DE2853705A1

DE2853705A1 - Verfahren zum herstellen von metallgegenstaenden mit einer vielzahl von einer nabe abstehender fluegelkoerper

Info

Publication number: DE2853705A1
Application number: DE19782853705
Authority: DE
Inventors: William Stephen Blazek
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1977-12-14
Filing date: 1978-12-13
Publication date: 1979-06-28
Also published as: IT7869832A0; IL55955A; CH632434A5; JPS5486431A; CA1117728A; SE433917B; GB2010170B; FR2411659A1; BE872772A; JPS6356021B2; US4195683A; FR2411659B1; IT1108192B; DE2853705C2; GB2010170A; SE7812764L

Description

Redondo Beach, California 90278, V.st.A.

Verfahren zum Herstellen von Metallgegenständen mit einer Vielzahl von einer Nabe abstehender Flügelkörper

Die Erfindung betrifft generell ein Verfahren zum Herstellen eines Flügelkörpers wie Turbinenschaufeln aufweisenden Metallgegenstandes und insbesondere eines Metallgegenstandes mit einem vorgeformten Flügelkörper, der mit einer Nabe bzw. einem Basisteil verbunden ist.

Turbinenantriebsbauteile mit von einer Nabe auswärts abstehenden Flügeln oder Schaufeln wurden bislang mit Hilfe eines Wachsmodells hergestellt, das eine der Form der Flügel oder Schaufeln entsprechende Form hat. Dieses Wachsmodell wird mit einem feuchten überzug aus flüssigem keramischem Formmaterial bedeckt. Nach dem Trocknen des keramischen Formmaterials wird das Wachsmodell entfernt, so daß

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ein Gießhohlraum entsteht, dessen Form der Form des Modells entspricht. Danach wird zur Formung der Nabe und der Schaufeln eine Metallschmelze in den Formhohlraum gegossen. Dieses bekannte Verfahren zur Herstellung von Turbinenantriebsbauteilen ist in der US-PS 3 669 177 offenbart.

Bei der Herstellung von Turbinenantriebsteilen in der zuvor beschriebenen Weise werden die Turbinenschaufeln und die Nabe zur gleichen Zeit einstückig aus dem gleichen Metall gegossen. Zur Erreichung der Vorteile, die sich aus der unabhängigen Herstellung der Schaufeln von der Nabe ergeben, sind bereits Bimetall-Gießverfahren vorgeschlagen worden. Bei diesen Bimetall-Gießverfahren wird ein vorgeformter Metallteil in einem Formhohlraum positioniert, in den danach eine Metallschmelze eingegossen wird. Ein bekanntes Bimetall Gießverfahren ist in der US-PS 4 008 052 offenbart. Dieses bekannte Verfahren erfordert eine Herstellung der Gießform unabhängig von der Turbinenschaufel bzw. anderen Vorformlingen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades ist in der US-PS 1 005 736 offenbart. Bei diesem Gießverfahren wird eine Vielzahl von Laufschaufeln in einer kreisförmigen Gruppierung in einer Sandform angeordnet. Der Sand wird dabei um die Schaufeln herum gepackt und in einem Ofen getrocknet. Mit dem getrockneten Kern wird dann ein Sandformmantel und ein Formkasten verbunden, die eine der Nabe des Turbinenrades entsprechende Form haben- Dazu ist festzustellen, daß das Verfahren nach dieser Patentschrift ein verhältnismäßig schwieriges Sandformverfahren ist und sich nicht zur Verwendung mit keramischen Formen eignet.

Eines der Probleme, die sich bei der Herstellung eines doppelt gegossenen Erzeugnisses mit einer keramischen Form ergeben, besteht darin, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der keramischen Formmaterials sich von dem Wärmeausdehnungs-

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koeffizienten des Metall-Vorformlings wesentlich unterscheidet. Wenn daher eine keramische Form um einen Metall-Vorformling in einer Weise ausgebildet wird, wie dies bei dem Herumpacken von Sand um den Metall-Vorformling nach dem Verfahren gemäß der US-PS 1 005 736 der Fall ist, würde das verhältnismäßig hohe Wärmeausdehnungsmaß des Metall-Vorformlings zu einer Beschädigung der Form führen, wenn diese zusammen mit dem Vorformling vor dem Gießen eines Erzeugnisses vorgewärmt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Formung eines Metallgegenstandes mit einem oder mehreren Flügeln bzw. Schaufeln, die mit einem Basisteil oder einer Nabe verbunden sind. Wenn das Verfahren zum Gießen eines Gegenstandes mit mehreren von einer Nabe auswärts abstehenden Flügeln oder Schaufeln verwendet werden soll, werden Bereiche der getrennt ausgebildet Metall-Flügelkörper mit einem dünnen Wachsüberzug versehen. Die Flügelkörper werden dann in einem Kreis angeordnet und mit einem feuchten Überzug aus keramischen Formmaterial bedeckt. Das keramische Formmaterial trocknet unter Bildung eines ringförmigen Formwandabschnittes mit Aussparungen, die eine der Form der Flügelkörper entsprechende Form haben. Der Wachsüberzug wird dann beim Brennen des keramischen Formmaterials aus den Aussparungen entfernt. Beim Abkühlen führt dies zu der Ausbildung eines Zwischenraums zwischen den Flügelkörpern und den Seitenwänden der Formaussparungen, in denen die Flügelkörper angeordnet sind. Der Formaufbau wird dann durch die Verbindung der oberen und unteren Formwandabschnitte mit dem ringförmigen Formwandabschnitt vervollständigt, der die Flügelkörper bzw. Schaufeln enthält.

