DE2833515C2

DE2833515C2 - Präzisionsgießform aus Keramik und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2833515C2
Application number: DE2833515A
Authority: DE
Inventors: Douglas Russel Vernon Conn. Hayes
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1977-08-01
Filing date: 1978-07-28
Publication date: 1986-11-27
Also published as: FR2399275B1; CH636783A5; IT1097546B; FR2399275A1; JPS5441228A; CA1107031A; IL55250A0; DE2833515A1; IL55250A; GB2003063A; SE7808213L; JPS6243777B2; IT7826361A0; GB2003063B; US4133368A

Description

Die Erfindung betrifft eine zum Gießen von Einkristallmetallgegenständen sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Form.

Zum Gießen von Einkristallmetallgegenständen ist eine Form bekannt (US-PS 34 94 209), die eine Kristallwachstumszone oder einen Kristallwachstumshohlraum am unteren Ende und einen schmalen Durchlaß darüber hat, der mit der Wachstumszone in Verbindung steht. Im allgemeinen ist die Wachstumszone der Form unten offen, so daß, wenn die Form beim Gießen auf eine Abschrpt-knlatte gestell· wird, das darin befindliche schmelzflüssige Metall in einer Richtung zum Erstarren gebracht wird, damit sich ein Stengelgefügewachstum zu dem Durchlaß hin ergibt. Der schmale Durchlaß dient zum Auswählen eines einzigen Kristalls unter den zahlreichen Kristallen, die in dem Wachstumshohlraum nach oben wachsen und sich weiter durch die Form ausbreiten. Bislang ist es üblich, dem Durchlaß die Form einer Wendel oder Schraubenlinie und einen Querschnitt zu geben, der im Vergleich zu dem des Wachstumshohlraums klein ist (US-PS 36 25 275, 36 27 015, 36 67 533,36 90 368,37 00 023 und 37 12 368).
Es ist bekannt, die zum Einkristallgießen benutzten Formen nach dem Schalenform- oder Wachsausschmelzverfahren herzustellen, bei welchem Schichten aus Keramikmaterial auf ein verlorenes Modell, beispielsweise ein Wachsmodell, aufgebracht werden. Das

ίο Wachsmodel! hat im allgemeinen einen Gegenstandsteil, einen Schraubenlinien- oder Wendelteil und einen Wachstumszonenteil, wobei der Schraubenlinienteil von Hand mit Wachs zwischen die anderen geklebt wird. Die so miteinander verbundenen Wachsteile werden dann mit Keramikschichten bedeckt, um um sie herum eine Schalenform zu bilden. Nachdem die Keramikschale bis zu der gewünschten Dicke aufgebracht ist, wird das Wachsmodell ausgeschmolzen, und es bleibt eine Keramikschalenform zurück, die einen oberen Gegen-Standshohlraum hat, der mit einem unteren Wachstumshohlraum durch einen schraubenlinienförmigen Durchlaß kleinen Querschnittes verbunden ist.

Infolge des geringen Querschnittes und der infolgedessen geringen Festigkeit der Wendel aus Wachs ergeben sich Probleme bei dem Miteinanderverbinden der Wachsmodellteile und bei dem Schalenformen durch Verziehen oder Brechen der Wachswendel und anderer Wachsteiie. Aufgrund dieser Probleme ist es erforderlich, daß das Personal bei diesen Arbeiten äußerste Sorgfalt walten läßt. Trotz dieser Sorgfalt kommt es jedoch allzuhäufig zum Verziehen und Brechen der Wendel, was eine geringere Produktion und höhere Gießkosten zur Folge hat.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren werden Formen zum Gießen von Einkristallen geschaffen, indem ein vorgegossenes zentrales Formteil oder Verstärkungsteil zwischen vorgegossene äußere Formteile eingebaut wird (US-PS 39 65 963). Bei diesem Verfahren werden die Formteile vorgeformt oder vorgegossen, indem eine Keramikaufschlämmung in einen geeignet gestalteten Formhohlraum eingeleitet wird.

Die Erfindung schafft eine verbesserte Form zum Gießen von Einkristallmetallgegenständen und ein Verfahren zum Herstellen der Form.

