DE2949446C2 - - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Er­ starrung geschmolzenen Metalls zu einem Gußstück mit gerichteter kristallographischer Orientierung, bestehend aus

• a) einer Kühlplatte (22) zum Abkühlen der Metallschmelze während der gerichteten Erstarrung;
• b) einem Beimpfungsstück (28) mit einer bekannten kristallographischen Orientierung zur Einleitung epitaxialer Erstarrung, die im Gußstück erwünscht ist,
• c) Mitteln (30) zum Halten des Beimpfungsstückes (28) in einer vorbestimmten Orientierung in bezug auf die Form (20) im kurzen Abstand zu der Kühlplatte (22), so daß die Wärmeabführung von dem Beimpfungsstück (28) zu der Kühlplatte (22) durch das Herausragen des Beimpfungs­ stückes (28) aus der Kühlplatte (22) erreicht werden kann;
• d) einer Form (20) mit einem Gegenstandsabschnitt (24) und einem Startabschnitt (32), wobei der Start­ abschnitt (32) im Kontakt mit der Kühlplatte (22) steht und gemeinsam mit der Kühlplatte (22) einen Raum bildet, der zur Aufnahme des herausragenden Beimpfungsstückes (28) und des geschmolzenen Metalls ausgebildet ist; und Mitteln (37) zur festen Halterung der Form (20) an die Kühlplatte (22), um die Orientie­ rung der Form (20) in bezug auf das Beimpfungsstück (28) zu steuern, gemäß den Ansprüchen 1 bis 4.

Es ist gut bekannt, daß große Verbesserungen in der Lei­ stungsfähigkeit von Metallstrukturen durch einseitig gerichtete Gießtechniken bewirkt werden können, welche Gegenstände mit säu­ lenförmigem Gefüge oder Einzelkristalle liefern. Hierzu wird z. B. auf die technischen Lehren von Ver Snyder US-PS 32 60 505 und Piearcey US-PS 34 94 709 hingewiesen. Die Hauptaufgabe der bisherigen Vorrichtungen, Verfahren und Gegenstände ist es gewesen, Strukturen zur Verfügung zu stellen, die verbesserte Eigenschaf­ ten entlang der Hauptachse des Gegenstandes haben. Dies heißt, daß die Hauptachse des Gegenstandes typisch die Erstarrungs- Wachstumachse oder die Achse ist, entlang der die Erstarrungs­ front veranlaßt wird, sich zu bewegen.

Wenn Metalle gerichtet zur Erstarrung kommen, erstarren oder wachsen sie häufig in natürlicher Weise in einer kristallo­ graphischen Orientierung schneller als in anderen Richtungen. Beispielsweise ist gefunden worden, daß in Nickelbasissuperlegie­ rungen die < 001 < Orientierung vorherrschend ist. Als ein Er­ gebnis besitzen Einzelkristallgußstücke, hergestellt mit Vorrich­ tungen, die in der US-PS 34 94 709 beschrieben sind, wie vorste­ hend schon ausgeführt ist, die < 001 < Orientierung, die entlang der Wachstumsachse liegt. Daher müssen zur Herstellung einer an­ deren kristallographischen Orientierung entlang der Hauptachse der Erstarrung spezielle Techniken angewendet werden.

Die Orientierung von Kristallen in bezug auf die Fläche senkrecht zu der Achse der Erstarrung ist in den meisten gerich­ teten erstarrten Gegenständen dem Zufall überlassen, bis Maß­ nahmen unternommen werden, um eine Steuerung zu bewirken. Die kristallographische Orientierung entlang der Hauptachse eines Gußstückes gemessen, wird die primäre Orientierung genannt, wäh­ rend die polare Orientierung in der Fläche senkrecht zu der Haupt­ achse die sekundäre Orientierung genannt wird.

Die Eigenschaften des Materials, wie ein säulenförmiges Gefüge oder Einzelkristallmaterial, werden durch seine kristallo­ graphische Orientierung beeinflußt. Beispielsweise werden die elastischen Module in vielen Legierungen bedeutend variiert und die Leistungsfähigkeit von Teilen unter Belastung und Spannung werden dabei verändert. Daher ist es in mehr gekünstelten Anmel­ dungen von fortschrittlichen Materialien von steigender Wichtig­ keit, beide Orientierungen, nämlich die primären und sekundären Orientierungen zu steuern. Die kristallographischen Orientierun­ gen von Materialien sind durch herkömmliche zerstörungsfreie Laboratoriumsuntersuchungen bestimmbar. Röntgenbeugungs-Untersu­ chungen, z. B. nach der Laue-Methode, sind sehr nützlich. Weiter­ hin können Wechsel in der kristallographischen Struktur leicht durch übliche Kornätzungsprüfungen erkannt werden. Wenn die Orien­ tierung an einem Platz in einem Teil bestimmt ist, wird die Orien­ tierung in einer anderen Region in Abwesenheit einer dazwischen liegenden Gefügetrennungslinie und in Abwesenheit von scharf­ sinnigen Kristallvariationen jenseits des Bereichs dieser Dis­ kussion die gleiche sein.

