DE2735928A1

DE2735928A1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen eines formteils aus einem temperaturbestaendigen metallischen verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE2735928A1
Application number: DE19772735928
Authority: DE
Inventors: Gammal Maurice El; Maurice Rabinovitch
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1977-08-10
Publication date: 1978-02-16
Also published as: JPS5321042A; GB1584197A; IT1083906B; JPS583471B2; DE2735928C3; SE430033B; DE2735928B2; US4175609A; CA1089624A; FR2361181B1; SE7709066L; CH619625A5; FR2361181A1

Description

DR. INQ. HANS LICHTI · DIPL-INQ. HEINER LICHTI

PATENTANWÄLTE

D-75OO KARLSRUHE 41 (CRÖTZINCEN) DURLACHER STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) 4*511

4099/77

?H. Juli 1977

-9. Aug. 1377

Office National d'Etudes et de Recherches Aerapatiales (O.N.E. R. A) Chatillon-sous-Bagneux, Hauts-de-Seine (Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum Gießen eines Formteils aus einem temperaturbeständigen metallischen Verbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Formteils aus einem temperaturbeständigen metallischen Verbundwerkstoff durch gerichtete Erstarrung einer Legierung in
einer Gießform. Insbesondere bezieht die Erfindung sich
auf das Gießen von Formteilen, die nicht die Gestalt elementarer geometrischer Körper aufweisen sondern verhältnismäßig kompliziert gestaltet sind. Gegenstand der Erfindung
ist zugleich eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Es sind temperaturbeständige Verbundwerkstoffe bekannt (vergleiche DOS 2018770), die aus einer komplexen Matrix aus
einer Legierung auf der Grundlage von Nickel und/oder Eisen und/oder Kobalt mit Chrom bestehen, in der eine VerstSrkungphase vorhanden ist die aus Fasern ("Whiskern") aus Monokarbiden von übergangsmeta11en bestehen. Diese Verbundwerkstoffe

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werden durch gerichtete Erstarrung einer geeigneten Ausgangslegierung hergestellt. Sie finden eine besonders wichtige Anwendung bei der Herstellung von Teilen, die im Gebrauch erheblichen Beanspruchungen bei erhöhter Temperatur ausgesetzt sind, beispielsweise für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken.

Derartige Materialien werden üblicherweise als Halbzeug in Form von Barren von elementarer geometrischer Gestalt hergestellt, aus denen die kompliziert gestalteten Fertigteile, beispielsweise Turbinenschaufeln, gefertigt werden.

Es ist bereits versucht worden, diesen Fertigungsvorgang zu vermeiden, um die kompliziert gestalteten Formteile unmittelbar zu erhalten, in dem die gerichtete Erstarrung der Legierungen in Gießformen durchgeführt wird, in denen die gegossenen Teile unmittelbar die erforderliche Dimensionsgenauigkeit und Oberflächenqualität erhalten. Das verlangt indessen die Einhaltung von Arbeitsbedingungen, die äußerst schwierig zu realisieren sind. In der Tat ist es dabei notwendig, in allen Querschnitten des Formteils eine zur Erstarrungsrichtung des Materials parallele, säulenartige Kornstruktur einzuhalten, bei der jedes Korn eine regelmäßige Faserstruktur aufweist, gebildet aus monokristallinen Karbidfasern, die voneinander Abstände von ungefähr 10 Mikron aufweisen und deren Durchmesser größenordnungsmäßig 1 Mikron betragen kann.

Geht man davon aus, daß das Kornwachstum senkrecht zur Erstarrungsfront erfolgt und daß in jedem Korn die zwei Phasen des Verbundwerkstoff gleichzeitig aus der flüssigen Phase kristallisieren, in dem sie senkrecht zur Erstarrungsfront wachsen, so muß diese streng eben ausgebildet sein. Um weiter jedes Keimbildung von parasitären Körnern vor der Erstarrungsfront zu vermeiden und um jede zellulare oder dendritische Wachstumsstörung des Verbundwerkstoff zu verhüten, ist dafür zu sorgen, daß der Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront einen verhältnismäßig hohen Wert in einer Größenordnung von 100 - 200° C/cm aufweist

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und dieser Wert muß umso höher sein, je breiter das Erstarrungsinterwall der Legierung und je größer die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront ist.