Typischerweise ist die verbesserte Form eine Feingießform aus Keramik, die wenigstens einen Hauptgegenstandshohlraum hat und in deren unteres Ende unterhalb des Gegenstandshohlraums ein mit diesem in Verbindung stehender, vorgeformter Einkristallanfangseinsatz aus Keramik eingebettet ist. Der vorgeformte Anfangseinsatz hat einen Keramikkörper, der unten mit einem Kristallwachstumshohlraum mit einem offenen unteren Ende für die Berührung mit einer Abschreckplatte versehen ist, und einen aufwärts geneigten Durchlaß, der den Wachstumshohlraum mit dem Gegenstandshohlraum der Form verbindet, wobei der Durchlaß geeignet ausgestaltet ist, damit ein einziger metallischer Kristall aus dem Wachstumshohlraum zur weiteren Ausbreitung durch den Gegenstandshohlraum ausgewählt wird.

Zum i 'erstellen ciüci Suiulicn Furni sieht die Erfindung typischerweise vor, daß dasjenige Ende des Anfangseinsatzes, das zu dem Wachstumshohlraum entgegengesetzt ist, an eine geeignet geformte Modclll'orm angesetzt wird und daß verlorenes Material, wie beispielsweise schmelzflüssiges Wachs, in die Form zu dem Ende des Einsatzes hin eingeleitet wird, um nicht nur das Modell des zu gießenden Gegenstands zu formen, son-

dem um auch das Modell mit dem Anfangseinsatz zu verbinden oder an diesem zu befestigen. Das sich ergebende Gebilde aus vorgeformten Anfangseinsatz und verlorenem Gegenstandsmodell wird dann zum Präzisionsformen benuizt, um um es herum eine Keramikform zu bilden, wobei das offene untere Ende des Wachstumshohlraums jedoch ausgenommen bleibt. Nach dem Entfernen des verlorenen Gegenstandsmodells liegt eine Form zum Gießen von Einkristallmetallgegenständen vor.

Die Form und das Verfahren nach der Erfindung sind besonders vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt der Schaffung eines äußerst genauen und reproduzierbaren Kristallanfangseinsat7.es in der Form und der beträchtlichen Verringerung der manuell auszuführenden Zusammenbauarbeiten und der Verziehungs- und Bruchgefahr der Wendel. Darüberhinaus kann der Kristallanfangseinsatz überprüft werden und es ist möglich, seine Konfiguration und seine Struktur spezifischen Gußmetallen und Gußgegenständen anzupassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines vorgeformten Anfangseinsatzes aus Keramik,

Fig. 2 in einer Seitenansicht den vorgeformten Anfangseinsatz aus Keramik, der mit einem verlorenen Modell einer Gasturbinenschaufel verbunden und im Schnitt dargestellt ist, und

F i g. 3 eine Schnittansicht des Anfangseinsatzes von F i g. 1 nach dem Präzisionsformen und nach dem Entfernen des Wachsmodells.

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen vorgeformten Einkristallanfangseinsatz 2 aus Keramik allein bzw. verbunden mit einem verlorenen Modell, welches der Anschaulichkeit halber als eine Gasturbinenschaufel 4 mit einem Flügelprofilabschnitt 4a, einem Wurzelabschnitt 4b und einem Gießtrichter 4c dargestellt ist. Der Anfangseinsatz 2 hat einen Keramikkörper 6, der unten mit einem Wachstumshohlraum 8 versehen ist, welcher an seinem unteren Ende 8a, mit dem er in herkömmlicher Weise auf eine Abschreckplatte (nicht dargestellt) gestellt wird, offen ist. Mit dem oberen Ende des Wachstumshohlraums und mit dem unteren Ende des verlorenen Schaufelmodells steht ein schraubenlinienförmiger Durchlaß 10 in Verbindung, dessen Querschnitt im Vergleich zu dem des Wachstumshohlraums klein ist. Während des Gießens dient der schraubenlinienförmige Durchlaß 10 zum Auswählen eines einzigen Metallkristalls unter den zahlreichen Kristallen, die in der Wachstumszone nach oben wachsen, wobei der ausgewählte Kristall sich dann durch den Gegenstandshohlraum hindurch weiter ausbreitet, wie es aus der oben genannten US-PS 34 94 709 bekannt ist. Der Keramikkörper kann auch ein oder mehrere Wachsabflußlöcher (nicht gezeigt) aufweisen, die das Entfernen des verlorenen Schaufelmodells später erleichtern. Diese Löcher würden vertikal ausgerichtet sein und das untere Ende des Modells mit dem Wachstumshohlraum 8 verbinden, um Abflußkanäle zu schaffen. Vorzugsweise hat das von dem Wachstumshohlraum abgewandte Ende des Keramikkörpers eine Modellbetestigungstläche 13 von geeigneter Form, die das untere Ende des Wurzelabschnitts des Schaufelmodells aufnimmt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist.

