DE2536751A1

DE2536751A1 - Verfahren zur herstellung einer praezisionsgussform und die dabei erhaltene form

Info

Publication number: DE2536751A1
Application number: DE19752536751
Authority: DE
Inventors: Douglas Russell Hayes; Charles Merrick Phipps
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1974-08-21
Filing date: 1975-08-18
Publication date: 1976-03-04
Also published as: SE7902076L; GB1508888A; NO752857L; DE2536751C3; NO143610C; SE432546B; ZA755051B; JPS5726853B2; BR7505255A; SE421180B; SE7509056L; NL7509246A; IT1041960B; NL171780B; FR2282311A1; AU8366675A; JPS5146523A; US3981344A; NL171780C; NO142990B

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, CT 0610I, U.S.A.

Verfahren zur Herstellung einer Präzisionsgußform und die

dabei erhaltene Form

Die Erfindung betrifft Preßgußformen zum Gießen mit verlorener Gießform, Verfahren zur Herstellung solcher Formen und ein Verfahren, um Hohlkörper mit diesen Formen zu gießen.

In der vorliegenden Anmeldung wird "Druckform" synonym verwendet mit "verlorener Gießform" und "gießen mit verlorener Gießform" wird synonym mit "Preßguß" und "Druckguß" verwendet.

Beim Preßgießen von verschiedenen Gegenständen, wie von Turbinenschaufeln oder -flügeln, die für Kühlzwecke hohl sind, ist eine Hauptschwierigkeit die, daß der Kern, der die Innendurchgänge in dem Gußkörper bildet, ganz genau angebracht ist, so daß ein zufriedenstellender fertiger Gußkörper sichergestellt ist, der auf geeignete Weise abgekühlt werden kann.

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Wenn der Gegenstand als Einzelstück gegossen wird, so sind Verfahren erforderlich, um den fertigen Gegenstand zu prüfen, seine Wanddicke oder den genauen Platz und die Dimensionen der inneren Durchgänge zu bestimmen. Wenn diese Gegenstände in Hochleistungsgasturbinenmotoren im Luftverkehr verwendet werden, kann eine ungenaue Anordnung der Kühldurchgänge ein vorzeitiges Versagen der Schaufeln oder Flügel bewirken. Die Entfernung des Kerns aus dem fertigen Gußstück bzw. Abguß kann gewisse Schwierigkeiten ergeben, da Auslaugverfahren erforderlich sein können.

In der US-Anmeldung von Hayes et al, Serial No. 416 563, eingereicht am 16. November 1973, werden die Inspektionsschwierigkeiten überwunden, indem man die Form aus einem vorgegossenen zentralen Formelement mit starkem Boden mit entgegengesetzten vorgegossenen Außenformelementen, die auf die entgegengesetzten Seiten des zentralen Elements angebracht sind, herstellt. Da die drei Elemente getrennt hergestellt werden, ist eine sorgfältige Prüfung der drei Teile vor dem Zusammentragen der Form möglich. Da die Schaufel oder der Flügel aus entgegengesetzten Hälften bei diesem Verfahren hergestellt werden, können die vollständigen Hälften sehr genau insbesondere auf ihren Innenoberflächen geprüft werden, bevor man die entgegengesetzten Hälften miteinander verbindet. Diese Anordnung arbeitet sehr gut, ist jedoch teuer, wenn nicht die Kosten für die Formvorrichtungen, mit denen die vorgegossenen Formelemente gebildet werden, auf einen großen Produktionsansatz der gewünschten Gegenstände verteilt werden können.

Die vorliegende Erfindung ist in gewissem Sinne eine Modifizierung der vorgegossenen Form und der Verfahren der US-Patentanmeldtmg 416 563, da das zentrale Formelement der Anmeldung zusammen mit dem "Verlustwachs "-Verfahren verwen-

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det wird, um eine Hohlform bzw. Gehäuseform, mit der die Gegenstände gegossen werden können, herzustellen. Dieses Konzept führt selbst zu der leistungsfähigen Herstellung von gegossenen Gegenständen, wobei die Form auf eine hohe Temperatur erwärmt werden muß, bevor gegossen wird, wie beispielsweise bei der Herstellung von Schaufeln oder Flügeln mit gekörntem Stengelgefüge, wie in der US-Patentschrift 3 260 beschrieben, oder bei Einkristallflügeln oder -schaufeln, wie in der US-PS 3 494 709 beschrieben, oder beim Gießen eutektischer Gegenstände, wie in der US-PS 3 793 010 beschrieben. Erfindungsgemäß wird das zentrale Formelement aus sehr fester vorgegossener Keramik hergestellt, die bei hohen Temperaturen deformationsbeständig ist und eine solche Dicke besitzt, daß sie während des Vorerwärmens der Form ihre Gestalt und Dimensionen beibehält.

