DE2735928B2

DE2735928B2 - Verfahren zum Gießen eines Formteils aus einem temperaturbeständigen metallischen Verbundwerkstoff und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2735928B2
Application number: DE2735928A
Authority: DE
Inventors: Maurice Clamart El Gammal; Maurice Chatillon 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: 1981-02-12
Also published as: JPS5321042A; FR2361181A1; US4175609A; SE7709066L; GB1584197A; SE430033B; FR2361181B1; DE2735928C3; DE2735928A1; CA1089624A; CH619625A5; JPS583471B2; IT1083906B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines kompliziert gestalteten Formteils aus einem temperaturbeständigen metallischen Verbundwerkstoff durch gerichtete Erstarrung einer Legierung in einer Gießform, wobei die Gießform mit der geschmolzenen Legierung aus dem Bereich des Wärmeaustausches mit einer Wärmequelle in den Bereich des Wärmeaustauschs mit einer mit Abstand unterhalb der Wärmequelle angeordneten Kältequelle überführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind temperaturbeständige Verbundwerkstoffe bekannt (vgl. DE-OS 20 18 770), 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 Verstärkungsphase vorhanden ist, die aus Fasern (»Whiskern«) aus Monokarbiden von Übergangsmetallen besteht. Diese Verbundwerkstoffe 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 und die kompliziert gestalteten Formteile unmittelbar zu erhalten, indem 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 Tal 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 Verbundwerkstoffes gleichzeitig aus der flüssigen Phase kristallisieren, indem sie senkrecht zur Erstarrungsfront wachsen, so muß diese streng eben ausgebildet sein. Uni weiter jede Keimbü dung von parasitären Körnern vor der Erstarrungsfront zu vermeiden und um jede zellulare oder dendritische Wachstumsstörung des Verbundwerkstoffes zu verhüten, ist dafür zu sorgen, daß der Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront einen verhältnismäßig hohen Wert in einer Größenordnung von 100-200^cC/cm aufweist und dieser Wert muß umso höher sein, je breiter das Erstarrungsintervall 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 werden.

Bei kompliziert gestalteten Formteilen, bei denen die Änderung der Querschnittsform über die gesamte Länge des Teils eine ständige Änderung der Wärmeaustauschflächen gegenüber Wärme- bzw. Kältequellen 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.

Aus der DE-OS 22 42 111, sowie auch aus der DE-OS 23 24 376 ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung zum Gießen eines kompliziert gestalteten Formteils aus einem temperaturbeständigen Verbundwerkstoff in Anwendung auf Legierungen von im wesentlichen homogenem Charakter bekannt, bei denen eine lediglich strukturelle Inhomogenität durch ein besonderes Kristallwachstum, nämlich die Ausbildung von Dendriten auftreten kann.

Demgegenüber ist der Erfindung die Aufgabe gestellt anzugeben, wie kompliziert gestaltete Formteile, d. h. also Fertigteile, aus temperaturbeständigen Werkstoffen mit optimaler Korn- und Faserstruktur unmittelbar aus dem Guß erhalten werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß für den Wärmeaustausch der Gießform und der darin enthaltenen Legierung mit der Wärmequelle und mit der Kältequelle ein und dasselbe Bad mit einem Wärmeübertragungsmedium aus geschmolzenem Metall vorgesehen wird, wobei das Bad die Form einer zylindrischen Säule aufweist, daß die Säule in einem oberen Bereich auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Verbundwerkstoffes und in einem unteren Bereich auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Verbundwerkstoffes erwärmt wird, und daß zur Verschiebung der Erstarrungsfront eine gegenseitige Verschiebung der vollständig in dem geschmolzenen Metall immergierten Gießform und der Wärme- bzw. Kältequelle vorgenommen wird, wobei die Gießform zu Beginn so im Bad angeordnet ist, daß ihr unterer Abschnitt sich in einem mittleren Bereich befindet, in dem die Temperatur im wesentlichen gleich der Schmelztemperatur des Verbundwerkstoffes ist.