Schließlich muß die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront, die in der Größenordnung eines Bruchteils von Zentimetern bis zu einigen Zentimetern je Stunde liegt,

bei einem genau konstanten Wert gehalten wer

Bei kompliziert gestalteten Fprmteilen, bei denen die Änderung der Querschnittsform über die gesamte Länge des Teils eine ständige Änderung der Wärmeaustauschflächen gegenüber Wärme- bzw. Kältequell «mit sich bringt, ergibt sich eine beständige Veränderung des Wärmeflusses im Bereich der Erstarrungsfront. Die gleichzeitige Einhaltung der vorstehend erläuterten Bedingungen erweist sich daher als äußerst schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die vorstehend erläuterten Schwierigkeiten überwunden werden können. Mit anderen Worten besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, anzugeben, wie kompliziert gestaltete Formteile, das heißt also Fertigteile, aus temperaturbeständigen Verbundwerkstoffen unmittelbar aus dem Guß erhalten werden können. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen dieses Ziel in einfacher Weise und in industriellem Maßstab erreicht werden kann.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung gelöst, das im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gießform in ein Bad getaucht wird, das aus einem geschmolzenen Metall besteht und die Gestalt einer im wesentlichen zylindrischen Kolonne aufweist und derart im Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle und einer Kältequelle steht, das eine ebene Erstarrungsfront ausgebildet wird, deren Verschiebung gesteuert wird.

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Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die Erstarrung unter thermischen Bedingungen ausgeführt werden kann, die denen beim Gießen eines zylindrischen Barrens nahe kommen, erlaubt es, die zwingenden Bedindungen der Ebenheit der Erstarrungsfront, des steilen Temperaturgradientens im Bereich der Erstarrungsfront und der Konstanz der Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront einzuhalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das erläuterte Verfahren durchgefürt werden kann, ist im wesentlichen gekennzeichnet durch ein Bad aus einem geschmolzenen Metall, in das die Gießform, welche die der Behandlung durchgerichtete Erstarrung zu unterwerfende Legierung enthält, eingetaucht ist, eine Wärmequelle und eine Kältquelle sowie Einrichtungen um die Erstarrungsfront der Legierung zu verschieben.

Das Metall des Schmelzbades wird vorzugsweise so ausgewählt, daß es einen Schmelzpunkt aufweist, der deutlich unter denjenigen der zu behandelnden Legierung liegt, sowie eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die derjenige der zu behandelnden Legierung zumindenst bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunkts der Legierung nahe kommt.

Zugleich ist darauf zu achten, daß das Metall des Schmelzbades bei allen in Frage kommenden Temperaturen gegenüber dem Material der Gießform chemisch inert ist und bis zu den Arbeitstemperatüren, die bis zu cira 1.700° C betragen können, einen möglichst geringen Dampfdruck aufweist.

Befriedigende Ergebnisse werden erhalten mit Zinn, Gallium oder Indium, wobei allerdings Zinn aus Kostengründen zu bevorzugen ist.

Nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verschiebung der Erstarrungsfront dadurch erreicht, daß das Bad aus geschmolzenem Metall und die Gießform gemeinsam gegenüber Wärme- und Kältequelle bewegt werden.

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Nach einer anderen Ausführungsform dec erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bad aus geschmolzenem Metall stationär und ergibt die Verschiebung der Erstarrungsfront sich aus einer Bewegung der Gießform, die mit der der Behandlung durchgerichtete Erstarrung zu unterwerfenden Legierung gefüllt ist, gegenüber Wärme- und Kältequelle.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Figuren lediglich ein Ausführungsbeispiel erläutert wird. Es zeigen

Fig. 1 in chematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erläuterten Verfahrens,

Fig. 2 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erläuterten Verfahrens.

Zur Herstellung von Formteilen aus einem temperaturbeständigen Verbundwerkstoff aus einerseits einer komplexen Matrix aus einer Legierung auf der Grundlage von Eisen und/oder Nickel und/oder Kobalt mit Chrom und andererseits aus Verstärkungsfasern, die in situ aus Monokarbiden von Ubergangsmetallen erzeugt werden, beispielsweise von Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke, durch Gießen lehrt die Erfindung ein Verfahren, nachdem die gerichtete Erstarrung einer Auegangslegierung in einer Gießform durchgeführt wird, deren Form diejenige des herzustellenden Fertigteile ist. Dabei wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß die Gießform in ein Bad aus einem geschmolzenen Metall getaucht wird, wobei das Bad in einem Badbehälter von geometrisch einfacher, vorzugsweise zylindrischer Form enthalten ist, mit dem Wärme- und Kältequellen in Wechselwirkung stehen, um thermische Bedingungen herbeizuführen, die denjenigen bei der gerichteten Erstarrung eines zylindrischen Barrens nahe kommen und es damit erlauben, die Parameter zu beherrschen, mit denen die geforderten Bedingungen der Ebenheit der Erstarrungsfront, des steilen Temperaturgradienten im Bereich der Eretarrungsfront und die Geschwindigkeitskonstanz der Verschiebung der

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Erstarrungsfront eingehalten werden können, und zwar unter Berücksichtigung der komplexen Formgestaltung des zu gießenden Formteils.

