DE2853442C2

DE2853442C2 -

Info

Publication number: DE2853442C2
Application number: DE2853442A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Collinsville Conn. Us Edwin; Sebastian Joseph Middletown Conn. Us Salafia; Lee Frederick West Palm Beach Fla. Us Schulmeister
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1977-12-14
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1987-07-23
Also published as: GB2012931B; GB2012931A; US4190404A; DE2853442A1; CA1104834A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 6 angegebenen Art.

Gasturbinentriebwerksteile sind harten Betriebsbedingungen ausgesetzt, beispielsweise hohen Temperaturen, hohen Bela stungen und korrodierenden Atmosphären. Infolgedessen soll ten solche Teile aus Metallen und Legierungen hergestellt werden, die so rein wie möglich sind. Es ist insbesondere wichtig, Metalle und Legierungen zu benutzen, die einen mi nimalen Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen wie SiO₂, Al₂O₃, MgO, usw. haben, da solche Einschlüsse die mecha nischen Eigenschaften des Materials nachteilig beeinflussen. Zu diesem Zweck werden bislang zahlreiche Verfahren ange wandt, um die Reinheit der Metalle sicherzustellen. Beispiels weise werden das Vakuuminduktionsschmelz-, das Vakuumlicht bogenumschmelz- und das Elektroschlackeumschmelzverfahren angewandt, um Legierungen in Blöcke zum Schmieden, zur Pul verherstellung und zum Investmentguß umzuwandeln. Diese Ver fahren haben jedoch weniger als zufriedenstellende Ergeb nisse gebracht und tatsächlich wird in einigen Fällen eine Zunahme des Auftretens von verunreinigenden Fremdeinschlüs sen beobachtet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässigeres Verfahren zum Entfernen von metallischen Einschlüssen aus einer Me tallcharge und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen sich hochreine Schmelzprodukte zum Schmieden, zur Pulverherstellung, zum Gießen oder für andere metallurgische Prozesse erzielen lassen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 6 angegebenen Schritte bzw. Merk male gelöst.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er findung wird ein vorgeschmolzener Block, der Verunreini gungen in Form von Einschlüssen enthält, in einen beson ders gestalteten Kupfertiegel in Tropfen abgeschmolzen, in dem ein erster Elektronenstrahl über die Spitze des Bloc kes hinweggeleitet wird. Das schmelzflüssige Metall tropft von der Blockspitze ab und fällt in den Tiegel, welcher eine zentrale Metalltropfenaufnahmekammer aufweist, die insgesamt halbkugelförmig und flach ist, und langgestreckte Kanäle, welche mit entgegengesetzten Seiten der Kammer in Verbindung stehen und reines schmelzflüssiges Metall auf einer Seite bzw. ausgeschiedene Einschlußverunreinigungen auf der anderen Seite abführen. Vorzugsweise ist der Me tallauslaßkanal tiefer als der Einschlußauslaßkanal, so daß nur reines schmelzflüssiges Metall aus dem Tiegel ab fließt, wenn dieser durch die abtropfende Schmelze gefüllt wird. Wenn das schmelzflüssige Metall von der Blockspitze abtropft und sich in der Kammer sammelt und ein Schmelzbad bildet, wird zwischen dem Tiegel und dem Schmelzbad eine Schale oder dünne erstarrte Metallschicht gebildet, die eine Verunreinigung der Schmelze verhindert. Ein zweiter Elektronenstrahl wird auf denjenigen Teil der Schmelzbad oberfläche gerichtet, der sich neben und in unmittelbarer Nähe des Auslaßkanals für das reine Metall erstreckt, da mit nicht nur das Schmelzbad erhitzt wird, um seinen schmelz flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, sondern damit auch die schwimmenden Einschlüsse zum Sichabsondern in die nicht beaufschlagten Oberflächenbereiche neben dem Einschlußaus laßkanal veranlaßt werden. Wenn das schmelzflüssige Metall bis zu der Ausgießstelle ansteigt, d. h. wenn der Metall auslaßkanal gefüllt wird, kann ein dritter Elektronenstrahl für Temperatursteuerzwecke auf das reine Metall in dem Ka nal gerichtet werden. Aus dem Auslaßkanal fließt das reine schmelzflüssige Metall in herkömmliche Blockgießformen, kom plexe Gießformen, Pulverherstellungsvorrichtungen od. dgl.. Das Entfernen der Einschlußverunreinigungen aus dem Tiegel kann erfolgen, indem der Tiegel auf der Seite des Einschluß auslaßkanals nach unten gekippt wird, damit das verschmutz te Metall über den Auslaßkanal abfließt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie ben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gerätes, das bei dem Elektronen strahl-Blockraffinationsverfahren nach der Erfindung verwendbar ist, und