Die Erfindung geht nämlich von der Erkenntnis aus, daß wenn eine Gießform für ein kompliziert gestaltetes Fern teil nach dem Guß zur gerichteten Erstarrung aus einer warmen in eine kältere Zone überführt wird, die Erstarrungsfront — entsprechend der mehr oder minder unregelmäßigen Kontur von Formteil bzw. Gießform — irregulär verläuft. Dies ist aus material-

technologischen Gründen unerwünscht. Erfindungsgemäß wird daher die Gießform nicht unmittelbar, sondern mittelbar in einem Bad in Form einer zylindrischen Säule aus geschmolzenem Metall gerichtet erstarrt. Die regelmäßige geometrische Form des Bades hat zur Folge, daß sich in diesem eine ebene und zur Erstarrungsrichtung genau senkrechte Erstarrungsfront ausbildet. Diese ebene Erstarrungsfront besteht aber nicht nur im geschmolzenen Metall des Bades, sondern durchsetzt auch die Gießform und da«; Formteil. Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß bei der gerichteten Erstarrung auch im Inneren von kompliziert gestalteten Formteilen eine ebene Erstarrungsfront ausgebildet wird und folglich in allen Querschnitten eine zur Erstarrungsrichtung des Materials parallele, säulenartige Kornstruktur mit hinsichtlich Anordnung und Stärke optimaler Ausbildung der Monokarbidfasern entsteht.

Von dem entgegengehaltenen Stand der Technik unterscheidet sich die Erfindung vor allem dadurch, daß zum Gießen von kompliziert gestalteten Formteilen aus den hier in Betracht gezogenen Verbundwerkstoffen ein und dasselbe Bad sowohl als Heizmittel für die Legierung oberhalb ihres Schmelzpunktes, als auch als Kühlmittel für die Legierung unterhalb ihres Schmelzpunktes verwendet wird. Die Gestaltung des Bades in Form einer zylindrischen Säule in Verbindung mit der vorerwähnten Maßnahme erlaubt es dabei, die stationäre Wärmeverteilung durch die vorhandene Wärme- und Kältequelle so zu steuern, daß im Bereich der Erstarrungsfront der Legierung sich eine genau ebene Isotherme einstellt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit, die gerichtete Erstarrung von kompliziert gestalteten Formteilen unter thermischen Bedingungen durchzuführen, die denjenigen bei der Erstarrung eines zylindrischen Barrens gleichkommen. Die für die gerichtete Erstarrung aus der komplizierten Formgestaltung sich ergebenden Probleme, insbesondere die Schwierigkeit, eine streng ebene Erstarrungsfront mit konstanter Wanderungsgeschwindigkeit bei steilem Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront zu erhalten, werden somit auf überraschend einfache, technisch elegante Weise behoben.

Bei der Anwendung des erfmdungsgemäßen Verfahrens wird die Verschiebung der Erstarrungsfront im allgemeinen ziemlich niedrig, in der Größenordnung von wenigen cm/h, etwa im Bereich von 10 bis 30 cm/h gehalten.

Die zwecks Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen von komplizierten Formteilen aus einem temperaturbeständigen Verbundwerkstoff durch gerichtete Erstarrung einer Legierung in einer Gießform dienende Verrichtung ist gemäß dem angegebenen Stand der Technik mit einer Wärmequelle und mit einer unterhalb und mit Abstand von der Wärmequelle angeordneten Kältequelle, mit einer Aufgabeeinrichtung zur Einführung der Legierung in die Gießform, wobei die Gießform aus dem Bereich der Wärmequelle in den Bereich der Kältequelle überführbar ist, ausgestattet Erfindungsgemäß ist nun diese Vorrichtung ein Behälter von im wesentlichen zylindrischer Form vorgesehen, in dem efn Bad aus geschmolzenem Metall enthalten ist, wobei die Wärmequelle den oberen Bereich des Behälters und die Kältequelle den unteren Bereich des Behälters- umgibt, und die Heizleistung und die Anordnung der Wärmequelle sind so einstellbar, daß im Inneren- des Bades aus geschmolzenem Metall zwischen oberem und unterem Bereich eine ebene Zone besteht, in der die Badtemperatur gleich dem Schmelzpunkt der zu erstarrenden Legierung ist, wobei ferner die Gießform durch die Halterung vollständig in dem Bad während des ganzen Erstarrungsvorganges immergiert ist und eine Einrichtung zur gegenseitigen Verschiebung von Gießform und Wärme- und Kältequelle vorgesehen ist.

Das Metall des Schmelzbades wird vorzugsweise so ausgewählt, daß es einen Schmelzpunkt aufweist, der

ίο deutlich unter denjenigen der zu behandelnden Legierung liegt, sowie eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die derjenigen der zu behandelnden Legierung zumindest bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes 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 Arbeitstemperaturen, die bis zu ca. 1700⁰C 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.

