DE2933761C2

DE2933761C2 - Verfahren zur Herstellung gerichtet erstarrter Gußstücke

Info

Publication number: DE2933761C2
Application number: DE19792933761
Authority: DE
Inventors: Fritz Seuzach Staub
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1979-08-16
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1984-02-23
Also published as: FR2462951A1; GB2056342B; FR2462951B1; DE2933761A1; CH641985A5; GB2056342A

Description

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überlassen wird, wobei die gerichtete Erstarrung der Schmelze ohne weitere Energiezufuhr dadurch erzwungen wird, daß keramischer Formteil und/oder die ihn umhüllenden Isolationsschichten — wie an sich bekannt — mit in der gewünschten Wachstumsrichtung der Erstarrung zunehmender Wandstärke versehen werden. Mit dem neuen Verfahren ist in dem Vakuumgefäß ein Heizen der Form weder vor dem Abguß noch danach notwendig, da der Formhohlraum durch die überhitzte Schmelze zunächst über die Erstarrungstemperatur erhitzt und zunächst mindestens auf dieser gehalten wird; die durch unterschiedliche Dicken der Formschale und/oder von Isolationsschichten erzwungenen Abkühlungsbedingung^n gewährleisten ein Fortschreiten der Erstarrungsfront in der gewünschten Richtung.

Eine Gießform zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich daher dadurch aus, daß die Wandstärken des keramischen Formteils und/oder des Isolationsmaterials in an sich bekannter Weise in der gewünschten Wachstumsrichtung der Erstarrung zunehmen.

Falls erforderlich können die Wandstärken des keramischen Formteils und/oder der ihn umhüllenden Isolationsschichten so ausgestaltet sein, daß an das von der kühlmitteldurchflossenen Bodenplatte angewandte Ende der gerichtet erstarrten Schmelze ein zum Gußstück gehörender, regellos erstarrter Bereich anschließt Einen solchen regellos erstarrten Bereich kann beispielsweise der Schaufelfuß einer gerichtet erstarrten Turbinenschaufel bilden.

Um das Eindringen von Verunreinigungen aus der vom Kühlmittel durchflossenen Platte in die Schmelze zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn mit der kühlmitteldurchflossenen Bodenplatte eine Zwischenplatte aus dem Material des Gußstücks wärmeleitend verbunden wird.

Neben einer Variation der Schichtdicken für die keramische Formschale und/oder die Isolationsschichten, die diese umgeben, lassen sich die Abkühlungsbedingungen auf einfache Weise variieren, wenn die Dicken der Bodenplatte und/oder der Zwischenplatte verändert werden.

Weiterhin kann ein Losreißen des beim Erstarren schwindenden Gußstückes von der Zwischenplatte vermieden werden, wenn der Formhohlraum an seinem unteren Ende — beispielsweise durch Abrunden seiner Kanten — gegen die Zwischenplatte hin aufgeweitet wird.

Das neue Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in einem Längsschnitt eine auf einer kühlmitteldurchHosc^nen Bodenplatte befestigte keramische Formschale, die über ihre Höhe variable Abkühlungsbedingungen aufweist;

Fig.2 gibt eine Variante für den oberen Teil der Formschale nach F i g. 1 wieder.

Die Grundlage des Ausführungsbeispiels bildet die Herstellung einer gerichtet erstarrten Gasturbinenschaufel aus der Nickel-Basis-Legierung IN 738 LC; diese Legierung weist bekanntlich folgende Zusammensetzung auf (in Gew.-%): C 0,11; Cr 16,0; Co 8,5; Mo 1,7; W 2.6;Ta 1,7; Nb 0,9; Al 3,5; Ti 3,5; Zr 0,05; B 0,01 und Ni Rest

Zunächst wird eine keramische Formschale 1 (F i g. 1) *>³ in der für Präzisionsgießformen üblichen Weise mit Hilfe eines verlorenen Modells aus einzelnen Schichten aufgebaut; das Modell 'vird dabei mehrfach in eine