Vor dem Eingießen einer Metallschmelze in den Formaufbau wird dieser auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur vorerhitzt. Wenn der Formaufbau und die metallenen Flügelkörper erhitzt werden, dehnen sich die letzteren stärker aus als das diese umgebende keramische Formmaterial. Aufgrund ihres

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höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten füllen die metallenen Flügelkörper die Aussparungen, in denen sie angeordnet sind, vollständig aus, wenn der Formaufbau vor dem Gießvorgang vorgewärmt ist. Die vorliegende Erfindung ist zwar vorteilhaft zum Gießen eines Gegenstandes brauchbar, der eine Vielzahl von einer Nabe auswärts abstehende Flügelkörper wie Schaufeln aufweist, jedoch kann die Erfindung auch zur Herstellung anderer Arten von Gegenständen benutzt werden.

Demgemäß ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung eines neuen, verbesserten Verfahrens zum Herstellen eines Gegenstandes aus Metall mit einer Vielzahl von einer Nabe auswärts abstehender Flügelkörper wie Schaufeln, wobei eine kreisförmige Gruppierung der Flügelkörper mit einem feuchten überzug aus flüssigem keramischen Formmaterial versehen, der feuchte überzug des keramischen Formmaterials zur Bildung einer Formwand getrocknet wird, die eine kreisförmige Gruppe von Ausnehmungen mit darin angeordneten metallenen Flügelkörpern aufweist/ und dann eine Metallschmelze in einen Formhohlraum zur Herstellung einer Nabe gegossen wird, die die kreisförmige Gruppe der metallenen Flügelkörper miteinander verbindet.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen, verbesserten Verfahrens zur Herstellung eines Metallgegenstandes , bei dem ein metallener Flügelkörper hergestellt und wenigstens teilweise mit einem Wachsüberzug versehen, dann der Wachsüberzug wenigstens teilweise mit einem feuchten überzug aus keramischen Formmaterial versehen wird, anschließend der feuchte überzug aus keramischen Formmaterial zur Bildung einer Ausnehmung mit einer den metallenen Flügelkörper entsprechenden Gestalt getrocknet wird, dann durch die Entfernung des Wachses aus der den metallenen Flügelkörper enthaltenen Aussparung ein Zwischenraum geschaffen wird, weiterhin der Flügelkörper durch

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Erwärmung in den Freiraum der Aussparung ausgedehnt und schließlich eine Metallschmelze in einen Formhohlraum eingegossen wird, während der Flügelkörper in der Aussparung durch die Wärmedehnung ausgedehnt ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines Turbinenantriebsbauteils mit einer Vielzahl von einer Nabe auswärts abstehender Turbinenschaufeln,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Teils eines Formaufbaus zum Gießen des in Fig. 1 dargestellten Turbinenantriebsteils ,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt eines Teils des in Fig. 2 dargestellten Formaufbaus, aus der die Beziehung zwischen einer Metallschaufel und einer Ausnehmung dargestellt ist, in der ein Schaufelabschnitt angeordnet ist,

Fig. 4 einen Schnitt mit Darstellung der Art und Weise, in der eine Metallschaufel in einem Formhohlraum gehalten ist, während Wachs um den Fuß- bzw. Wurzelbereich der Metallschaufel herum eingeführt wird,

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt, der die Beziehung zwischen dem Wachs um den Fußbereich der Schaufel in dem in Fig. 4 dargestellten Formhohlraum und einem verhältnismäßig dünnen Wachsüberzug darstellt, der nachfolgend auf dem eigentlichen Schaufelbereich aufgebracht wird, und

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Fig. 6 eine Teilschnittdarstellung, die zeigt, auf welche Weise der ,wachsbedeckte Fußabschnitt der Schaufel gehalten wird, während die Schaufel mit einem feuchten Überzug aus keramischem Formmaterial bedeckt wird.

Ein Turbinentriebwerksteil 10 (Fig. 1) umfaßt generell eine kreisrunde Nabe 12 und eine Vielzahl radial auswärts abstehender Turbinenschaufeln 1-4. Die Turbinenschaufeln 14 und die Nabe sind vorteilhafterweise aus verschiedenen Metallen hergestellt. So bestanden bei einem speziellen Ausführungsbeispiel die Turbinenschaufeln aus NiTaC-13-Metall, während die Nabe 12 aus IN-792-Metall bestand. Zusätzlich waren die Turbinenschaufeln vorteilhafterweise durch ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren hergestellt und elektrolytisch poliert. Es versteht sich, daß die Nabe und die Schaufeln, falls erwünscht, auch aus anderen Metallen und auf andere Art hergestellt werden können. So können die Turbinenschaufeln 14 beispielsweise gegebenenfalls in einem Gießverfahren mit gerichteter Erstarrung hergestellt werden.