Fig. 2 einen in Fig. 1 dargestellten Tiegel in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein typisches Ge rät, das bei dem bevorzugten Elektronenstrahl-Raffinations verfahren nach der Erfindung benutzt wird. Das Gerät ent hält eine Vorschubvorrichtung 2 bekannter Bauart für einen vorgeschmolzenen Block 4, der durch einen auf seine Spitze 6 auftretenden Elektronenstrahl in Tropfen abgeschmolzen wird. Der vorgeschmolzene Block 4 hat insgesamt eine zylin drische Form und kann durch verschiedene herkömmliche Ver fahren hergestellt worden sein, zu welchen das Vakuuminduk tionsschmelzen und das Vakuumlichtbogenumschmelzen gehören.

Vorgeschmolzene Blöcke, die durch diese und andere Ver fahren hergestellt worden sind, enthalten jedoch gewöhnlich charakteristische Mengen an nichtmetallischen Einschlüssen und ähnlichen Verunreinigungen, die in dem Endprodukt uner wünscht sind. Beispielsweise enthält ein vorgeschmolzener Block aus einer Legierung, die üblicherweise als modifizier te IN-100-Legierung bezeichnet wird (Nennzusammensetzung in Gewichtsprozent: 12,4% Cr-18,5% Co-3,3% Mo-5,0% Al- 4,4% Ti-1,7% Nb-0,8% Hf-0,02% C- Rest im wesentlichen Ni), der durch Vakuuminduktionsschmelzen hergestellt wor den ist, gewöhnlich nichtmetallische Einschlüsse in Form von Oxidteilchen von Al₂O₃, HfO₂ usw. Bei der Herstellung von Legierungsteilen, die im Betrieb hohen Temperaturen und Belastungen ausgesetzt sind, beispielsweise Gasturbinen triebwerksteilen, wie Lauf- und Leitschaufeln, ist es wich tig, daß diese Einschlüsse in dem Legierungsprodukt mini miert sind.

Gemäß der Erfindung wird die Spitze 6 des vorgeschmolzenen Blockes 4 in Tropfen abgeschmolzen, indem die Spitze mit einem Elektronenstrahl 8 beaufschlagt wird, der durch eine Elektronenkanone 10 erzeugt wird. Selbstverständlich sind geeignete Ablenkvorrichtungen, wie Magnete, vorgesehen, die den Elektronenstrahl fokussieren und auf die Blockspitze leiten. Diese Vorrichtungen sowie die Elektronenkanone 10 sind bekannt. Beispielsweise kann bei dem Verfahren nach der Erfindung eine Elektronenkanone benutzt werden, die von der Fa. Leybold-Heraeus hergestellt und vertrieben wird. Die Leistung der benutzten Elektronenkanone kann selbstver ständlich in Abhängigkeit von dem Typ des Metalls oder der Legierung des Blockes, der geschmolzen wird, verändert wer den.