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bO Tauchmasse aus Schmelzmullit getaucht, der mit einem Aethylsilikatbinder angesetzt ist. Jede Tauchschicht wird anschließend mit körnigem Schmelzmullit besandet. Die Tauchungen und das Besanden werden solange fortgesetzt, bis eine Schalendicke von etwa 10 mm erreicht ist, was beispielsweise 10 Tauchungen erfordert. Es ist jedoch auch möglich, andere Schalendicken zu verwenden und insbesondere in einer Formschale 1 über die Höhe unterschiedliche Wandstärken vorzusehen, um die Abkühlungsbedingungen im gewünschten Sinne zu beeinflussen; so kann man beispielsweise unten, d. h. in der Nähe der noch zu beschreibenden Kühleinrichtung 2, eine Wandstärke oder Schalendicke von 10 mm vorsehen, die sich dann nach oben bis zum Trichter 3 gleichmäßig zunehmend, beispielsweise auf 20 mm vergrößert. Weiterhin besteht die Möglichkeit, kritische Stellen der Formschale 1 - beispielsweise am Übergang Ic vom Schaufelblatt ta zum Schaufelfuß id — mit einem Zement aus Aluminiumoxid und einem Silikatbinder zu verstärken.

Am unteren Ende geht der das Schaufelblatt bildende Teil la der Formschale 1 in einen flanschartigen Ansatz ib über, während sich nach oben an das Schaufelblatt der Schaufelfuß Id anschließt. Auf diesen ist oben ein Trichter 3 aufgesetzt, der gleichzeitig als Speiser und als »Wärmespeicher« dient. Er ist auf der linken Seite der F i g. 1 und 2 zu einem Schnabel 4 für das Eingießen der Metallschmelze 5 ausgestaltet.

Der Übergang Ie des Formhohlraumes vom Bereich la des Schaufelblattes zum flanschartigen Ansatz ib, mit dem die Formschale 1 auf der noch zu beschreibenden Kühleinrichtung 2 abgestellt wird, erfolgt in einem Bogen, so daß sich am unteren Ende eine kleine Verbreiterung des Formhohlraumes ergibt. Diese dient dazu, ein den Wärmeübergang auf die Kühleinrichtung 2 verschlechterndes Abheben oder Abreißen des beim Erstarren schwindenden Gußmaterials von der K^rSleinrichtung 2 zu verhindern.

Die nur schematisch dargestellte Kühleinrichtung 2, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vakuumgießeinrichtung montiert ist, besteht aus einer, von Kühlwasser durchflossenen Bodenplatte in Form eines Hohlkörpers 6 aus einem niedrig legierten Kohlenstoffstahl. Der Hohlkörper 6 ist über nur schematisch dargestellte Leitungen 7 und 8, die durch die Vakuum-Schleuse des nicht gezeigten Gefäßes der Vakuum-Gießeinrichtung nach außen geführt sind, an das Kühlwassernetz angeschlossen. Auf dem Hohlkörper 6 ist mit Hilfe eines handelsüblichen Nickel-Basis-Lotes, das zusätzlich mindestens Chrom und Bor enthält, eine Zwischenplatte 9 aus zum Gußmaterial artgleichen Materials, also aus In 738, aufgelötet Auf die Größe dieser Zwischenplatte 9, mit deren Hilfe Verunreinigungen der Schmelze durch in Lösung gehendes Material des Hohlkörpers 6 verhindert werden, sind die Abmessungen des flanschartigen Ansatzes ib der Formschale 1 angepaßt, so daß diese auf der Zwischenplatte 9 definiert gehalten und zentriert wird. Zusätzlich wird die Formschale 1 von einer Aufspannvorrichtung auf die Zwischenplatte gepreßt; von dieser Aufspannvorrichtung sind nur die zu beiden Seiten der Formschale 1 auf dem flanschartigen Ansatz ib aufliegenden Schenkel 10 dargestellt.