Dieses Verfahren ist zum heutigen Zeitpunkt sehr vorteilhaft. Es ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Hohlform beim fachmännischen Verformen und Gießen. Das heute üblicherweise verwendete Verfahren zur Herstellung von Präzisionsgußkörpern aus Hochtemperatursuperlegierungen ist das Gießen mit einer verlorenen Gießform, bei dem Hohlformen verwendet werden, die um Wachsmodelle bei dem "Verlustwachs"-Verfahren gebildet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird dieses Fachwissen zusammen mit einem zentralen vorgegossenen Formelement verwendet, welches einen "starken Boden" bildet, durch den das Präzisionsgießen von Gegenständen gewährleistet ist, die beispielsweise für die Verwendung in Hochleistungsgasturbinen annehmbar sind.

Erfindungsgemäß enthält ein vorgegossenes zentrales Formelement, das an entgegengesetzten Seiten davon die Innenkonfiguration der entgegengesetzten Hälften einer hohlen Schaufel oder eines hohlen Flügels (oder eines anderen Gegenstands)

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besitzt, darauf Wachsmodelle, die an entgegengesetzten Seiten angebracht sind und die auf ihren Außenoberflächen die Konfigurationen der Außenoberflächen der Schaufel- oder Flügelhälften, die gegossen werden sollen, besitzen. Diese Anordnung des zentralen Formelements mit den Wachsmodellen darauf wird dann nacheinander in eine Aufschlämmung getaucht, mit feuerfesten Teilchen verputzt und nach gut bekannten Verfahren getrocknet, bis eine Formwand aufgebaut ist, die dick genug ist,so daß -sie nach dem Trocknen und Härten bei der Herstellung von Preßgußkörpern aus irgendwelchen der gut bekannten Hochtemperatursuperlegierungen verwendet werden kann; Beispiele davon werden in der oben erwähnten US-Patentschrift 3 260 505 angegeben. Nachdem die gewünschte Formdicke der Form erreicht wurde, wird sie gehärtet und das Wachsmodell schmilzt heraus und dadurch ist sie für die Verwendung bei der Herstellung von Gußkörpern fertig.

Ein solcher Druckguß kann ein Vorerwärmen dieser Hohlform auf eine Temperatur über den Schmelzpunkt der Legierung, die gegossen werden soll, vor dem Eingießen in die Form umfassen. Das vorgegossene zentrale Element dient als "starker Boden¹·, d. h. es unterliegt keiner Verformung, so daß die gegossenen Flügel- oder Schaufelhälften, die gewünschte Konfiguration besitzen und so präzise gegossen werden können, daß die entgegengesetzten Hälften, wenn sie später zum Zu- · sammenbefestigen zusammengetragen werden, die geeigneten, zueinander passenden Oberflächen in Kontakt über den gesamten Baubereich besitzen.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden bevorzugte erfindungsgemäße AusfÜhrungsförmen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein zentrales Formelement mit dem Wachsmodell darauf, fertig für die Herstellung einer Hohlform.

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Fig. 2 ist eine Ansicht einer Seite des zentralen Flügelelements.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer Anordnung von Fig. 1, wo die Wachstumszqne und der Füllbecher an entgegengesetzten Enden der Anordnung dargestellt sind.

Fig. 4 ist eine ähnliche Ansicht, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei eine Form daran gebildet wird.

Fig. 5 ist eine ähnliche Sicht wie von Fig. 1, wobei das Wachsmodell entfernt ist.

Fig. 6 ist eine Draufsicht der Form von Fig. 5, die zum Gießen fertig ist.