Die Figur 1 zeigt eine 1. Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Man erkennt zunächst einen Badbehälter 10 in Form eines Graphitrohrs, das Vertikal in einer Zelle 11 angeordnet ist. In der Zelle 11 wird ein Inertgas, beispielsweise Argon, zirkuliert, daß durch eine Zuleitung 12 im oberen Bereich der Zelle 11 zugeführt und durch eine Ableitung 12a im unteren Bereich der Zelle abgezogen wird. Das Rohr 10 ruht unter Zwischenlage einer Dichtung 13, beispielsweise aus Fasergraphit, auf einem Kolben 14, der vollständig aus Stahl besteht und in Längsrichtung verschiebbar in einem Kühler 15 angeordnet ist. Der Kühler 15 besteht aus einem doppelwandigen Kupfermantel 16 mit 2 Wänden 17 und 18, zwischen denen Wasser zirkuliert, daß durch ein Rohr 19 im oberen Bereich des Kühlers 15 zugeleitet und durch ein Rohr 2O im unteren Teil abgezogen wird. Der Wärmeübergang vom Kolben auf den Kupfermantel 16 erfolgt durch Strahlung. Eine Dichtlippe 25 im unteren Teil des Kühlers 15 sichert die Abdichtung gegenüber dem beweglichen Kolben 14.

Ein Mantel 33 aus Quarz, dessen oberer Teil durch eine die Zelle 11 begrenzende Muffe 34 abgedeckt ist, ist durch Flansche 30, 31 auf dem Kühler 15 befestigt, wobei eine Dichtung 32 zwischen den beiden Flanschen 30, 31 und eine weitere Dichtung 32a zwischen der Basis des Mantels 33 und dem Flansch 31 angeordnet sind. Die Muffe 34 besitzt einen zylindrischen Außenmantel 35, einen Boden 36 und einen Deckel 37, durch den die Zuleitung 12 hindurchgeführt ist. Der Mantel 33 ist an seiner Innenseite zur Verringerung von seitlichen Wärmeverlusten mit einer isolierenden Abschirmung 40 ausgekleidet, die den Badbehälter 10 in Abstand umgibt, und entsprechend ist die Wandung 35 der Muffe 34 mit einer entsprechenden isolierenden Abschirmung 41 ausgekleidet, die einen am oberen Teil des Rohrs 10 angeordneten Aufsatz 42 umgibt. Im einzelnen besteht der Aufsatz 4 2 aus

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einer schweren Hülse 43 mit oinem axialen Durchlaß 4 5 und einer Längsbohrung 46, der mit seinem unteren Teil auf einem Isolierring 44 aufsitzt und mit Flanschen 44a und 44b aus Fasergraphit verbunden ist, die auf nicht dargestellte Weise auf dem Rohr 10 befestigt sind.

Erfindungsgemäß enthält der durch das Rohr 10 gebildete Badbehälter ein Bad 50 aus geschmolzenem Metall, in welches mit ihrem unteren Teil eine Gießform 51 eingetaucht ist, die an ihrem oberen Teil durch die Flansche 44a, 44b des Aufsatzes 42 gehalten ist und die die durch gerichtete Erstarrung zu behandelnde Legierung A enthält. Die Legierung A wird in die Gießform durch eine axiale Zuführung 52 eingeführt, die durch den Deckel 37 der Muffe 34 hindurchgeführt ist und teilweise im Durchlaß 45 des Aufsatzes 42 angeordnet ist.

Eine Induktionsspule 55, die den Mantel 33 umgibt, bildet die Wärmequelle der Vorrichtung, in der das Graphitrohr 10 den Lastwiderstand darstellt.

Das das Schmelzbad 50 bildende Metall ist so ausgewählt, das seine Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Schmelztemperatur der zu erstarrenden Legierung möglichst wenig von der Wärmeleitfähigkeit dieser Legierung abweicht. Das Metall des Schmelzbades 50 ist weiter gegenüber dem Material der Gießform 51 chemisch inert, es besitzt einen geringen Dampfdruck bis zu Temperaturen, die größenordnungsmäßig 1700° C betragen können und es besitzt schließlich einen Schmelzpunkt, der deutlich unter denjenigen der Legierung A liegt.

