten Metall des weiteren Formteils gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadi-rch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch ,Aufsprühen eines keramischen Materials mittels Plasmasprühen oder Flammsprühen gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch Aufsprühen von geschmolzenem Glas gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch Aufsprühen von geschmolzenem Metall gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch Oxidation eines vorher auf den metallischen Formteil aufgebrachten Metallüberzugs gebildet wird.