Nach einer anderen Ausführungsform des 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 durch gerichtete 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 zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erläuterten Verfahrens,

F i g. 2 eine der F i g. 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

so Grundlage von Eisen und/oder Nickel und/oder Kobalt mit Chrom und andererseits aus Verstärkungsfasern, die in situ aus Monokarbiden von Obergangsmetallen erzeugt werden, beispielsweise von Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke^ durch Gießen lehrt die Erfindung ein Verfahren, nach dem die gerichtete Erstarrung einer Ausgangslegierung in einer Gießform durchgeführt wird, deren Form diejenige des herzustellenden-Fertigteils ist Dabei wird erfindungsgemäß-so vorgegangen, daß die Gießform in ein Bad aus einem

6Θ geschmolzenen. Metall getaucht wird, wobei das Bad in einem Badbehälter von geometrisch einfacher, vorzugsweise zylindrischerFormenthalten-ist, mit dem Wärme- und Käitequelten in- Wechselwirkung stehen, um thermische- Bedingungen herbeizuführen, die denjenigen bei der gerichteten Erstarrung eines zylindrischen Barrens nahe kommen and es damit erlauben, die Parameter zu beherrschen, mit denen die geforderten Bedingungen- der Ebenheit der Erstarrungsfront des-

steilen Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront und die Geschwindigkeitskonstanz der Verschiebung der Erstarrungsfront eingehalten werden können, und zwar unter Berücksichtigung der komplexen Formgestaltung des zu gießenden Formteils. s

Die Fig. 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 20 im unteren Teil abgezogen wird. Der Wärmeübergang vom Kolben 14 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 ^o ausgekleidet, die einen am oberen Teil des Rohrs 10 angeordneten Aufsatz 42 umgibt. Im einzelnen besteht der Aufsatz 42 aus einer schweren Hülse 43 mit einem axialen Durchlaß 45 und einer Längsbohrung 46, der mit seinem unteren Teil auf einem Isolierring 44 aufsitzt und *5 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, 44£> des Aufsatzes 42 gehalten ist und die die durch gerichtete Erstarrung zu behandelnde 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 demjenigen 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 der Gießform 51 in Form einer Kokille von geringer Dicke, vorzugsweise in Form eines homogenen Blocks aus feuerfestem Oxyd, beispielsweise aus Aluminiumoxyd 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 75/05 345). Schließlich wird die Kokille bei erhöhter Temperatur, größenordnungsmäßig bei 1800⁰C 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 1700° 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, daß 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 Wärmeaustausch« 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 zu behandelnden Legierung entspricht, wird damit am Ort der empfindlichen Verbindungsstelle 57 des Thermoelements 56 festgehalten. Nun kann die Füllung der Gießform 5t 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.

1st 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 dargestellten Mitteln von oben nach unten verschoben. Das kann beispielsweise mittels Zahnstange und Zahnrad erfolgen, wobei der bewegte Kolben 14 das Rohr 10, das Zinnbad 50, die Gießform 51 mit samt der Legierung A mitnimmt. Während der Verschiebung des Kolbens 14, die mit einer Geschwindigkeit der Größenordnung von einem bis zu einigen Zentimetern pro Stunde erfolgt, regelt die Regeleinrichtung die der Induktionsspule 55 zugeführte Leistung, um die Temperatur 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 55 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 von 96 mm 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 250 im

Abstand von der Basis der Induktionsspule 55 bis zum obersten Punkt des Kühlers (Niveau der Verbindung 32): 80 mm.

Abstand von der Verbindungsstelle 57 des Thermoelements 56 bis zum Referenzniveau: 60 mm.
Schmelztemperatur der gerichtet erstarrten Legierung: 1350⁰C

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 sprühen mittels eines Sauerstoff-Azetylen-Brenners auf eine verlorene Form und durch Wärmebehandlung bei 1800° C rekristallisiert.

Vorzugsweise ist die Gießform so dimensioniert, daß die Endteile des zu gießenden Teils etwas, beispielsweise um 10—15 mm, länger sind als die angestrebte Länge des fertigen Formteils, damit die Bereiche, in denen die Erstarrung beginnt bzw. endet, abgetrennt und beseitigt

ίο 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 200 Micron und einer Zusammensetzung von (in Gewichtsprozent) 20% Co, 10% Cr, 10% W, 4% Al, 4,9o/o Nb, 0,55% C, Rest Ni, eingeschüttet wird.

Die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront betrug 1 cm/h.