Diesen Bedingungen genügen Zinn, Gallium und Indium, wobei allerdings aus kostengründen Zinn zu bevorzugen ist.

Um die Arbeitsbedingungen beim Schmelzen eines Barrens von einfacher geometrischer Form möglichst weitgehend anzunähern, lehrt die Erfindung nicht nur den Einsatz eines Bades aus geschmolzenen Metall sondern außerdem die Ausführung

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der Gießform 51 in Form einer Kokille von geringer Dicke, vorzugsweise in Form eines homogenen Blocks aus feuerfestem Oxyd, beispielsweise aus Alluminiumoxyd oder Zirkonoxyd höchster Reinheit (mehr als 99,5 %), sehr geringer Porosität (einige Prozent). Die Kokille kann beispielsweise durch Aufsprühen mittels eines Sauerstoff-Azetylen-Brenners oder eines Plasmabrenners auf eine verlorene Form hergestellt werden (vergleiche französische Patentanmeldung 75/05345). Schließlich wird die Kokille bei erhöhter Temperatur, größenordnungsmäßig bei 1.8OO C geglüht, was zu einer Rekristallisation führt, die zu einer guten mechanischen Widerstandsfähigkeit beiträgt und Deformationen durch Fließen bei hohen Temperaturen verhütet. Die Gefahr solcher Deformationen besteht wegen steilen Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront, der eine beträchtliche Überhitzung (bis 1.700° C) der Legierung mit sich bringt, die während längerer Zeit im Kontakt mit der Gießform steht, so wie wegen der geringen Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Bei abgenommenen Deckel 37 wird der Badbehälter 10 mit Zinn gefüllt; die Induktionsspule 55, deren Basis in einem Abstand vom Referenzniveau der Kältequelle, definiert durch die Verbindungsebene der Flansche 30, 31, angeordnet ist und deren Funktion darin besteht, den Temperaturgradienten aufrecht zu erhalten, wird mit einer Leistung gespeist, die gerade hinreicht um das Zinn zu verflüssigen. Mittels des Aufsatzes 42, in dessen Bohrung 46 ein Thermoelement 56 verschiebbar ist, das am Deckel 37 mit einem Halter 53 befestigt ist, wird die Gießform 51 in das Bad aus flüssigem Zinn eingeführt und zwar so, das das untere Ende 58 der Gießform 51 sich auf dem Niveau der Verbindungsstelle 57 des Thermoelements befindet. Diese ist in geringer Entfernung unterhalb der Induktionsspule 55 angeordnet, nämlich zwischen deren Basis und Referenzniveau der Kältequelle in einer Zone, in der Wärme weder zugeführt noch abgeleitet wird und in der außerdem - infolge des Fehlens eines War-

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meaustauschs durch die Seitenwand der Vorrichtung - die Isothermen vollkommen eben sind.

Während die Gießform 51 durch die schwere Hülse 43 in Position gehalten wird, die ein Schwimmen in dem Bad aus flüssigem Zinn verhindert, wird der Deckel 37 aufgesetzt, die Vorrichtung geschlossen und Argon durch die Zuleitung 12 in die Zelle 11 eingeleitet.

Die der Induktionsspule 55 zugeführte Heizleistung wird nun gesteigert, bis das Thermoelement 56 anzeigt, daß die Schmelztemperatur der zu behandelnden Legierung am Niveau der empfindlichen Verbindungsstelle 57 erreicht ist. Nunmehr wird eine (nicht dargestellte) Regeleinrichtung für die der Induktionsspule 55 zugeführte Leistung in Betrieb gesetzt und nach Maßgabe der vom Thermoelement 56 gelieferten Information gesteuert bzw. geregelt. Die Lage der Isothermen, die der Schmelztemperatur der zubehandelnden Legierung entspricht, wird damit am Ort der empfindlichen Verbindungsstelle 57 des Thermoelements 56 festgehalten. Nun kann die Füllung der Gießform 51 beginnen. Das kann entweder dadurch geschehen, daß man die in einer Hilfsvorrichtung vorgeschmolzene Legierung in die Gießform 51 einlaufen läßt, oder dadurch, daß man ein in entsprechender Legierungszusammensetzung vorlegiertes Pulver einbringt, in der Gießform 51 aufschmilzt und anschließend eine einstellbare Ergänzungsmenge nachgibt.