Fig. 7 ist ein Querschnitt durch die entgegengesetzten Hälften der gegossenen Schaufeln vor dem Zusammentragen zu einer fertigen Schaufel.

Fig. 8 ist eine Seitenansicht der fertigen Schaufel von Fig. 7_f

Fig. 9 ist ein Querschnitt der fertigen Schaufel.

Als besonderer Gegenstand, der gegossen werden soll, wird als Beispiel eine Turbinenschaufel 4 (Fig. 8) ausgewählt, mit einem Tragflächenteil 6 und einem Ansatz 8. Diese Schaufel ist hohl und besitzt entgegengesetzte Innenflächen 10 und 11 (Fig. 9) und entgegengesetzte Außenoberflächen 14 und 15 an den gegenüberliegenden Hälften 16 und 17. Es können auch andere Gegenstände nach diesem Verfahren hergestellt werdenwie Turbinenflügel, und die Darstellung einer Turbinenschaufel

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ist nur ein Beispiel einer Art von Gußkörpern. Das beschriebene Verfahren kann zum Vergießen von Hochtemperatursuperlegierungen oder eutektisehen Materialien verwendet werden; die Beispiele davon sind bekannt.

Die Herstellung solcher Gegenstände nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beginnt mit vorgegossener Keramik mit "starkem Boden" oder mit einem zentralen Formelement 18 (Fig. 1), dessen entgegengesetzten Oberflächenseiten 20 und 22, die Konfiguration der entgegengesetzten Innenoberflächen 10 und 12 des Gußkörpers besitzen, da diese Oberflächen des Gußkörpers gegen diese Oberflächen des Formelements geformt werden. Die entgegengesetzten Enden bzw. Kanten des zentralen Formelements erstrecken sich über die Oberflächen 20 und 22 und bilden Seitenflansche bzw. -kanten 24 und 25, die in die Hohlform, wie gezeigt wird, eingebettet werden.

Auf den Oberflächen 20 und 22 sind Wachsmodelle 26 und 27 angebracht, wolöei diese Modelle Außenoberflächen 28 und 30 besitzen, die in ihrer Form den Außenoberflächen der fertigen Schaufelhälften entsprechen. Diese Wachsmuster definieren bzw. begrenzen den Tragflächenteil 32 der Schaufelform und den Ansatzteil 34 und besitzen ebenfalls einen Formungsteil 36 für eie Wachstumszone direkt unter dem Ansatzteil, (die bei der gerichteten Verfestigung der Legierungen verwendet wird) und können ebenfalls über dem Tragflächenteil einen Teil 38 enthalten, der einen Füllbecher bildet. Wenn dieser Füllbecher vorgesehen ist, so befindet er sich über dem oberen Teil des zentralen Elementes, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das Wachsmodell erstreckt sich über die Seitenränder der Oberflächen 20 und 22 auf dem zentralen Formelement so, daß auf dem einen Modell die Oberflächen 40 und 41 und auf dem anderen Modell 42 und 43 gebildet werden.

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Auf diese Weise besitzen die gegossenen Schaufelhälften zueinanderpassende Oberflächen, die beim Verbinden der Schaufelhälften miteinander verwendet werden können. Die Wachsmodelle können vorgebildet werden und dann auf das Formelement aufgebracht werden oder sie können gewünschtenfalls an einer Stelle auf dem zentralen Element gebildet werden.

Dieser Aufbau bzw. diese Anordnung aus zentralem Formelement und Wachsmodellen darauf, wie in Fig. 3 dargestellt, wird dann verwendet, um die Hohlform 44 herzustellen. Dieses Verfahren ist gut bekannt und erfordert ein aufeinanderfolgendes und wiederholtes Eintauchen des Aufbaus in einer Aufschlämmung aus Keramikteilchen und anschließendem Verputzen mit den feuerfesten Teilchen, um den Aufbau zu überziehen, und dann Trocknen des Überzugs, wobei das Eintauchen, Verputzen und Trocknen so oft wiederholt wird, bis die gewünschte Dicke der Formwand erreicht wird. Der Aufbau mit den vielen Überzügen daran wird dann erwärmt, um die Überzüge zu einer festen starken Form, die zum Gießen verwendet werden kann, zu härten und abzubinden. Die Form (Fig. 6) umfaßt den Füllbecher und die Wachstumszone wie auch den Rest des Aufbaus.