Bei der Herstellung des Turbinentriebwerkteils 10 wird die Nabe 12 vorteilhafterweise um die Fußendabschnitte 20 (siehe Fig.2 und 3) der Turbinenschaufeln 14 herum gegossen, wozu ein Formaufbau 22 (siehe Fig. 2) verwendet wird. Der Formaufbau 22 umfaßt einen keramischen, ringförmigen Wandteil 24, in dem eine Vielzahl in kreisförmiger Gruppierung angeordnete Aussparungen 26 vorhanden sind. In jeder der Aussparungen des Wandteils 24 ist eine vorgeforinte Metall-Turbinenschaufel 14 angeordnet.

Zur Schaffung eines im wesentlichen kreisrunden Formhohlraums, in dem die Nabe 12 des Turbinentriebwerkteils 10 um die Fußbereiche 20 der Schaufeln 14 herum gegossen werden kann, umfaßt der Formaufbau 22 einen kreisrunden Bodenwand Loi1 30, der mit einem kreisrunden Flansch 32 dos Formwandteils 24

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durch ein geeignetes Bindemittel 3 4 verbunden ist. Zusätzlich ist ein Aufsatz bzw. ein oberer Formteil 38 mit einem oberen Flansch 40 des Formwand teils 24 durch einen kreisrunden Bindemittelkörper 4 2 verbunden. Der obere und der untere Formteil 3 8 und 30 bilden zusammen mit dem Formwandteil 24 einen Formhohlraum 46, in den die Fußenden einer Vielzahl von Schaufeln 14 aus Metall hineinragen. In den Formhohlraum 46 wird eine Metallschmelze eingegossen, die diesen ausfüllt und die Fußendbereiche der Schaufeln 14 verbindet.

Die metallenen Schaufeln 14 haben ein höheres Wärmedehnungsmaß als das keramische Formmaterial, das den Wandteil 24 bildet. Zur Anpassung der Ausdehnung der metallenen Schaufeln 14 ist zwischen diesen und den Oberflächen der sie aufnehmenden Aussparungen 26 ein Zwischenraum vorhanden, so lange der Formwandteil 24 und die Schaufeln Raumtemperatur haben. Wenn der Formwandteil 24 und die Schaufeln 14 vor dem Gießen auf eine Temperatur von etwa 9 80° bis 1040° C (1800 bis 1900° F) vorgeheizt werden, dehnen sich die Schaufeln so weit aus, daß sie die Aussparungen 26 in der in Fig. 3 dargestellten Weise vollständig ausfüllen. Beim Fehlen des Ausdehnungsfreiraums für die einzelnen Schaufeln 14 kann die durch die Wärmedehnung eintretende Belastung zu einem Bruch des relativ spröden keramischen Formmaterial führen, aus dem der Wandteil 24 besteht. Der Freiraum zwischen den einzelnen Schaufeln 14 und den Seitenwänden der Aussparungen 26 bei Raumtemperatur ist so bemessen, daß die Schaufeln durch die Wärmedehnung in enge Anlage an die Oberflächen der Aussparungen 26 kommen und die Aussparungen in der in Fig. 3 dargestellten Weise vollständig ausfüllen, wenn sowohl die Schaufeln 14 als auch der Formwandteil 24 vorgewärmt sind.

Es ist vorgesehen, daß der Formwandteil 24 umherbewegt wird, wenn die Schaufeln 14 und der Formwandteil Raumtemperatur haben. Während dieser Handhabung des Formwand teils 24 ist es wünschenswert, daß jede dor Schaufeln 14 in der zugehörigen

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Aussparung 26 verbleibt. Es ist außerdem wünschenswert, daß die losen Schaufeln 14 so in ihren Aussparungen 26 positioniert sind/ daß jede der Schaufeln nach dem Vorheizen zusammen mit dem Formwandteil 24 eine vorgegebene Ausrichtung gegenüber der zugehörigen Aussparung hat, wobei ein Kopfendteil 50 in der Schaufel 14 an eine Stirnfläche 52 der Aussparung 26 anstößt.

Um die Schaufeln 14 in den Aussparungen 26 feszuhalten und bei Raumtemperatur gegenüber den Aussparungen einwandfrei zu orientieren, sind die identischen Schaufeln jeweils mit mehreren VorSprüngen versehen, die sich dem Wandteil 24 anlegen und die Schaufeln in der vorgesehenen Lage halten. So hat jede der Schaufeln 14 einen (entsprechend der Darstellung in Fig. 3) aufwärtsstehenden Haken bzw. Vorsprung 56, der in einen entsprechend gestalteten Bereich der Aussparung 26 eingreift. Der Vorsprung 56 hält die Schaufel gegen eine radiale Einwärtsbewegung (d.h. gemäß der Darstellung in Fig. 3 eine Bewegung nach links) fest, so lange die lose Schaufel 14 und der Formwandteil 24 Raumtemperatur haben. Entsprechend greift ein radial abstehender Vorsprung bzw. eine radial abstehende Naäe 60, die am Kopfende 50 der Schaufel 14 ausgebildet ist, in einen entsprechend gestalteten Vorsprungsteil der Aussparung 26 ein, wodurch die Schaufel in Vertikalrichtung (gemäß der Darstellung in Fig. 3) in der Aussparung positioniert wird. Durch den Eintritt der VorSprünge 56 und 60 der Schaufel 14 mit dem Formwandteil 24 wird die lose Schaufel 14 in der Aussparung 26 in einer solchen Position gehalten, daß ihre Erwärmung zu einer Wärmedehnung führt, durch die die Aussparung in der in Fig. 3 dargestellten Weise ausgefüllt wird.