Ist die Gießform 51 gefüllt, was wegen der einfacheren und bequemeren Ausführung vorzugsweise auf die zuletzt beschriebene Weise erfolgt, so wird der Kolben 14 mit in der Figur nicht dargestellten Mitteln von oben nach unten verschoben. Das kann beispielsweise mittels Zahnstange und Zahnrad er folgen, wobei der bewegte Kolben 14 das Rohr 10, das Zinnbad 50, die Gießform 51 mit samt der Legierung A mitnimmt. Während der Verschiebung dee Kolbens 14, die mit einer Geschwindigkeit der Größenordnung von einem bis zu einigen Zentimetern pro Stunde erfolgt, regelt die Regeleinrichtung die der Induktionsspule 55 «ugaführte Leistung, um die Tem-

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peratur in dem Querschnitt, in dem die Verbindungsstelle 57 des Thermoelements 56 angeordnet ist, auf die Schmelztemperatur der behandelten Legierung. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront ist dabei streng gleich der Verschiebungsgeschwindigkeit des Kolbens 14.

Ist das Formteil vollständig gegossen und erstarrt, so wird die Verschiebung des Kolbens 14 angehalten und wird die Regeleinrichtung abgeschaltet, so daß die der Induktionsspule zugeführte Leistung auf ein Maß reduziert wird, daß eben ausreicht, um das Zinnbad 50 flüssig zu halten. Ist die Temperatur der Vorrichtung hinreichend weit abgesunken, so wird der Deckel 37 wieder abgenommen und der Kolben 14 wird in seine Ausgangsposition zurückgeführt. Die Gießform 51 wird aus dem flüssigen Zinnbad herausgenommen, die Vorrichtung wieder geschlossen und die Zelle 11 für einen weiteren Gießvorgang wieder Argon gespült.

Beispiel I:

Zur Herstellung einer massiven Turbinenschaufel einer Länge

mm
von 96 und einer größten Querabmessung von 38 mm für ein Flugzeugtriebwerk, aus einem Verbundwerkstoff, der aus einer Matrix auf Basis von Nickel und einer Verstärkungsphase aus Fasern von Niobkarbid besteht, wird eine Vorrichtung mit folgenden Merkmalen eingesetzt:

Badbehälter 10 aus Graphit: Außendurchmesser 60 mm, Wanddicke 2,5 mm, Länge 230 mm.

Kühler (Kupfermantel 16): Innendurchmesser 70 mm, Länge 25O mm.

Abstand von der Basis der Induktionsspule 55 bis zum obersten Punkt des Kühlers (Niveau der Verbindung 3 2): 80 mm.

Abstand von der Verbindungsstelle 57 des Thermoelements 56 bis zum Referenzniveau: 60 mm.

Schmelztemperatur der gerichtet erstarrten Legierung: 135O°C.

Temperaturgradient in der Höhe der Erstarrungsfront: 130° C/cm.

Die Gießform 51 bestand aus einer Kokille aus reinem Aluminiumoxyd einer mittleren Dicke von 0,7 mm, hergestellt durch

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sprühen mittels eines Sauerstoff-Azetylen-Brenners auf eine verlorene Foi
kristallisiert.

ne verlorene Form und durch Wärmebehandlung bei 18OO° C re-

Vorzugsweise ist die Gießform so dimensioniert, daß die Endteile des zu gießenden Teils etwas, beispielsweise um 10 15 nun, langer sind als die angestrebte Länge des fertigen Formteils, damit die Bereiche, in denen die Erstarrung beginnt bzw. endet, abgetrennt und beseitigt werden können, wie das bei zahlreichen Gießvorgängen üblich ist, und was mit einer - erfindungsgemäß zu vermeidenden - Formgebung durch Bearbeitung nichts zu tun hat.

Die Versorgung mit der zu behandelnden Legierung erfolgt dadurch, daß ein vorlegiertes Pulver einer mittleren Körnung von 2OO Micron und einer Zusammensetzung von (in Gewichtsprozent) 20 % Co, 10 % Cr, 10 % W, 4 % Al, 4,9 % Nb, O,55 % C, Rest Ni, eingeschüttet wird.

Die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront betrug 1 cm/h.

Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform besteht die Vorrichtung zunächst aus einem massiven Badbehälter 60 aus Graphit, der aus einem oberen Abschnitt 61 und einem unteren Abschnitt 62 aufgebaut ist, die beide rohrförmig mit beträchtlicher Wandstärke ausgebildet sind und wobei der untere Abschnitt durch einen Boden 62a abgeschlossen ist. Zwischen den Abschnitten 61, 62 ist ein gleichfalls rohrförmiger Mittelteil 63 vorgesehen, der aber wesentlich geringere Wandstärke aufweist. Der Mittelteil 63 ist ebenso wie der obere Abschnitt 61 von einem Futter 64 aus Fasergraphit umgeben, das zur Vermeidung von seitlichen Wärmeverlusten vorgesehen ist und in seinem unteren Bereich eine Ringzone 73 von gegenüber dem übrigen Teil seiner Wandung größerer Wand stärke aufweist. Der untere Abschnitt 62 des aus Graphit be stehenden Badbehälters ist von einem Kühler 65 umgeben, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Hilfsheiswicklung 66 von einstellbarer Leistung, die sich lediglich über

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einen Teil der Höhe des Kühlers erstreckt. Wie bei der vorstehend beschriebenen, in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht der Kühler 65 aus einem doppelwandigem Kupfermantel 67 mit den Wandungen 68, 69, zwischen denen Wasser zirkuliert, das durch ein Rohr 70 zugeführt und durch ein Rohr 71 abgezogen wird.

Der Kühler 65, der unter Zwischenschaltung einer Dichtung 7 auf einer Fußplatte 72 steht, und das isolierende Futter sind von einer doppelwandigen Umhüllung 75, beispielsweise aus Siliziumoxyd (Quarzgut), umgeben, die durch Wasserzirkulation gekühlt ist, auf der Fußplatte 7 2 durch einen Flansch 76 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 78 befestigt ist und an ihrem oberen Ende durch einen Deckel 77 unter Einschaltung einer Dichtung 80 abgedeckt ist.

Der Deckel 77 umschließt zusammen mit der Umhüllung 7 5 und dem Flansch 76 eine dicht abgeschlossene Zelle 81, in der ein Inertgas, vorzugsweise Argon, zirkuliert werden kann, wozu ein den Deckel 77 durchsetzendes Zuleitungsrohr 82 und ein im unteren Teil der Umhüllung 7 5 in der Nähe des Flansches 76 angeordnetes Abzugsrohr 83 vorgesehen sind.

In einer zentralen öffung 85 des Deckels 77 ist unter Einschaltung einer Dichtung 86 ein Graphitrohr 87 angeordnet, dessen unteres Ende als Aufhängeeinrichtung 88 für eine Gießform 89 ausgestaltet ist. Eine Dichtung 90, beispielsweise aus Fasergraphit, ist zwischen der Gießform 89 und der Aufhängevorrichtung 88 eingeschaltet, und am oberen Ende des rohrförmigen Abschnitts 61 ist zwischen diesem und dem Deckel 77 ein Isolierring 91 aus Fasergraphit angeordnet.

Wie im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Badbehälter 60 aus Graphit mit dem flüssigen Metall, vorzugsweise Zinn, gefüllt, das ein Bad 92 bildet, in dem einerseits die Gießform 89 und andererseits ein Thermoelement 93 eingetaucht sind, wobei die empfindliche Verbindungsstelle 94 des Thermoelements 93 zwischen den Enden des dünnwan-

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digen rohrförmigen Mittelteils 63 des Badbehälters angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform gemäß der Figur 2 besteht die Wärmequelle gleichfalls aus einer Induktionsspule 95, der eine regelbare Heizleistung zugeführt wird und die die Umhüllung 75 aus Siliziumoxyd umgibt. Die Induktionsspule 95 ist durch (nicht dargestellte) Regeleinrichtungen mit dem Thermoelement 93 verbunden.

Die hier beschriebene Ausführungsform wird in ganz entsprechender Weise wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform gemäß Figur 1 in Betrieb gesetzt. Eine wesentliche Ausnahme besteht allerdings darin, daß die Verschiebung der Erstarrungsfront hier dadurch erreicht wird, daß die Gießform 89 in der aus dem flüssigen Zinn bestehenden Säule von oben nach unten verschoben wird. Diese Verschiebung wird der Gießform 89 durch das Rohr 87 mitgeteilt, an dem an sich bekannte Verstellmittel, beispielsweise eine Kombination von Zahnstange und Zahnrad, angreifen, um dem Rohr 87 und damit der Gießform 89 eine gleichmäßige und stoßfreie Verschiebung bei geringer bzw. sehr geringer Geschwindigkeit zu erteilen. Zusätzlich zu seiner kinematischen Funktion ermöglicht das Rohr 87 durch seinen zentralen Kanal die Einführung der gerichtet zu erstarrenden Legierung in die Gießform 89.