Im allgemeinen wird der Kristallanfangseinsatz 2 aus Keramik in einer geeigneten Kokille durch ein bekanntes Hochdruck- oder NiederdruckkeramiksDritzverfahren vorgegossen. Selbstverständlich kann, nachdem eine geeignete Kokille hergestellt worden ist, der Einsatz in großen Stückzahlen aus geeignetem Keramikmaterial hergestellt werden, das dann für die zu gießenden Metalle und zu verwendenden Formmaterialien speziell maßgeschneidert werden kann. Ein typisches Keramik material, das beim Gießen von Legierungen auf Nickelbasis benutzt werden kann, ist ein Gemisch, das etwa 20% Siliciumdioxid und 30% Zirconiumoxid enthält. Andere Materialien, die für diesen Zweck geeignet sind, sind dem Fachmann geläufig.

Die Verwendung eines vorgeformten oder vorgegossenen Anfangseinsatzes aus Keramik bietet mehrere Vorteile, zu denen eine verbesserte Maßkontrolle und eine verbesserte Reproduzierbarkeit sowie die Gelegenheit gehören, den Einsatz zu überprüfen zu können, bevor er in die Feingießform aus Keramik eingebettet wird. Darüber hinaus kann die Dicke des Keramikkörpers nach Bedarf verändert werden, um eine bessere Isolierwirkung in dem Bereich des Wachstumshohlraums und des schraubeniinienförmigen Durchlasses zu schaffen und dadurch die Wärmegradienten zu verbessern und die Gefahr einer falschen Kristallkeimbildung zu minimieren. Selbstverständlich werden die umfangroichen manuellen Zusammenbauarbeiten, die beim Stand der Technik erforderlich sind, im wesentlichen beseitigt. Mit Hilfe des vorgeformten Einkristallanfangseinsatzes können die Kristallbildung und die Kristallauswahl optimiert und Gußstücke höherer Qualität Hergestellt werden.

Das bevorzugte Verfahren zum Befestigen des vorgeformten Anfangseinsatzes an dem Schaufelmodell beinhaltet die Verwendung einer metallischen Modellform, die die Gestalt der zu gießenden Schaufel einschließlich des Gießtrichters hat. Bei diesem Verfahren wird die Befestigungsfläche 13 des Anfangseinsatzes 2 dem Forminneren in Verbindung gebracht und schmelzflüssiges Wachs oder anderes Modellmaterial wird eingeleitet. Das Schaufelmodell wird mit der gewünschten Gestalt geformt und gleichzeitig an dem Anfangseinsatz 2 an dessen Fläche 13 befestigt, wenn das Wachs daran erstarrt. Das durch dieses Verfahren hergestellte Gebildet ist in F i g. 2 gezeigt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da das manuelle Zusammenbauen des Anfangseinsatzes und des heiklen Modells beseitigt worden ist.