Während des Erwärmens des Aufbaus und des Überziehens, schmilzt das Wachsmodell und fließt aus der gehärteten Form, wobei eine Höhle auf jeder-Seite des "starken Bodens" verbleibt, nämlich die Höhlen 46 und 48 in Fig. 5, die in ihrer Form, wie es offensichtlich ist, den gegenüberliegenden Hälften der Schaufeln, die gegossen werden sollen, entsprechen. Der Wachstumszonenhohlraum am Boden der Form hört am offenen Bodenende der Form auf und der Füllstoffhohlraum ist am oberen Ende der Form offen.

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Wenn die Gegenstände, die gegossen werden sollen, aus einer der Superlegierungen hergestellt werden, wird die beschriebene Form mit dem "starken Boden" darin und gehalten durch die Flansche 24 und 25, die sich in die Formwand erstrekken und darin eingebettet sind, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, auf eine Kühlplatte gestellt und in das Innere einer Vakuum- oder Inertgaskammer gestellt. In dieser Kammer wird die Form auf eine Temperatur erwärmt, die über der liegt, bei der die Legierung vergossen wird, dann wird die Legierung in die Form gegossen und die Legierung wird durch die Einwirkung der Kühlplatte und durch kontrolliertes Kühlen der Form verfestigt. Wenn stengelartig gekörnte (columnar grained) Gegenstände oder Einkristallgegenstände gegossen werden, wird das Kühlen so durchgeführt, wie es in der US-PS 3 260 505 oder in der US-PS 3 494 709, die oben erwähnt wurden, beschrieben wird. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls bei der Herstellung von gleichachsigen Gußkörpern verwendet werden.

Wenn die Legierung abgekühlt ist, werden die Schaufelhälften aus der Form genommen und wenn sie gereinigt sind und Fremdmaterial entfernt wurde, beispielsweise die Wachstumszonenlegierung und die Füllbecherlegierung, werden die entgegengesetzten Schaufelhälften miteinander verbunden und es werden Turbinenschaufeln, wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt, erhalten. Da der starke Boden während des Gießverfahren nicht deformiert wird, sind die zueinander passenden Oberflächen 50 und 52 auf den entgegengesetzten Schaufelhälften, die durch die Flächen des zentralen Formelements gebildet wurden, die in Kontakt mit den Oberflächen 40, 41, 42- und 43 des Masters waren, und die freigesetzt wurden, wenn das Muster aus der Form herausgeschmolzen ist, Präzisionsoberflächen und passen zueinander über den gesamten Konstruktionsbereich von Jeder Oberfläche, so daß die beiden Hälften auf der gesamten Fläche miteinander verbunden werden.

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Die Innenoberflächen und die Schaufelwanddicken können von der Schaufel, die in Hälften gegossen wurden, vor dem Aufbau sorgfältig geprüft werden, so daß sichergestellt wird, daß die fertige Schaufel innerhalb der Präzisionsgrenzen liegt, die für die optimale Leistung beim Gebrauch erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung besitzt heute besondere Bedeutung für die Herstellung von Hochtemperaturturbinenschaufeln und -flügeln. Diese Teile werden in beachtlichen Mengen durch Durckverformen unter Verwendung der "Verlustwachs"-Technik hergestellt und eine solche Erfahrung wurde erhalten, daß ein großer Teil der Gußkörper den hohen Standard erfüllt, der für die sichere Verwendung dieser Teile gefordert wird, bzw. aufgestellt wird.

Das erfindungsgemäße Konzept ist im wesentlichen eine Ausdehnung des gleichen Verfahrens, umfaßt jedoch den "starken Verstärkungsboden¹¹ oder ein zentrales Formelement. Für die vorliegende Erfindung ist es nicht erforderlich, wesentlich neue Verfahren zu entwickeln und die vorhandenen Fachkenntnisse reichen aus, um die vorliegende Erfindung durchzuführen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Form, die zum Präzisionsgießen von dünnwandigen Teilen aus Hochtemperaturlegierungen verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß man ein vorgegossenes zentrales Formelement schafft, das an entgegengesetzten Oberflächen davon Formungsoberflächen für den Gegenstand besitzt, Wachsmodelle auf das Element aufbringt, eines auf jede Formungsoberfläche für den Gegenstand des Elements, eine Hohlform, um das aufgebaute Formelement und die Modelle formt und das Element mit den Modellen darauf nacheinander in eine Keramikaufschlämmung eintaucht, mit den feuerfesten Teilchen unter Bildung eines Überzugs verputzt und den Überzug trocknet, bis man die gewünschte Hüllendicke erhält, und