Der dickwandige Abschnitt 61 im oberen Teil des Badbehälters aus Graphit sichert einen großen Wärmedurchgangsquerschnitt und erlaubt damit, den Wert des Temperaturgradienten in diesem Bereich so zu begrenzen, daß eine Überhitzung der geschmolzenen Legierung bei der Behandlung vermieden werden kann.

Der dickwandige Abschnitt 62 im unteren Bereich des Badbehälters einerseits und das Vorhandensein einer Hilfsheizwicklung 66 andererseits erlauben es, die Zinnsäule trotz der Abkühlung durch Strahlungsverlust zwischen der kalten Wand des Kupfermantels 67 und dem Rohr 62 bis zum Boden 62a

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im flüssigem Zustand zu halten, wozu der Heizwiderstand in Betrieb gesetzt wird, wenn das Formteil vollständig gegossen ist.

Der für die gerichtete Erstarrung notwendige steile Temperaturgradient wird im Bereich des dünnwandigen rohrförmigen Mittelteils 63 des Badbehälters 60 dadurch aufreicht erhalten, daß die Basis der Induktionsspule 95 entsprechend angeordnet wird, während das Vorhandensein einer beträchtlichen Menge von Isoliermaterial in der Nähe des Ring 73 zur Folge hat, das im Bereich des rohrförmigen Abschnitts 63,
der sich unterhalb der Basis der Induktionsspule 95 befindet, die Isothermen eben verlaufen.

Beispiel II:

Die Herstellung einer massiven Turbinenschaufel mit einer
Länge von 96 mm und einer größten Querabmessung von 38 mm, für ein Flugzeugtriebwerk, aus einem Verbundwerkstoff, der aus einer Matrix auf Grundlage von Nickel und einer Verstärkungsphase aus Fasern aus Niobkarbid besteht, erfolgt
in befriedigender Weise mit einer Vorrichtung, die folgendermaßen aufgebaut ist:

Dickwandige rohrförmige Abschnitte (61, 62) des Badbehälters (60) aus Graphit: Innendurchmesser 40 mm, Wanddicke 20 mm, Länge 150 mm.

Rohrförmiger Mittelteil (63): Innendurchmesser 40 mm, Wanddicke 2,5 mm, Länge 40 mm.

Die Gießform wies die gleiche Struktur auf wie die im Rahmen des Beispiels I beschriebene, besaß eine Wandstärke von 0,7 mm und wies in ihrem oberen Bereich einen Einfülltrichter auf, der durch einen Kragen begrenzt war, mit dem die
Halterung an dem Graphitrohr 87 möglich war.
Temperaturgradient: 150° C/cm.
Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront: 1,25 cm/h.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann vorteilhaft auch im Rahmen einer Einrichtung eingesetzt werden, mit der die gleichzeitige Herstellung mehrerer Formteile möglich ist.

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Eine solche Einrichtung umfaßt eine Mehrzahl von Vorrichtungen des in Figur 2 dargestellten Aufbaus, die beispielsweise unter gleichen Winkeln um eine Mittelachse aufgestellt sind, welche die für alle Vorrichtungen gemeinsamen Komponenten für die Verschiebung der Gießformen in den verschiedenen Säulen aus flüssigem Metall enthält.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Gießen eines kompliziert gestalteten Formteils aus einem temperaturbeständigen metallischen Verbundwerkstoff durch gerichtete Erstarrung einer Legierung in einer Gießform, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform in ein Bad eingesetzt wird, das aus einem geschmolzenen Metall besteht und die Form einer zylindrischen Säule aufweist, daß die Gießform einem Wärmeaustausch unterworfen wird mit einer Wärmequelle, die den oberen Bereich der Säule umgibt, sowie mit einer Kältequelle, die in Abstand von der Wärmequelle angeordnet ist und den unteren Bereich der Säule umgibt, wobei in dem Formteil eine streng ebene Erstarrungsfront ausgebildet wird, um daß die Erstarrungsfront verschoben wird, indem die Gießform gegenüber Wärme- und Kältequelle abwärts verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt aufweist, im Bereich der Schmelztemperatur der gerichtet zu erstarrenden Legierung eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die annähernd gleich derjenigen der Legierung ist, gegenüber dem Material der Gießform bei den Behandlungstemperaturen chemisch inert ist und bei erhöhten Temperaturen b
aufweist.