Eine erfolgreiche Technik zur Steuerung kristallographi­ scher Strukturen in Gußartikeln ist die Verwendung eines zuvor hergestellten Metallbeimpfungsstückes, welches die gewünschte Struktur aufweist. Wenn der gegossene Gegenstand von dem Be­ impfungsstück aus zum epitaxialen Wachstum gebracht werden kann, wird die Beimpfungsstückstruktur reproduziert werden.

Die Herstellung von gewachsenen Gegenständen aus Beimpf­ ungsstücken ist gut bekannt. Bespielsweise ist das Bridgman- Verfahren zur epitaxialen Einzelkristallbildung in der US-PS 17 93 672 beschrieben. Andere Veröffentlichungen datieren aus den 1920iger Jahren. Delano beschreibt in der US-PS 27 91 813 Strukturen mit gesteuerten kristallographischen Orientierungen, in denen Beimpfungskristalle verwendet werden, um das gewünschte Resultat zu erhalten. Barrow et al beschreiben in der US-PS 37 59 310 eine Vorrichtung und eine elektrische Bogenmethode zur Herstellung von Einzelkristallgegenständen mit einer Verbrauchs­ elektrode, in der ein Beimpfungskristall an dem Boden der Form verwendet wird. In neuerer Zeit gibt Petrov et al in der US-PS 38 57 436 ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Einzelkristallgegenständen an. Hierin sind Mittel und Methoden angegeben, um die Kristallisation in einem konisch geformten Bodenraum auszulösen, wo abrupte superabkühlende Be­ dingungen hervorgerufen werden. In Petrov's US-PS sind weitere Verbesserungsbehandlungen beschrieben. Copley gibt in der US-PS 35 98 169 das Gießen von relativ flachen Gegenständen unter Ver­ wendung von Beimpfungskeilen an und bewirkt dadurch radiale aus­ wärtsgehende Erstarrung.

Mit Ausnahme von Barrow vermeiden alle vorstehend genann­ ten Techniken das Erhitzen der Form vor der Einführung des ge­ schmolzenen Metalls. Praxis im Stand der Technik ist es, daß das Beimpfungsstück in der Form während des Erhitzens ist. Deshalb wird es mit der Form auf eine relativ hohe Temperatur gebracht, wobei in einigen Situationen ihre Anordnung ein geringeres Erhit­ zen anzeigt. Sobald das überhitzte geschmolzene Metall in die Form eingeführt ist und sich stabilisieren kann, berührt es das erhitzte Beimpfungsstück und bewirkt dessen teilweises Schmelzen. Hierbei ist es erforderlich, mindestens ein Teil des Beimpfungs­ stückes zu schmelzen, jedoch nur einen Teil des Beimpfungsstückes und dies erfordert eine Steuerung der Ausgangs- und Ausgleichs­ bedingungen des Beimpfungsstückes, der Form, des geschmolzenen Metalls und anderer einflußreicher Faktoren.