Die schmelzflüssigen Tropfen 12, die durch das Tropfenab schmelzverfahren erzeugt werden, fallen abwärts in einen wassergekühlten Kupfertiegel 14. Der Kupfertiegel enthält insbesondere eine zentrale Metalltropfenaufnahmekammer 16, die insgesamt halbkugelförmig ist und in die die schmelzflüs sigen Tropfen von der Blockspitze 6 fallen, um in ihr ein Schmelzbad 7 zu bilden. Das Volumen der Kammer 16 kann selbst verständlich in Anpassung an besondere Produktionszwecke ver ändert werden, wobei größere Kammern benutzt werden, wenn ein größeres Fassungsvermögen verlangt wird. Gemäß den Fig. 1 und 2 sind ein langgestreckter Metallauslaßkanal 18 mit einer Gießtülle 18 a und ein langgestreckter Ein schlußauslaßkanal 20 auf entgegengesetzten Seiten der Kam mer angeordnet und haben Verbindung mit derselben. Es ist zu erkennen, daß der Metallauslaßkanal 18 und die Gießtülle 18 a größere Tiefen als der Kanal 20 haben, so daß, wenn sich der Tiegel füllt, schmelzflüssiges Metall nur über die Gießtülle 18 a abgegeben wird.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines zweiten Elektronenstrahls 22 aus einer Elektronenka none 24, damit nicht nur das Schmelzbad 7 im schmelzflüs sigen Zustand gehalten wird, sondern damit auch schwim mende Einschlußverunreinigungen 25 zum Ausscheiden an der Schmelzbadoberfläche in der Nähe des Einschlußauslaßka nals 20 veranlaßt werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verwendung des Elektronenstrahls 22 für diesen Zweck resultierte aus der Entdeckung, daß die schwimmenden Ein schlußverunreinigungen eine definitive Tendenz zeigen, sich in Bereiche der Schmelzbadoberfläche abzusondern, wel che nicht der Elektronenstrahlbeaufschlagung ausgesetzt sind. Zur Erzielung der in Fig. 2 gezeigten Absonderung wird deshalb der Elektronenstrahl 22 auf denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche gerichtet, der sich neben dem Me tallauslaßkanal 18 befindet. Diese selektive Elektronen strahlbeaufschlagung bewirkt, daß sich die Einschlüsse in demjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche sammeln, der sich neben dem Einschlußauslaßkanal 20 befindet, wo sie an schließend entfernt werden können. Mit Hilfe von herkömm lichen Fokussier- und Ablenkvorrichtungen, wie beispiels weise elektromagnetischen Vorrichtungen, kann der Bereich der Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl 22 nach Bedarf verändert werden, um die erforderliche Absonderung zu er zielen. Während die Einschlußverunreinigungen auf diese Wei se abgesondert werden, wird reines schmelzflüssiges Metall über den Kanal 18 und die Gießtülle 18 a entnommen. Die Ent nahme des Metalls kann erfolgen, indem der Tiegel gekippt und dadurch die Gießtülle abgesenkt wird oder indem man ein fach den Tiegel überlaufen läßt, wenn er sich mit den schmelz flüssigen Metalltropfen füllt. Zum Aufrechterhalten der für den Transfer gewünschten Temperatur des reinen schmelzflüs sigen Metalls in dem Kanal 18 wird ein dritter Elektronen strahl 26 aus einer Elektronenkanone 28 auf die Oberfläche des Metalls in dem Kanal 18 gerichtet. Auf diese Weise kann die exakte Temperatur des schmelzflüssigen Metalls zum Gie ßen oder zur Pulverherstellung geschaffen werden. Das Ent fernen der Einschlußverunreinigungen kann periodisch wäh rend der Raffination oder am Schluß derselben erfolgen. Ein zweckmäßiges Verfahren zum Entfernen der Verunreinigungen besteht darin, den Tiegel so zu kippen, daß der Auslaßkanal 20 abgesenkt wird und das verunreinigte schmelzflüssige Me tall in einen geeigneten Schlackenbehälter abfließt.