Nach einem Merkmal der Erfindung werden die identischen Metallturbinenschaufeln 14 während der Herstellung der keramischen Formwandteils als Teil eines Modells verwendet. Um die Turbinenschaufeln 14 als Modelle verwenden zu können, werden

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deren Fußendabschnitte 20 zunächst in der in Fig. 4 dargestellten Weise mit Wachs bedeckt. Danach werden die Schaufelabschnitte 64 der Schaufeln in heißes Wachs eingetaucht, wodurch auf diesen ein dünner Überzug entsteht.

Die mit Wachs überzogenen Turbinenschaufeln 14 werden dann in kreisförmiger Anordnung in der in Fig. 6 dargestellten Weise in einer Tauchbefestigung gehalten, während sie in flüssiges keramisches Formmaterial eingetaucht werden. Der dabei entstehende feuchte überzug aus keramischem Formmaterial, der den Schaufeln aufliegt, wird dann getrocknet. Der Wachsüberzug über den Schaufelbereichen 64 und den Fußteilen 20 der Turbinenschaufeln wird dann aufgeschmolzen und von dem Formwandteil 24 entfernt, wenn dieser durch Beheizung bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur aushärtet. Der entstehende ringförmige Formwandteil 24 mit den von ihren zugehörigen Aussparungen 26 radial einwärtsstehenden Turbinenschaufeln 14 kann dann mit dem oberen und dem unteren Formteil 38 und 30 in der zuvor erläuterten Weise verbunden werden.

Zur Herstellung des Wachsüberzugs über dem Fußteil 20 der Schaufel 14 wird diese in einer Form 68 (siehe Fig. 4) positioniert. Die Metallform 68 besitzt einen Hohlraum 70 mit einem aufwärtsgerichteten Bereich, in dem der Hakenteil 56 der Schaufel 14 aufgenommen wird. Entsprechend weist der Hohlraum 70 auch einen (gemäß der Darstellung in Fig. 4) nach rechts vorstehenden Bereich auf, der den Nasenteil 60 der Schaufel 14 aufnimmt. Ein Paar Positionierungsglieder 74 und 76 greift in Kerben 78 und 80 ein, die im Fußendabschnitt 20 der Schaufel 14 ausgebildet sind, damit eine einwandfreie Lageanordnung der Schaufel in dem Hohlraum 70 erfolgt.

Ein Gummisitz bzw. eine Gummidichtung 84 umgibt den eigentlichen Schaufelbereich 64 der Turbinenschaufel 14 und erfaßt

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diesen fest, um so einen Fußbereich 86 des Hohlraums 70 gegenüber dem Teil des Hohlraums abzudichten, in dem der Schaufelbereich 64 angeordnet ist. Danach wird heißes Wachs unter Druck in den Fußbereich 86 des Schaufelhohlraums 70 eingeführt. Dieses heiße Wachs bildet einen überzug 90 über den Fußendabschnitt 20 der Turbinenschaufel 14.

Der Wachsüberzug 90 über dem Fuß der Turbinenschaufel 14 weist ein Paar genau positionierter zylindrischer Knöpfe bzw. Warzen 92 und 94 auf, die von entgegengesetzten Seiten der Turbinenschaufel 14 nach außen abstehen. Die Wachsvorsprunge oder Warzen 92 und 94 sind in ihrer Lage in Bezug auf die Turbinenschaufel 14 genau angeordnet und werden nachfolgend zur Positionierung der Schaufel in der Eintauchbefestigung gemäß Fig. 6 verwendet. Zusätzlich zu den Positionierungswarzen 92 und 9 4 (Fig. 4) umfaßt der Wachsüberzug 90 einen Hauptabschnitt 98, der eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke hat und den Fußteil 20 der Turbinenschaufel 14 vollständig umschließt. Es ist hinzuzufügen, daß der Wachsüberzug 90 entweder aus einem natürlich vorkommenden Wachs oder aus einem synthetischen Polymermaterial wie PoIystyren hergestellt werden kann und daß hier unter dem Begriff Wachs sowohl natürliche Wachse als auch synthetische Wachse vieler verschiedener Zusammensetzungen zu verstehen sind. Nachdem der Wachsüberzug 90 um den Fußendteil 20 der Turbinenschaufel 14 sich verfestigt hat, wird diese aus der Form 68 entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist nur der Fußendteil 20 der Turbinenschaufel mit Wachs überzogen, während die Metalloberfläche des eigentlichen Schaufelteils 64 freiliegt.