Viele Beschreibungen zum Stand der Technik beziehen sich auf Laboratoriumstechniken und sie beziehen sich nicht auf Massenproduktionsverfahren. Jetzt ist ein Trend zu größerer wirt­ schaftlicher Verwendung von Gegenständen mit gesteuerter kri­ stallographischer Struktur, wie säulenförmigem Gefüge und Ein­ zelkristallgasturbinenschaufeln, vorhanden. Dies hat die Ent­ wicklung von automatisierten Gußtechniken hervorgerufen, um Ge­ genstände in Mengen auf einer wirtschaftlichen Basis herzustellen. Gemäß einer dieser Techniken, beschrieben von King et al in der US-PS 38 95 672, wird eine erhitzte Form an eine Kühlplatte ge­ klammert, gerade vor der Einführung von geschmolzenem Metall in die Form. Wenn der Impfkristall verwendet wird, ist er an der Kühlplatte befestigt, ist daher entsprechend kalt. Die kurze Dauer zwischen dem Eingreifen der heißen Form und der kalten Kühlplatte sieht wenig Zeit vor, die Temperatur des Beimpfungsstückes zu er­ höhen. Die gleiche Schwierigkeit kann in einigen der bekannten Vorrichtungen und Verfahren auftreten. Wenn das Beimpfungsstück zu kalt ist, tritt ein ungenügendes Schmelzen ein und Epitaxie ist dadurch nicht zu erhalten. Ein Verfahren zur Überwindung dieser Schwierigkeiten besteht darin, das geschmolzene Metall erheblich zu überhitzen. Es ist jedoch unvorteilhaft, dies durchzuführen, da Überhitzung häufig erhöhte Zeiten und Kosten erfordert, unerwünschte Verdampfung von Elementen eintritt und ein erhöhter Abbau der Form eintritt. Das Beimpfungsstück sepa­ rat zu erhitzen oder das Beimpfungsstück in die Form miteinzu­ setzen, wenn die Form erhitzt worden ist nach den Verfahren der älteren Art, ist ebenfalls vorteilhaft sowohl von den mecha­ nischen als auch den fertigungstechnischen Komplikationen aus gesehen und weil das Beimpfungsstück übermäßig oxidiert oder an­ derweitig verunreinigt werden kann.

Weiterhin muß während der Fertigung von Gegenständen mit gesteuerter primärer und sekundärer kristallographischer Orien­ tierung berücksichtigt werden, daß nach der Anfertigung die Orientierung des Beimpfungsstückes zuerst genau durch geeignete Prüfmethoden bestimmt werden muß und zweitens präzise in bezug auf die Achsen des zu gießenden Gegenstandes gelenkt wird. Da­ durch kann das Arbeiten mit Beimpfungsstücken für Gußstücke er­ hebliche Kosten hervorrufen. Es besteht daher der Wunsch, daß Beimpfungsstücke aus dem Gießverfahren zurückgewonnen werden können, nachdem der Gegenstand gebildet worden ist und dadurch dessen Wiederverwendung möglich ist. Jedoch schwierig ist die Abtrennung zur Wiederverwendung, wenn das Beimpfungsstück wäh­ rend des Gießvorganges ziemlich weggeschmolzen ist oder durch eine größere Menge an erstarrtem Metall mit Fremdorientie­ rung umgeben ist.

In der US-PS 37 63 926 ist eine Apparatur zum Gießen gerichtet er­ starrter Gegenstände entweder mit säulenförmiger oder Einzel- Kristallstruktur, bei der die Form in einer Erhitzungskammer an­ geordnet und die Form vor dem Füllen mit der Metallschmelze über die Schmelztemperatur der zu gießenden Legierung erhitzt worden ist, beschrieben, in der die Erstarrungsrate der Metallschmelze in der Form durch fortschreitendes Eintauchen oder durch Absenken in ein flüssiges Kühlmittel gesteuert wird. So enthält die dort in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung für die Erstarrung der Metall­ schmelze zu einem Gegenstand mit gesteuerter kristallographischer Orientierung eine Form, in der der Gegenstandsformteil 30′′ oben den Gußsteiger 38′′ aufweist und unten am Boden eine Wachstumszone 42′′ als Startzone enthält. Diese Wachstumszone enthält ein Ein­ kristallbeimpfungsstück 46 mit der gewünschten Orientierung, welches in einer zylindrischen Ausnehmung 48 der Form eingesetzt ist. Durch diese Anordnung des Beimpfungsstückes 46 kann nur des­ sen waagerechte Oberfläche mit der Schmelze in Berührung kommen. Bei der Überhitzung der Form vor dem Einfüllen der Metallschmelze darf das Beimpfungsstück 46 nicht total geschmolzen vorliegen, da ein Selektionsverengungsstück in der Form nicht vorhanden ist. Ferner ist dort in Fig. 5 als eine andere Ausbildung eine Form 50 für ein Einzelgußstück dargestellt, die auf eine Kühlplatte 52 aufgesetzt und von einem Mantel 54 umgeben ist. Dieser Mantel 54 besitzt auf der Außenseite eine Induktionsheizspirale 58 zum Überhitzen der leeren bzw. gefüllten Form 50. Der zwischen der Außenseite der Form 50 und der Innenseite des Mantels 54 gebildet Raum ist für die Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels bestimmt, welches durch die Zuleitung 60 eingelassen wird, sobald die zuerst durch die Kühlplatte 52 bewirkte Kühlung und Erstarrung der Schmelze unterstützt werden muß. Die Form 50 enthält kein Beim­ pfungsstück. In der Form 50 wird beim Abkühlen der Metallschmelze über der Kühlplatte 52 in der Wachstumszone während der Erstarrung eine orientierte polykristalline Struktur gebildet. Zur Ausrich­ tung des Einkristallwachstums in dem herzustellenden Gußkörper ist in der Form 50 eine helixförmige Selektionsverengung zwischen der unten über der Kühlplatte 52 angeordneten Wachstumszone und der darüber angeordneten Gußteil-Formzone vorhanden, um bei der Erstarrung der Schmelze in der Selektionsverengung einen Einzel­ kristall zu bilden, von dem ausgehend eine Einkristall-Struktur in dem anzufertigenden Gußstück gebildet wird.