Bei der in F i g. 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 Wandstärke aufweist. Der untere Abschnitt 62 des aus Graphit bestehenden Badbehälters ist von einem Kühler 65 umgeben, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Hilfsheizwicklung 66 von einstellbarer Leistung, die sich lediglich über einen Teil der Höhe des Kühlers erstreckt. Wie bei der vorstehend beschriebenen, in der F i g. 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 79 auf einer Fußplatte 72 steht, und das isolierende Futter 64 sind von einer doppelwandigen Umhüllung 75, beispielsweise aus Siliziumoxyd (Quarzgut), umgeben, die durch Wasserzirkulation gekühlt ist, auf der Fußplatte 72 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 75 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 75 in der Nähe des Flansches 76 angeordnetes Abzugsrohr 83 vorgesehen sind.

In einer zentralen Öffnung 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 dünnwandigen rohrförmigen Mittelteils 63 des Badbehälters angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform gemäß der F i g. 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 F i g. 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 92 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 Nadbehälters 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 im flüssigem Zustand zu halten, wozu der Heizwiderstand in 13etrieb 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 aufrechterhalten, da¹} die Basis der Induktionsspule 95 entsprechend angeordnet wird, während das Vorhandensein einer beträchtlichen Menge von Isoliermaterial in der Nähe des Rings 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 H

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.

Eine solche Einrichtung umfaßt eine Mehrzahl von Vorrichtungen des in F i g. 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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: o

1. Verfahren zum Gießen eines kompliziert gestalteten Formtefls aus einem temperaturbeständigen metallischen Verbundwerkstoff durch gerichtete Erstarrung einer Legierung in einer Gießform, wobei die Gießform mit der geschmolzenen Legierung aus dem Bereich des Wärmeaustauschs mit einer Wärmequelle in den Bereich des Wärmeaustauschs mit einer mit Abstand unterhalb der Wärmequelle angeordneten Kältequelle überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärmeaustausch der Gießform und der darin enthaltenen Legierung mit der Wärmequelle '5 und mit der Kältequelle ein und dasselbe Bad mit einem Wärmeübertragungsmedium aus geschmolzenem Metall vorgesehen wiru, wobei das Bad die Form einer zylindrischen Säule aufweist, daß die Säule in einem oberen Bereich auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Verbundwerkstoffes und in einem unteren Bereich auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Verbundwerkstoffs erwärmt wird und daß zur Verschiebung der Erstarrungsfront eine gegenseitige Verschiebung der vollständig in dem geschmolzenen Metall immergierten Gießform und der Wärmebzw. Kältequelle vorgenommen wird, wobei die Gießform zu Beginn so im Bad angeordnet ist, daß ihr unterer Abschnitt sich in einem mittleren Bereich befindet, in dem die Temperatur im wesentlichen gleich der Schmelztemperatur des Verbundwerkstoffs ist

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 «o Behandlungstemperaturen chemisch inert ist und bei erhöhten Temperaturen bis ungefähr 1700⁰C einen niedrigen Dampfdruck aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metal! 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 erfolgt.

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 kompliziert gestalteten 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, mit einer Wärmequelle und mit einer unterhalb und mit Abstand von der Wärmequelle angeordneten Kältequelle, mit einer Aufgabeeinrichtung zur Zuführung der Legierung in die Gießform sowie mit einer Halterung für die Gießform, wobei die Gießform aus dem Bereich der Wärmequelle in den Bereich der Kältsquelle überführbar ist, gekennzeichnet durch einen Behälter (10, 60) von im wesentlichen zylindrischer Form, in dem ein Bad aus geschmolzenem Metall (50,92) enthalten ist, wobei die Wärmequelle den oberen Bereich des Behälters (10,60) und die Kältequelle den unteren Bereich des Behälters (10, 60) umgibt, wobei Heizleistung und Anordnung der Wärmequelle so einstellbar sind, daß im Inneren des Bades (50, 92) aus geschmolzenem Metall zwischen oberem und unterem Bereich eine ebene Zone besteht, in der die Badtemperatur gleich dem Schmelzpunkt der zu erstarrenden Legierung isl, wobei die Gießform durch die Halterung vollständig in dem Bad (50,92) während des ganzen Erstarrungsvorgangs vollständig immergiert ist, und wobei eine Einrichtung zur gegenseitigen Verschiebung von Gießform und Wärme- und Kältequelle vorgesehen ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zu der aus Zinn, Gallium und Indium bestehenden 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) 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 (6Q).

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 ι ο

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 od. dgL, umgeben ist, die eine dichte und durch einen abnehmbaren Deckel (37; 77) verschließbare Zelle (11; 81) umgibt, die mit einem Inertgas, vorzugsweise Argon, spülbar ist