Zum Ausgleich der Wärmedehnung des Schaufelteils 64 der Turbinenschaufel 14 in der Formaussparung 26 (Fig. 3) wird dieser durch Eintauchen in einen Körper aus heißem, flüssigem Wachs mit einem dünnen Wachsüberzug versehen. Dies führt zu einem verhältnismäßig dünnen Überzug 104 (siehe Fig. 5) über

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dem Schaufelteil 64 der Turbinenschaufel 14. Bei einer speziellen Ausführung hatte der dünne Wachsüberzug 104 eine Dicke von etwa 0,076 mm (0.003 inches). Der dünne Wachsüberzug 104 erstreckt sich und verbindet sich mit dem Wachsüberzug 90, der auf dem Fußteil 20 der Turbinenschaufel 14 in der Form 68 (siehe Fig. 4) aufgetragen worden ist. Nachdem der Schaufelteil 64 zur Bildung des dünnen Überzugs 104 eingetaucht ist, ist somit die Turbinenschaufel 14 beinahe vollständig mit Wachs bedeckt.

Nachdem eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 14 in der zuvor erläuterten Weise mit Wachs überzogen ist, werden diese in einer kreisförmigen Gruppierung in einer Tauchbefestigung 110 (siehe Fig. 4) angeordnet. Die Tauchbefestigung 110 wird zur Halterung der Schaufeln 14 verwendet, während diese in eine Aufschlämmung aus keramischem Formmaterial zur Ausbildung eines feuchten keramischen Formmaterial-Überzuges über dem Schaufelteil 64 der Turbinenschaufeln eingetaucht werden. Dieser keramische überzug wird zur Ausbildung des ringförmigen Formwandteils 24 (siehe Fig. 2) getrocknet und gebrannt.

Die Tauchbefestigung 110 umfaßt ein Paar kreisrunder Aluminiumscheiben 112 und 114, die durch ein Distanzteil 116 aus Aluminium (siehe Fig. 6) voneinander getrennt sind. Die Scheiben 112 und 114 sind mit zylindrischen Löchern 120 und 122 versehen, die in kreisförmiger Gruppierung in der Nähe der ümfangsseitenflachen der Scheiben angeordnet sind. Die Löcher 120 und 122 in den Scheiben sind zur Aufnahme der Wachsknöpfe bzw. -warzen 92 und 94 exakt positioniert, welche in den Wachskörpern 90 im Fußendbereich 20 der Turbinenschaufel 14 ausgebildet sind. Die Löcher werden zur exakten Positionierung der Turbinenschaufeln 14 untereinander verwendet. Die um den Fußendteil· 20 der Turbinenschaufein ausgebildeten Wachskörper 90 sind dabei so bemessen, daß sie in Anlage,aneinander kommen, wenn die Turbinenschaufeln 14 in einer kreisförmigen Anordnung um den Umfang der Scheiben 112 und 114 herum angeordnet

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werden.

Wenn die Turbinenschaufeln 14 in einer kreisförmigen Anordnung um den Umfang der Scheiben 112 und 114 herum angeordnet sind/ wird ein Paar ringförmiger Wachskörper 126 und 128 durch Spritzformung um die Wachskörper 90 herum geformt, wobei sie die Fußendbereiche 20 der Turbinenschaufeln 14 umschließen. Die ringförmigen Wachskörper 126 und 128 übergreifen die Endflächenbereiche 130 und 132 der Scheiben 112 und 114.

Zur Ausbildung des kreisförmigen Formwandteils 24 (siehe Fig. 2 und 3) wird die Tauchbefestigung 110 in eine Aufscglämmung aus flüssigem keramischem Formmaterial eingetaucht. Obgleich viele verschiedene Arten von Aufschlämmungen aus keramischem Formmaterial verwendet werden können, sei beispielsweise erwähnt, daß die Aufschlämmung erschmolzene Kieselsäure, Zirkon und andere feuerfeste Materialien in Kombination mit Bindemi ttelns enthalten kann. Chemische Bindemittel wie Äthylsilikat, Natriumsilikat und kolloidale Kieselsäure können hierbei verwendet werden. Zusätzlich kann die Aufschlämmung auch geeignete Filmbildner wie Alginate enthalten, durch die die Viskosität gesteuert wird, sowie Benetzungsmittel zur Steuerung der Fließeigenschaften und der Modellbenetzbarkeit.

Der zu Anfang auf das Modell.aufgetragene Aufschiämmungsüberzug enthält in üblicher Weise fein zerteiltes feuerfestes Material zur Herstellung einer sorgfältigen Oberflächenglättung. Eine typische Aufschlämmung für einen ersten Überzug kann etwa

29 % kolloidale Kieselsäure-Suspension in Form eines 20 %igen bis

30 %igen Konzentrates enthalten. Erschmolzene Kieselsäure mit einer Teilchengröße von 325 mesh oder kleiner in einer Menge von 71 % kann zusammen mit weniger als 1 bis 10 Gewichtsprozent eines Netzmittels verwendet werden. Das spezifische Gewicht der Aufschlämmung des keramischen Formmaterials kann generell im Bereich von 1,75 bis 1,80 liegen, wobei die Viskosi-

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tat 40 bis 60 sec, gemessen mit einer Zahn-Tasse Nr. 5 bei 24 bis 29,5° C (75 bis 85° F) beträgt. Nach dem Auftrag des Anfangsüberzugs wird die Oberfläche mit feuerfesten Materialien überschichtet, die eine Teilchengröße von 60 bis 200 mesh haben.