Zur Durchführung des erfiiidungsgemäßen Verfahrens ist um die Formschale 1 Isolationsmaterial ti gewickelt, das aus einem etwa 12 mm dicken Keramik-Filz aus Al₂O₃-Fasern besteht. Wie Fig. 1 zeigt, reicht die Isolation 11 nicht bis zum Ansatz ib der Formschale

1, sondern endet in einem gewissen Abstand darüber. Nach oben fortschreitend sind zunächst eine, dann zwei und unter Umständen schließlich drei Schichten der Isolation 11 vorgesehen (F i g. 2). Gehalten werden diese Schichten 11 durch Nickeldraht, mit dem sie umwickelt werden. Die nach oben ansteigenden Schichtdicken der Isolation 11 — ebenso wie die erwähnten unter Umständen vorhandenen Änderungen der Wandstärken der Formschale 1 — dienen dazu, eine von unten nach oben fortschreitende, auf jeder Niveauhöhe längs des Umfangs möglichst gleichmäßige Abkühlung des Formhohlraumes und damit der Schmelze zu erzwingen, wodurch ein von unten nach oben gerichtetes Wachsen von Stengelkristallen erreicht wird.

In welcher Höhe der Formschale 1 dabei der Anfang der Isolation 11 bzw. der Anfang einer weiteren Schicht derselben liegen müssen, wird rein experimentell bestimmt, wobei das Einhalten der gewünschten Wachstumsrichtung für die Kristalle, d. h. das Fortschreiten der Erstarrungsfron tatsächlich senkrecht zur Achse des Formhohlraumes, anhand der gewachsenen Kristalle kontrolliert werden kann.

Fig. 1 zeigt die Isolation 11 einer Formschale 1, bei der der Schaufelfuß id und der Trichter 3 in regellos gewachsenen Kristallen erstarren, weil in ihren Höhenbereichen die Isolation 11 überall die gleiche Dicke aufweist und eine Vorzugsrichtung für das Fortschreiten der Erstarrung in diesen Bereichen daher nicht mehr gegeben ist.

Eine solche Vorzugsrichtung wird bei der Form nach Fig. 2 zumindest für den Bereich id des Schaufelfusses auch dadurch erzwungen, daß um den Bereich id und den Trichter 3 eine zusätzliche, weitere Isolationsschicht Il gelegt ist. In der Form nach Fig.2 wird daher zumindest der Schaufelfuß id ebenfalls noch gerichtet erstarren.

Abschließend sei die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kurz skizziert:
In einem Ofen, beispielsweise in einem Muffelofen, wird die Formschale 1 einschließlich ihrer Isolation 11 auf etwa 1200° C aufgeheizt. Unabhängig davon erfolgt das Schmelzen des Gußmaterials in einer Vakuum-Gießeinrichtung unter einem Druck von etwa 5 · 10—· mbar in einem handelsüblichen Tiegel aus Si-Al-Oxid. Die Aufheizung der Schmelze wird solange fortgesetzt, bis ihre Temperatur mindestens 200⁰C über der durch Messung zu 1325° C ermittelten Liquidus-Temperatur liegt, wobei das Vakuum durch eine Schutzgasatmosphäre ersetzt wird, die beispielsweise aus Argon unter einem Druck von etwa 100—250 mbar besteht. Durch das Schutzgas werden auch bei den hohen Temperaturen ein, Abdampfen von Schmelzenmaterial in das Vakuum und Reaktionen der Schmelze mit dem Material des Tiegels und der Formschale 1 weitgehend unterbunden.

Sind die erforderlichen Temperaturen der Formschale 1 und der Schmelze — im beschriebenen Beispiel erfolgt die Aufheizung der Schmelze beispielsweise bis

i" zu einer Temperatur von 1650⁰C — erreicht, so wird die heiße Schale auf der in einer Vakuum-Schleuse befindlichen Kühleinrichtung 2 montiert und durch die Aufspannvorrichtung festgehalten; die erwähnte gegenseitige Anpassung der quadratischen Zwischenplatte 9

i^r· und des Formschalenfußss Ib fixiert dabei die Formschale 1 — relativ zu dem im Vakuum-Ofen befindlichen, die abzugießende Schmelze enthaltenden Tiegel — in der richtigen Stellung, wobei durch eine Markierung sichergestellt ist, daß der Einguß 4 der

-" Formschale 1 in die richtige Richtung der Zwischenplatte 9 weist.