raturen bis ungefähr 1700 C einen niedrigen Dampfdruck

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zu der durch Zinn, Gallium oder Indium gebildeten Gruppe gehört.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Erstarrungsfront durch gemeinsame Bewegung der Säule aus flüssigem Metall und der Gießform gegenüber Wärme- und Kältequelle er-

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Erstarrungsfront durch Bewegung der Gießform gegenüber Wärme- und Kältequelle erfolgt, wobei die Säule aus flüssigem Metall feststeht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung der Wärmequelle nach Maßgabe einer fortlaufenden, mittels eines Thermoelements durchgeführten Temperaturmessung geregelt wird, wobei die empfindliche Verbindungsstelle des Thermoelements in der Säule aus flüssigem Metall am Niveau der Isotherme angeordnet wird, die dem Schmelzpunkt der gerichtet zu erstarrenden Legierung entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtet zu erstarrende Legierung in Form eines vorlegierten Pulvers von der Zusammensetzung der Legierung in die Gießform eingebracht wird und daß anschließend eine einstellbare Ergänzungsmenge zugegeben wird.

8. Vorrichtung zum Gießen von Formteilen aus einem temperaturbeständigen Verbundwerkstoff durch gerichtete Erstarrung einer Legierung in einer Gießform, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen zylindrischen Badbehälter (10; 60), der zur Aufnahme eines aus einem geschmolzenen Metall bestehenden Bades (50; 92) eingerichtet ist, in dem die Gießform (51; 89) angeordnet ist, durch eine den Badbehälter (10; 60) umgebende Wärmeisolation (40, 41; 64), durch eine Halterung (44; 88) für die Gießform (51; 89), mit der die Gießform (51; 89) in das geschmolzene Metall eintauchbar ist, durch eine Aufgabeeinrichtung (45; 87) zur Zuführung der gerichtet zu erstarrenden Legierung in die Gießform (51; 89), durch eine Heizeinrichtung (55; 95) und durch eine Kühleinrichtung (16; 65), wobei Heiz- bzw. ölleistung sowie die Anordnung von Heizein-

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richtung (55; 95) und Kühleinrichtung (16; 65) zur Einstellung einer ebenen Erstarrungsfront und eines steilen Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront einstellbar sind, sowie durch eine Einrichtung zur gesteuerten Verschiebung der Erstarrungsfront.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zu der aus Zinn, Gallium und Indium bestehende Gruppe gehört.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur gesteuerten Verschiebung der Erstarrungsfront einen massiven Kolben (14) aufweist, der in Längsrichtung verschiebbar in der Kühleinrichtung (16) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der das flüssige Metall umschließende Badbehälter aus einem Graphitrohr (10) besteht, das mit seinem unteren Teil abdichtend auf dem verschiebbaren Kolben (14) angeordnet ist, und daß an seinem oberen Teil eine Einrichtung (42) zur Halterung der Gießform (51), zur Zuführung der Legierung zur Gießform (51) und zur Halterung eines Thermoelements (56) zur Messung der Temperatur des Metalls angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur gesteuerten Verschiebung der Erstarrungsfront eine Vorrichtung (87) zur Bewegung der Gießform (89) in dem flüssigen Metall aufweist, wobei die Vorrichtung (87) gleichzeitig zur Halterung der Gießform (89) und zur Versorgung der Gießform (89) mit der gerichtet zu erstarrenden Legierung dient.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der das flüssige Metall umschließende Badbehälter (60) aus einem Graphitbehälter besteht, dessen seitliche Wandung einen rohrförmigen unteren Abschnitt (62) von großer Wanddicke, einen rohrförmigen oberen Abschnitt (61)

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von großer Wanddicke und zwischen unterem und oberen Abschnitt (62, 61) einen Mittelteil (63) von geringer Wanddicke aufweist, wobei im Bereich des Mittelteils (63) die Wärmeisolation (64) größere Dicke aufweist als im Bereich des oberen rohrförmigen Abschnitts (61) des Badbehälters (60).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (51; 89) ein homogenes Formteil in Form einer dünnwandigen Kokille aus einem feuerbeständigen Oxyd sehr hoher Reinheit und sehr geringer Porosität sowie vor dem Einsatz rekristallisiert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Wärmeisolation (40, 41; 64) von einer Umhüllung (33; 75) beispielsweise aus Quarz, Quarzgut oder dergl., umgeben ist, die eine dichte und durch einen abnehmbaren Deckel (37; 77) verschließbare Zeile (11; 81) umgibt, die mit einem Inertgas, vorzugsweise Argon, spülbar ist.

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