Zwischen jedem der Tauchüberzüge werden ringförmige Oberflächenbereiche 138 und 140 auf den Wachsmaterialkörpern 126 und 128 (siehe Fig. 6) abgestreift, um das feuchte keramische Formmaterial von diesen Flächen zu entfernen. Dies ergibt ein Paar ringförmiger Unterbrechungen in dem feuchten keramischen überzug, das die Formfesthaltung 110 überzieht. Die Unterbrechungen trennen den feuchten keramischen Mantel in drei generelle Bereiche, d.h. in einen Mittel- oder Hauptbereich, der die Turbinenschaufeln 14 bedeckt, und ein Paar kreisförmiger Endbereiche, das die kreisförmigen Hauptseitenflächen 142 und 144 der Aluminiumscheiben 112 und 114 bedeckt. Wenn der Mantel aus keramischen Formmaterial nachfolgend getrocknet ist, werden die Teile des Mantels, die die seitlichen Oberflächen 142 und 144 der Aluminiumscheiben 112 und 114 überdecken, entfernt, wodurch der die Turbinenschaufeln 14 überdeckende Mittelbereich zu dem ringförmigen Formwandteil 24 wird.

Nachdem ein Mantel oder Überzug aus dem keramischen Formmaterial in der gewünschten Dicke über den Turbinenschaufel 14 aufgebaut ist, wird dieser getrocknet und dann bei etwa bei 1040° C (1900° F) eine Stunde lang gebrannt, damit die Formteile sorgfältig aushärten. Es ist dazu darauf hinzuweisen, daß bei den verhältnismäßig niedrigen Temperaturen in der Anfangsphase des Brennens das die Turbinenschaufeln umgebende Wachs schmilzt und aus den Aussparungen 26, die die eigentlichen Schaufelabschnitte 64 der Turbinenschaufeln enthalten, abgezogen wird. Dies führt zur Bildung eines Freiraums zwischen dem eigentlichen Schaufelteil der Turbinenschaufeln und den inneren Seitenflächen der Aussparungen.

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Sobald der die Turbinenschaufeln 14 bedeckende Überzug durch den Brennvorgang gehärtet und das Wachs abgezogen ist, ist der Formteil 24 zur Verbindung mit dem oberen und dem unteren Teil 38 bzw. 30 des Formaufbaus 32 bereit (siehe Fig. 2). Die Art, in der die Formteile miteinander verbunden sind, entspricht der in der DE-OS 27 02 293 offenbarten Art. Die Art und Weise der Verbindung dieser Formteile soll deshalb hier nicht weiter beschrieben werden.

Die Herstellung des Gegenstandes 10 wird dadurch abgeschlossen, daß eine Metallschmelze in den Formhohlraum 46 gegossen wird. Diese Metallschmelze fließt um den Fuß- bzw. Wurzelteil 20 jeder der in den Aussparungen 26 angeordneten Turbinenschaufeln 14 in die kreisförmige Formwand 24 zur Verbindung der Turbinenschaufeln. Sobald die Metallschmelze in dem Formhohlraum 46 unter Bildung der Nabe 12 erstarrt ist, wird der Formaufbau 22 von dem Gußteil abgebrochen, das dann geeigneten Endbearbeitungsvorgängen unterzogen wird.

Die vorangehenden Ausführungen machen deutlich, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstands 10 schafft, bei dem ein oder mehrere Flügelkörper wie Turbinenschaufeln 14 mit einem Basisteil bzw. einer Nabe 12 verbunden sind. Wenn das Verfahren zum Gießen eines Gegenstandes mit einer Vielzahl von Flügelkörpern wie Turbinenschaufeln 14 verwendet werden soll, die von einer Nabe 12 auswärts abstehen, werden die Schaufelabschnitte 64 der voneinander unabhängigen Metall-Turbinenschaufeln 14 mit einem dünnen Wachsüberzug 104 bedeckt. Die Flügelkörper bzw. Turbinenschaufeln 14 werden dann in einem Kreis angeordnet und mit einem feuchten Überzug aus keramischem Formmaterial versehen. Das keramische Formmaterial trocknet dann und bildet einen ringförmigem Formwandteil 24 mit Aussparungen 26, deren Form der Form der Flügelkörper der Turbinenschaufeln 14 entspricht. Der Wachsüberzug 1Ό4 wird dann von den Aussparungen 26 beim Brennen des keramischen Form-

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materials entfernt. Beim Abkühlen führt dies zur Bildung eines Freiraums zwischen den Turbinenschaufeln 14 und den Seitenwänden der Formaussparungen 26, in denen die Turbinenschaufeln angeordnet sind. Der Formaufbau 22 wird dann durch die Verbindung oberer und unterer Formwandteile 38 und 30 mit dem ringförmigen Formwandteil 24 vervollständigt, der die Flügelkörper bzw. Turbinenschaufeln 14 enthält.