Nach der Montage der Formschale 1 auf der Kühleinrichtung 2 und dem Einschalten des Kühlmittelflusses wird die Schleuse geschlossen, evakuiert und die

-' Kühleinrichtung 2 mit der Formschale 1 in die Schutzgasatmosphäre der Vakuum-Gießeinrichtung eingefahren, wobei gegebenenfalls durch Einspeisung zusätzlichen Schutzgases der gewünschte Schutzgasdruck aufrechterhalten wird. Nach dem Einfahren der

^!" Form wird die überhitzte Schmelze unmittelbar abgegossen.

Beim Abguß heizt die überhitzte Schmelze mindestens den Formhohlraum der keramischen Formschale 1, wie erfindungsgemäß gefordert, über die Liquidus-

^J!; Temperatur auf. Gleichzeitig beginnt jedoch auch das Wachstum der gerichteten Stengelkristalle von der Kühleinrichtung 2 her.

Nach dem Abguß kann die gefüllte Form entweder direkt oder erst nach gewisser Zeit, in der die Erstarrung bereits eine gewisse Länge fortgeschritten ist, ausgeschleust und zur weiteren Abkühlung der Luft ausgesetzt werden.

Ist das Gußstück 5 vollständig erstarrt, so wird die Formschale 1 entfernt bzw. zerstört und das Gußstück 5

⁴' von der Zwischenplatte 9 der Kühleinrichtung 2 getrennt, z. B. einfach abgebrochen, da das Gußstück 5 auf der Zwischenplatte 9 sehr häufig nicht sehr fest haftet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung gerichtet erstarrter Gußstücke durch Vakuum- oder Schutzgasgießen in Präzisionsgießformen, wobei ein keramischer Formteil vorgeheizt, nach der Vorheizung von seiner Heizvorrichtung getrennt und mit einer in einem Vakuumbehälter angeordneten, von einem Kühlmittel durchflossenen Bodenplatte aus gut wärmeleitendem Material zu der vollständigen Form vereinigt wird, und wobei ferner der Behälter evakuiert und gegebenenfalls mit Inertgas begast wird, ehe die in ihm erschmolzene und überhitzte Schmelze ohne nochmalige Aufheizung der Form abgegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Formteil (1) mindestens in Teilbereichen mit Isolationsmaterial (11) umhüllt wird,

daß ferner die Überhitzung der Schmelze, die Vorheizung und die Masse des keramischen Formteils (1), einschließlich der ihn umgebenden Isolationsschichten (U), so aufeinander abgestimmt werden, daß die einfließende Schmelze mindestens die den Formhohlraum umschließende Wand des Formteils (1) auf eine über der Liquidus-Temperatur der Schmelze liegende Temperatur aufheizt, daß weiterhin die abgegossene Schmelze nach dem Abguß sich selbst überlassen wird, wobei die gerichtete Erstarrung der Schmelze ohne weitere Energiezufuhr dadurch erzwungen wird, daß keramischer Formteil (1) und/oder die ihn umhüllenden Isolationsschichten (U) — wie an sich bekannt — mit in der gewünschten Wachstumsrichtung der Erstarrung zunehmender Wandstärke versehen werden.

2. Gießform zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer kühlmitteldurchflossenen Bodenplatte, auf die ein von Isolationsmaterial umgebener keramischer Formteil aufgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärken des keramischen Formteils (1) und/ oder des Isolationsmaterials (11) in an sich bekannter Weise in der gewünschten Wachstumsrichtung der Erstarrung zunehmen.

3. Gießform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärken des keramischen Formteils (1) und/oder der ihn umhüllenden Isolationsschichten (11) so ausgestaltet sind, daß an das von der kühlmitteldurchflossenen Bodenplatte (6) angewandte Ende der gerichtet erstarrten Schmelze (5) ein zum Gußstück (5) gehörender, regellos erstarrter Bereich anschließt

4. Gießform nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der kühlmitteldurchflossenen Bodenplatte (6) eine Zwischenplatte (9) aus Schmelzenmaterial wärmeleitend verbunden ist

5. Gießform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der kühlmitteldurchflossenen Bodenplatte (6) und/oder der Zwischenplatte (9) zur Variation der Abkühlungsbedingungen verändert werden.