Nachdem das Gebilde von F i g. 2 hergestellt worden ist, wird es herkömmlichen Präzisionsformoperationen ausgesetzt, zu denen das Schalen- oder Massivpräzisionsformen gehören, um eine Keramikform um das Gebilde herum herzustellen. Selbstverständlich muß das Ende 8a des Anfangseinsatzes 2 offen bleiben, damit während des Gießens eine Berührung zwischen dem schmelzflüssigen Metall und der Abschreckplatte hergestellt werden kann. Infolgedessen ist es erwünscht, eine ebene Platte über diesem Ende des Anfangseinsatzes 2 während des Präzisionsformens anzuordnen, um zu verhindern, daß Keramikmaterial die öffnung verschließt. Nach dem Formen kann die Platte leicht entfernt werden.

Bei dem Schalenpräzisionsformen wird das Gebilde wiederholt in eine Keramikaufschlämmung eingetaucht und getrocknet, bis eine Keramikschale von ausreichender Dicke für eine Formwand erzielt ist. Als Beispiel ist eine Keramikschalenform 14, die durch dieses Formverfahren hergestellt worden ist, in F i g. 3 nach dem Entfernen des Schaufelmodells gezeigt. In F i g. 3 ist die Schalenform mit einem Basis- oder Flanschteil 15 eezeiet.

der während des Gießens mit gerichteter Erstarrung auf der Abschreckplatte (nicht dargestellt) ruht.

Wenn Wachsabflußlöcher in dem Anfangseinsatz 2 vorgesehen sind, wird das Entfernen des Wachsschaufelmodells durch Ausschmelzen sehr erleichtert, da der schraubenlinienförmige Durchlaß einen ziemlich kleinen Querschnitt und deshalb eine begrenzte Abflußkapazität hat. Vor dem Gießen ist es jedoch erforderlich, vorgeformte Keramikstopfen oder dgl. in die Abflußlöcher einzuführen, um zu verhindern, daß metallische Kristalle während des Gießens durch die Löcher nach oben wachsen.

Bei dem Massivpräzisionsformen wird das Gebilde von F i g. 2 in einen Behälter oder Kasten gestellt und die Keramikformaufschlämmung wird herumgegossen, wobei jedoch das Ende 8s des Anfangseinsatzes ausgenommen bleibt. Nachdem die Aufschlämmung erhärtet ist, wird das Schaufelmodell in der oben beschriebenen Weise entfernt, um die gewünschte Form zu schaffen.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Präzisionsgießform aus Keramik für einen Einkristallmetallgegenstand, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, mit einem Gegenstandshohlraum, mit einem darunter angeordneten Wachstumshohlraun? mit einem während des Gießens mit einer Abschreckplatte in Berührung bringbaren offenen unteren Ende und mit einem aufwärts geneigten, den Wachstumshohlraum mit dem Gegenstandshohlraum verbindenden Durchlaß zum Auswählen eines Einkristalls aus dem Wachstumshohlraum zur weiteren Ausbreitung durch den Gegenstandshohlraum, gekennzeichnet durch einen in die Präzisionsgießform (14) eingebetteten, vorgeformten Einsatz (2) aus Keramik, in welchem der Durchlaß (10) und der Wachstumshohlraum (8) ausgebildet sind.

2. Präzisionsgießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (10) schraubenlinienförmig ist.

3. Verfahren zum Herstellen einer Präzisionsgießform nach Anspruch 1 oder 2 durch Herstellen einer Modellform, die einen inneren Hohlraum in der Gestalt des zu gießenden Gegenstands hat, Einleiten von Modellmateria! in den Hohlraum, um ein verlorenes Modell zu formen,

Formen der Präzisionsgießform um das Modell herum und Entfernen des Modells aus der Präzisionsgießform, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Herstellen des vorgeformten Einsatzes aus Keramik und Anordnen des Einsatzes unten an der Modellform vor dem Einleiten von Modellmaterial, so daß beim Formen des verlorenen Modells dieses gleichzeitig oben an dem Einsatz befestigt wird und das Modellmaterial den Durchlaß und den Wachstumshohlraum ausfüllt und nach dem Entfernen des Modells der Einsatz in die Präzisionsgießform eingebettet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Wachs als Modellmaterial verwendet und das Modell durch Erhitzen entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erhitzen das schmelzflüssige Wachs über das offene Ende des Wachstumshohlraums aus der Präzisionsgießform herausfließt.