die Hohlform erwärmt, um sie zu härten und das Wachsmodell herauszuschmelzen, so daß sie für die Herstellung eines Gußkörpers darin fertig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberflächen des Wachsmodells, die andere Formgebungsoberflache für den Gegenstand begrenzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Formelement Kantenflansche enthält, die sich über das Wachsmodell erstrecken und von der auf dem zusammengetragenen Element und Modell gebildeten Hohlform umschlossen und eingehüllt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachsmodelle vorgebildet werden, bevor sie auf das Formelement aufgebracht werden.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachsmodelle an entgegengesetzten Seiten des zentralen Elements geformt werden.

6. Form, die beim Gießen von dünnwandigen Teilen entsprechend den Verfahren von 1 bis 5 verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt: ein vorgebildetes zentrales Element mit Formgebungsoberflächen für den Gegenstand, eine auf jeder Seite davon, und Kantenflansche, die sich über die Formgebungsoberflächen des Gegenstands erstrecken, eine Druckform aus keramischem Material, die das zentrale Formelement umgibt und an entgegengesetzten Seiten des zentralen Formelements einen Hohlraum für die Bildung des Gegenstands begrenzt, wobei je eine Oberfläche des zentralen Elements und die andere Oberfläche durch einen Teil der Druckform gebildet werden und wobei sich die Kantenflansche des zentralen Elements in die Druckform erstrecken und darin eingebettet sind.

7. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das zentrale Element Keramik mit hoher Festigkeit und hohen Deformationsbeständigkeitseigenschaften ist und daß zusammenpassende Präzisionsoberflächen auf den Gegenständen, die in den Hohlräumen gegossen werden, gebildet werden.

8. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das zentrale Element vor der Bildung der Druckform um es herum präzisionsverformt und gehärtet wird.

9. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens Teile der Formgebungsoberflächen für den Gegenstand auf den gegenüberliegenden Seiten des Formelements ganz genau parallel miteinander verlaufen, um die zueinander passenden Flächen zu begrenzen.

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10. Form nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckform eine Vielzahl von sich überlappenden Schichten aus keramischem Material enthält, die miteinander in innigem Kontakt sind, und wobei die unterschiedlichen Schicht sich von dem Material des Formelements unterscheiden.

11. Verfahren zur Herstellung von Hohlgußkörpern mittels einer Form nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß man ein vorgegossenes Formelement mit zueinander passenden Formgebungsoberflächen für den Gegenstand an entgegengesetzten Seiten davon bildet,

um das Formelement eine Druckform schafft, wobei die Druckform die Formgebungsoberflächen für den Gegenstand in Juxtaposition zu den Formgebungsoberflächen für den Gegenstand auf dem Formelement enthält und wodurch Hohlräume für den Gegenstand an entgegengesetzten Seiten des Elements begrenzt werden,

das zusammengetragene Formelement und die Druckform erwärmt,

den Gegenstand in den Gegenstandhohlräumen gießt, und die entgegengesetzt gegossenen Gegenstände miteinander an den Oberflächen, die gegen das zentrale Element gebildet wurden, verbindet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Wachsmodelle auf das zentrale Element vor dem Bilden der Druckform aufgebracht werden, wobei die Wachsmodelle die Hohlräume für den Gegenstand begrenzen.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Formelement Kantenflansche enthält und daß die Kantenflansche in die Druckform während ihrer Herstellung eingebettet werden.

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14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß das Yfachsmodell herausgeschmolzen wird, befor die Gegenstände in den Formhohlräumen gegossen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß zusätzlich Teile der Formgebungsoberflächen für den Gegenstand an entgegengesetzten Seiten des Zentralelements in parallele Präzisionsbeziehung zueinander gebracht werden, um auf den gegossenen Gegenständen zueinander passende Oberflächen zu bilden.

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