Vor dem Gießen der Metallschmelze in den Formaufbau 22 wird dieser auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur vorgewärmt. Wenn der Formaufbau 22 und die aus Metall bestehenden Turbinenschaufeln 14 erwärmt werden, dehnen sich die letzteren in einem größeren Maße aus als das sie bedeckende keramische Formmaterial. Aufgrund des größeren Wärmedehnungskoeffizienten füllen die aus Metall bestehenden Turbinenschaufeln 14 die Aussparungen 26, in denen sie angeordnet sind, nach dem Vorwärmen des Formaufbaus vor dem Gießvorgang vollständig aus. Wenn die vorliegende Erfindung auch vorteilhaft zum Gießen eines Gegenstandes 10 mit einer Vielzahl von Flügelkörpern wie Turbinenschaufeln 14 verwendbar ist, die von einer Nabe 12 auswärts abstehen, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Arten von Gegenständen herstellen.

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Claims

12.Dezember 1978

Unser Zeichen;T 3193

TRW Ine.

One Space Park

Redondo Beach, California 90278 , V.St.A«

Ansprüche ;

1. Verfahren zum Herstellen von Metallgegenständen mit einer Vielzahl von einer Nabe auswärts abstehender Flügelkörper, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Flügelkörpern aus Metall hergestellt und in einer kreisförmigen Gruppierung angeordnet wird, daß die kreisförmige Gruppierung der aus Metall bestehenden Flügelkörper wenigstens teilweise mit einem feuchten Mantel aus flüssigem keramischem Formmaterial überzogen wird, welcher dann wenigstens teilweise getrocknet wird, um wenigstens teilweise einen Formhohlraum auszubilden, der einen der Nabenform des Gegenstandes entsprechend geformten Mittelteil und eine kreisförmige Gruppierung von Aussparungen aufweist, die von dem Mittelteil des Formhohlraums auswärts abstehen, daß jede der Aussparungen wenigstens einen Teil

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ORIGINAL INSPECTED

eines der Flügelkörper aufnimmt und dabei eine der Form des metallenen Flügelkörpers entsprechende Gestalt hat, und daß eine Metallschmelze in den Formhohlraum mit den in den Aussparungen befindlichen Flügelkörpern gegossen wird/ um eine die kreisförmige Anordnung der Metall-Flügelkörper verbindende Nabe auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die kreisförmige Anordnung der
Flügelkörper mit einem Mantel aus flüssigem, keramischem Formmaterial bei einer ersten Flügelkörper-Temperatur
überzogen wird, daß dann jeder Metall-Flügelkörper vor
dem Eingießen der Metallschmelze auf eine Temperatur
erwärmt wird, die höher liegt als die erste Temperatur, daß die Erwärmung der Metall-Flügelkörper erfolgt, wenn diese sich in ihrer zugehörigen Aussparung befinden und ihnen eine thermische Ausdehnung ermöglicht wird, daß
jeder der Metall-Flügelkörper v/enigstens teilweise mit
einer Materialschicht überzogen wird, bevor er in der
kreisförmigen Gruppierung mit einem feuchten Überzug
aus flüssigem, keramischen Formmaterial versehen wird und daß die Materialschicht von den Metall-Flügelkörpern entfernt wird, bevor sie erwärmt werden, wodurch in jeder
der Aussparungen ein Freiraum hergestellt wird, der die Wärmedehnung der Flügelkörper während der Erwärmung aufnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Trocknen des feuchten Überzuges aus keramischem Formmaterial ein erster Formwandteil ausgebildet wird, in dem die kreisförmige Gruppierung der Metall-Flügelkörper angeordnet wird und daß
weiterhin ein zweiter Formwandteil mit dem ersten Formwandteil bei in den Aussparungen verbleibenden Metall-Flügelkörpern verbunden wird, um den Mittelbereich des
Formhohlraums zu bilden.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Aussparungen eine Stirnfläche aufweist und jeder der Metall-Flügelkörper einen Kopfendabschnitt und einen Fußendabschnitt aufweist, daß jeder der Kopfendabschnitte der Metall-Flügelkörper in Anlage an die Stirnfläche einer Aussparung gebracht wird und daß die Fußendabschnitte der Flügelkörper zu dem Mittelbereich des Formhohlraums hin während des Eingießens der Metallschmelze frei liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Flügelkörper einen Fußteil und einen Schaufelteil aufweist und daß der Fußteil eines jeden Flüsgelkörpers wenigstens teilweise mit Wachs überzogen wird, wobei beim überziehen des Fußteils des Flügelkörpers mit Wachs Positinierungsflachen gebildet werden, die exakt in Bezug auf die Schaufelteile der Flügelkörper angeordnet sind, daß bei der Anordnung der Flügelkörper in einer kreisförmigen Gruppierung diese durch das Zusammenwirken der Positionierungsflächen exakt zueinanderliegend angeordnet werden, daß die Flügelkörper während des ÜberZiehens der kreisförmigen Gruppierung mit einem feuchten Mantel aus keramischem Formmaterial durch die Anlage der auf den Wachsüberzügen der Fußteile ausgebildeten Positionierungsflächen gegen eine,Relativbewegung festgehalten . werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die kreisförmige Gruppierung der Metall-Flügelkörper zum Überziehen mit einem feuchten Mantel in eine Masse aus flüssigem, keramischem Material eingetaucht wird.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Metall-Flügelkörper einen Fußendabschnitt und einen Schaufelendabschnitt hat und daß in Axialrichtung entgegengesetzt liegende Seiten der kreisförmig angeordneten Gfcuppe der Metallflügel zwischen einem Paar kreisförmiger Halteglieder gehalten sind, die über den Fußendabschnitten der Flügelkörper liegen, während die Schaufelendabschnitte der Flügelkörper von den Haltegliedern auswärts abstehen, daß ferner beim Überziehen der kreisförmigen Gruppierung der Flügelkörper mit einem feuchten Mantel aus flüssigem, keramischem Formmaterial die Halteglieder und die Schaufelabschnitte der Flügelkörper wenigstens teilweise mit einem feuchten Überzug aus keramischem Formmaterial bedeckt werden, daß weiterhin in dem feuchten Überzug aus keramischem Formmaterial über dem ersten Halteglied eine erste Unterbrechung und über dem zweiten Halteglied eine zweite Unterbrechung ausgebildet wird, durch die der Teil des feuchten Überzugs aus keramischem Formmaterial über den Schaufelabschnitten der Flügelkörper von den Teilen des feuchten Überzugs über dem Halteglied getrennt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Metall-Flügelkörper vor dem Eingießen der Metallschmelze in die Form von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur erwärmt wird unddaß er nach dem Trocknen des feuchten Überzugs aus flüssigem, keramischem Formmaterial bei der ersten Temperatur kleiner ist als die Aussparung, in der er angeordnet ist, während beim Erwärmen der Metall-Flügelkörper von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur eine Wärmedehnung auftritt, durch die die Flügelkörper die Aussparungen, in denen sie angeordnet sind, wenigstens im wesentli-