Gemäß Fig. 1 wird das reine schmelzflüssige Metall aus dem Tiegel 14 über die Gießtülle 18 a abgegeben und fällt direkt in eine Blockform 30, die auf einer Bodenplatte 31 ruht, um darin zu einem Block zu erstarren, welcher zum Schmieden, zur Pulverherstellung, zum Investmentgießen u. dgl. be nutzt wird. Statt dessen kann das reine schmelzflüssige Metall in eine dynamische metallurgische Maschinenanlage abgegeben werden, beispielsweise eine gekühlte rotierende Scheibe anstelle der Form 30 von Fig. 1, auf die das schmelzflüssige Metall di rekt fallen gelassen wird, um Pulver aus reinem Metall her zustellen. Selbstverständlich befindet sich eine derartige Pulverherstellungsanlage gewöhnlich innerhalb einer Va kuumkammer, um gasförmige Verunreinigungen zu minimieren. Das Gerät nach der Erfindung kann leicht in einer solchen Kammer untergebracht werden.

Die Leistungsfähigkeit der Erfindung bei der Entfernung von nichtmetallischen Einschlüssen ist an der oben beschrie benen modifizierten IN-100-Legierung dargestellt worden. Ein Block aus der Legierung wurde im Vakuum in einen wasser gekühlten Kupfertiegel unter Verwendung von zwei auf die Blockspitze auftreffenden Elektronenstrahlen abgeschmolzen. Die schmelzflüssige Charge wurde langsam aus dem Tiegel in eine Blockform gegossen. Während des Gießens wurde einer der zum Abschmelzen benutzten Elektronenstrahlen so auf die Oberfläche des Schmelzbades in dem Tiegel verlagert, daß der Strahlauftreffbereich sich direkt vor oder neben der Tiegelgießtülle befand. Die selektive Strahlbeaufschlagung bewirkte, daß sich die meisten schwimmenden Einschlüsse ent fernt von der Gießtülle und von dem beaufschlagten Bereich auf der Schmelzbadoberfläche absonderten. Der überwiegende Teil des in der Blockform erzeugten Blockes war bei der Inspek tion praktisch einschlußfrei. Nur wenige Einschlüsse waren in dem Block vorhanden und sie beschränkten sich ganz auf den oberen Teil. Diese Einschlüsse hätten mit noch besserer Kontrolle über den Gießvorgang in dem Block vermieden werden können.

Das Verfahren und das Gerät nach der Erfindung können beim Vorschmelzen und beim Umschmelzen von Metallen und Legierungen zum Entfernen von Einschlüssen benutzt wer den. Die vielfältigsten Metalle und Legierungen können durch das Verfahren und das Gerät nach der Erfindung gereinigt wer den, bei Bedarf im Vakuum. Es kann selbstverständlich auch eine andere Tiegel- und Elektronenstrahlkonfiguration zur Durchführung der Erfindung benutzt werden. Außerdem können statt des Tropfenabschmelzens durch Elektronenstrahlbeauf schlagung auch andere Schmelzverfahren benutzt werden, um das Metall- oder Legierungsschmelzbad zu bilden.

Claims

1. Verfahren zum Entfernen von nichtmetallischen Einschlüs sen aus einer Metallcharge, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Schmelzen der Metallcharge, um ein Schmelzbad zu bilden, wobei die Einschlußverunreinigungen in der Charge infol ge von Dichtedifferenzen bestrebt sind, auf der Schmelz badoberfläche zu schwimmen,
b) Richten eines Elektronenstrahls auf einen vorgewählten Teil der Schmelzbadoberfläche, wobei die selektive Be aufschlagung mit dem Elektronenstrahl nicht nur das Schmelzbad in dem schmelzflüssigen Zustand hält, sondern auch bewirkt, daß sich die schwimmenden Einschlußverun reinigungen in übrige, nicht durch den Elektronenstrahl beaufschlagte Oberflächenbereiche absondern, und
c) Entnehmen von reinem schmelzflüssigem Metall aus dem vor gewählten, mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Be reich des Schmelzbades, während die Verunreinigungen in andere, nicht beaufschlagte Schmelzbadoberflächenbereiche abgesondert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallcharge ein Metallblock ist, der abgeschmolzen wird, um ein Schmelzbad zu bilden, indem das Ende des Blockes mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzflüssige Metall von dem Block abtropft und in einem metallischen Tiegel gesammelt wird, der eine zentrale Metalltropfenaufnahmekammer und einen langgestreckten Metall auslaßkanal sowie einen Einschlußauslaßkanal hat, die mit der zentralen Kammer in Verbindung stehen, in welcher sich die schmelzflüssigen Metalltropfen sammeln und das Schmelz bad bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl auf denjenigen Teil der Schmelzbadober fläche gerichtet wird, welcher sich neben dem Metallauslaß kanal befindet, so daß die Verunreinigungen in denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche abgesondert werden, der sich neben dem Einschlußauslaßkanal befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das reine schmelzflüssige Metall aus dem Tiegel über den Metallauslaßkanal durch Überlaufen entnommen wird, wenn sich die zentrale Kammer mit dem schmelzflüssigen Metall füllt.

6. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:

a) einen Tiegel (14) mit einer zentralen Metallaufnahme kammer (16) und einem Metallauslaßkanal (18), der mit der Kammer in Verbindung steht,
b) eine Vorrichtung (2, 10) zum Schmelzen der Metallcharge (4) und zum Bilden eines Schmelzbades (7) in der Metallaufnahme kammer des Tiegels, wobei Einschlußverunreinigungen infol ge von Dichtedifferenzen dazu neigen, an die Schmelzbadober fläche zu schwimmen,
c) ein Elektronenstrahlerzeugersystem (24), welches einen Elektronenstrahl (22) auf denjenigen Teil der Schmelzbad oberfläche richtet, welcher sich neben dem Metallauslaßkanal (18) befindet, wobei die selektive Elektronenstrahlbeauf schlagung nicht nur das Schmelzbad in dem schmelzflüssigen Zustand hält, sondern auch bewirkt, daß sich die schwimmen den Verunreinigungen in die übrigen Oberflächenteile abson dern, welche von dem Auslaßkanal (18) entfernt sind, und
d) eine Vorrichtung (30) zum Aufnehmen des reinen schmelz flüssigen Metalls, wenn dieses über den Kanal (18) abgege ben wird, während durch den Elektronenstrahl die Verunrei nigungen auf diejenigen Oberflächenteile des Schmelzbades beschränkt bleiben, welche von dem Auslaßkanal (18) ent fernt sind.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) außerdem einen Einschlußauslaßkanal (20) auf weist, der mit der Metallaufnahmekammer (16) in Verbindung steht, wobei die Tiefe des Einschlußauslaßkanals (20) ge ringer ist als die des Metallauslaßkanals (18), so daß das reine schmelzflüssige Metall nur aus dem Metallauslaßkanal austritt, wenn der Tiegel mit schmelzflüssigem Metall ge füllt wird.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) ein gekühlter Kupfertiegel ist, so daß eine Schale zwischen dem Tiegel und dem Schmelzbad (7) ge bildet wird.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schmelzvorrichtung (2, 10) oberhalb der Metallaufnahmekammer (16) des Tiegels (14) angeordnet ist und eine Blockvorschubvorrichtung (2) und ein Elektronen strahlerzeugersystem (10) aufweist, das einen Elektronen strahl auf den Block (4) richtet, um diesen zu schmelzen, wobei die schmelzflüssigen Tropfen in die Aufnahmekammer des Tiegels fallen, wenn der Block dem Elektronenstrahl zum Schmelzen zugeführt wird.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein weiteres Elektronenstrahlerzeugersystem (28 ), das einen Elektronenstrahl (26) auf das reine schmelzflüssige Metall in dem Metallauslaßkanal (18) richtet, um eine End temperaturkontrolle des schmelzflüssigen Metalls vorzunehmen.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (30) für das reine schmelzflüssige Metall, das aus dem Tiegel (14) abgegeben wird, eine Form ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (30) für das reine schmelzflüssige Metall, das aus dem Tiegel (14) abgegeben wird, eine Pulverherstellungsvorrichtung ist.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverherstellungsvorrichtung eine rotierende Scheibe ist, auf die das reine schmelzflüssige Metall fällt, wenn es aus dem Tiegel (14) abgegeben wird.