6. Gießform nach einem der Ansprache 2—4, dadurch gekennzeichnet daß der Formhohlraum in seinem Grenzbereich zur vom Kühlmittel durchflossenen Bodenplatte (6) bzw. zur Zwischenplatte (9) hin aufgeweitet wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gerichtet erstarrter Gußstücke durch Vakuum- oder Schutzgasgießen in Präzisionsgießformen, wobei ein keramischer Formteil vorgeheizt, nach der Vorheizung '■> von seiner Heizvorrichtung getrennt und mit einer in einem Vakuumbehälter angeordneten, von einem Kühlmittel durchflossenen Bodenplatte aus gut wärmeleitendem Material zu der vollständigen Form vereinigt wird, und wobei ferner der Behälter evakuiert und hi gegebenenfalls mit Inertgas begast wird, ehe die in ihm erschmolzene und überhitzte Schmelze ohne nochmalige Aufheizung der Form abgegossen wird.

Bekanntlich lassen sich bestimmte Eigenschaften — beispielsweise mechanische Hochtemperatur-Eigeni> schäften — von gegossenen Werkstücken, beispielsweise von Gasturbinenschaufeln, erheblich verbessern, wenn die Werkstücke aus gerichtet erstarrtem Material bestehen. Bei diesen sind die beim Erstarren gewachsenen Kristalle mit ihren Achsen in einer Vorzugsrichtung, die beispielsweise die Längsrichtung der Turbinenschaufel ist angeordnet was durch gezieltes und gesteuertes Abkühlen der Schmelze nach dem Abguß erreicht wird

Aus der DE-OS 24 51921 ist ein Verfahren der 2> eingangs genannten Art bekannt; ein ähnliches Verfahren wird in der DE-OS 22 30 317 beschrieben. Diese Verfahren sind zeitraubend und kostspielig; denn bei ihnen ist im Vakuum bzw. in der Schutzgasatmosphäre ein Heizen der mit der Schmelze gefüllten Form m notwendig, wobei die Heizung und/oder die Form relativ zur Heizung entsprechend dem Fortschreiten der Erstarrungsfront verschoben werden müssen. Diese Verfahren erfordern daher einen erheblichen Investitionsaufwand für relativ zur Form verschiebbare oder über die Höhe der Form eine regelbare unterschiedliche Heizleistung abgebende Heizeinrichtungen in der Vakuum- oder Schutzgasgießeinrichtung.

Bei dem Verfahren für eine gerichtete Erstarrung

nach der DE-OS 26 09 949 wird die Schmelze in eine auf ober Schmelztemperatur gebrachte Form gegossen; diese berindet sich, von Isolationsmaterial umgeben, in einem Behälter, der außen von einer Heizschlange umgeben ist mit der die Schmelze nach dem Abguß

mehrfach aufgeheizt wird, um den für die gerichtete

•»5 Erstarrung notwendigen Temperaturgradienten zu gewährleisten.

Aus der DE-OS 15 08 839 ist weiterhin an sich bekannt Isolationsschichten um Gießformen herum zum Speiserende hin mit steigender Wandstärke zu versehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bisher bekannten Verfahren zu vereinfachen, insbesondere das Heizen der Form im Vakuum- oder Schutzgasgefäß zu vermeiden und die dafür notwendigen Heizeinrichtungen sowie die zugehörigen Transporteinrichtungen, mit denen diese Heizeinrichtungen relativ zur Form verschoben werden, entbehrlich zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der keramische Formteil mindestens in Teilbereichen mit Isolationsmaterial umhüllt wird, daß ferner die Überhitzung der Schmelze, die Vorheizung und die Masse des keramischen Formteils, einschließlich der ihn umgebenden Isolationsschichten, so aufeinander abgestimmt werden, daß die einfließende Schmelze mindestens die den Formhohlraum umschließende Wand des Formteils auf eine über der Liquidus-Temperatur der Schmelze liegende Temperatur aufheizt daß weiterhin die abgegossene Schmelze nach dem Abguß sich selbst