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chen ausfüllen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet , daß ein Metall-Flügelkörper hergestellt und dann wenigstens teilweise mit einem Mantel aus einem ersten Material versehen wird, daß der Mantel aus dem ersten Material wenigstens teilweise mit einem feuchten Mantel aus flüssigem, keramischem Formmaterial überzogen wird, daß ein Mantel aus dem feuchten, keramischem Formmaterial wenigstens teilweise getrocknet wird, damit er wenigstens teilweise einen Formhohlraum mit einem der Form eines Teils des Gegenstandes entsprechenden Bereich und eine Aussparung bildet, deren Form der Form des Flügelkörpers mit dem darauf befindlichen Überzug aus dem ersten Material entspricht, daß durch die Entfernung des ersten Materials aus der Aussparung in dieser ein Freiraum geschaffen wird, in den sich der Flügelkörper durch Erwärmung hinein ausdehnt, und daß in den Formhohlraum bei in der Aussparung wärmegedehnten Flügelkörper eine Metallschmelze eingegossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim wenigstens teilweisen Überziehen des Metall-Flügelkörpers mit einem Überzug aus einem ersten Material der Metall-Flügelkörper in eine flüssige Masse des ersten Materials eingetaucht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Flügelkörper einen Fußteil und einen Schaufelteil hat und daß beim Überziehen mit einem ersten Material der Schaufelteil des Flügelkörpers überzogen wircl.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,. dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Be-

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reich des Flügelkörpers nach der Entfernung des ersten Überzugsmaterials in der Aussparung zurückgehalten wird, wobei der getrocknete Überzug des keramischen Formmaterials mit einem in dem Flügelkörper ausgebildeten Vorsprung zusammenwirkt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstandes mit einer Vielzahl von Flügelkörpern wie Turbinenschaufein, die von einer Nabe auswärts abstehen, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Metall-Flügelkörpern hergestellt wird, daß dann eine Form hergestellt wird, die einen Formhohlraum mit einem der Nabenform des herzustellenden Gegenstandes entsprechenden Mittelbereich und eine Vielzahl von Aufnahmeaussparungen für die Flügelkörper aufweist, die von dem Nabenteil auswärts abstehen, daß beim Herstellen der Formwand mit in kreisförmiger Gruppierung angeordneter Aufnahmeaussparungen für die Flügelkörper wenigstens teilweise ein feuchter Mantel aus keramischem Formmaterial getrocknet wird, wobei jede der Flügelkörper-Aufnahmeaussparungen etwas größer als der darin aufgenommene Teil des Flügelkörpers ist, daß eine enge Anlage der Flügelkörper an den Innenflächen der Aussparungen durch eine Erwärmung und eine damit verbundene Wärmedehnung hergestellt wird und daß eine Metallschmelze in den Mittelbereich des Formhohlraums gegossen wird, während die Flügelkörper durch die Wärmedehnung in enger Anlage an den Innenflächen der Aussparungen sind, um eine die Flügelkörper verbindende Nabe zu bilden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß beim tierstellen der Formwand Wachsmodell-Oberflächenbereiche geschaffen werden, die größer sind als wenigstens Teilbereiche der Flügelkörper-Oberflächen und eine deren Form entsprechende Form haben, und daß die Wachsmodell-Oberflächenbereiche mit

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einem feuchten überzug aus keramischem Formmaterial überzogen werden, wobei das keramische Formmaterial getrocknet wird und das Wächsmodell-Material entfernt wird, wodurch die Innenflächenbereiche der Aussparungen größer sind als wenigstens Teilbereiche der Flügelkörper, jedoch eine diesen entsprechende Form haben.

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