Die vorstehenden bekannten, vor dem Einguß der Metallschmelze überhitzten Formen, die etwa 150°C heißer als die einzugießenden Metallschmelzen sind, werden bei der vorliegenden Erfindung nicht verwendet. Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß es durch die US-PS 37 63 926 bekannt ist, daß durch Eingießen von Metallschmelzen in überhitzte Formen, die entweder ein vor dem Eingießen der Metallschmelze in Form erhitztes Beimpfungs­ stück oder eine Selektionsverengung enthalten, durch Erstarren in der Form, in der die Temperatur mit flüssigen Kühlmitteln herab­ gesetzt wird, Einkristallgußstücke herzustellen sind.

In der schon genannten US-PS 37 59 310 wird eine Form verwendet, deren senkrechte Wandung über den Schmelzpunkt der im elektrischen Bogen in der Form zu schmelzenden Legierung durch elektrische Widerstandsheizung erhitzt wird. In der Kühlplatte 10 ist eine Ausnehmung 19 zur Aufnahme des aus der Kühlplatte herausragenden Beimpfungsstückes 11 angeordnet. Das Beimpfungsstück 11 soll in der Horizontalen so groß wie es überhaupt möglich ist, ausgebildet sein, um einen großen Teil der Kühlplatte 10 zu bedecken, da die Wärmeabführung der zur Erstarrung bestimmten Schmelze am Boden der Form durch das Beimpfungsstück erfolgen muß, da die nicht vom Beimpfungsstück bedeckte Fläche der Kühlplatte sowie die senkrech­ te aus der Kühlplatte herausragende Fläche des Beimpfungsstückes durch eine Isolierschicht 18 geschützt sind. Aus diesem Grunde muß das Beimpfungsstück auch relativ dünn sein, jedoch nicht so dünn, daß das Beimpfungsstück beim Beginn des Bogenschmelzens wegschmilzt und dadurch die Kühlplatte beschädigt.

Gemäß den US-PS 37 63 926 und 37 63 926 kann das dort jeweils benutzte Beimpfungsstück nicht zum erneuten Gebrauch zurückgewon­ nen werden, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die Erstar­ rung geschmolzenen Metalls zu einem Gußstück mit gerichteter kristallographischer Orientierung gemäß Oberbegriff des An­ spruchs 1 zur Verfügung zu stellen, die es gestattet

• a) die Herstellung von Gußstücken mit gerichteter kristallo­ graphischer Orientierung zu verbessern und sicherer durch­ zuführen, um die Produktionsausbeute zu steigern;
• b) hierbei soll jede Legierung geeignet sein, deren gerich­ tete kristallographische Orientierung mittels eines Be­ impfungsstückes reproduzierbar ist, wobei die Verwendung von Nickelsuperlegierungen besonders vorteilhaft ist,
• c) das Beimpfungsstück wiederzugewinnen und erneut zu verwen­ den.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die konstruktive Ausbil­ dung der Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

In die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird geschmolzenes Metall in eine Form für orientierte Erstarrung in einer solchen Weise einge­ führt, daß ein Teil davon über das Beimpfungsstück fließt, um es zu erhitzen und einen Teil davon zu schmelzen und jeden un­ erwünschten Film an Verunreinigungen entfernt, der anwesend sein könnte. Das das Beimpfungsstück zusammen mit einer Kühlplatte ver­ wendet wird, ist die Form so ausgestaltet, daß sie einen Raum mit einem Startabschnitt aufweist, der ein genügendes Volumen besitzt, um das Beimpfungsstück aufzunehmen und geschmolzenes Metall unterbringt, welches über das Beimpfungsstück geflossen ist. Das Beimpfungs­ stück ragt in den Startabschnitt, um geschmolzenes Metall das Herumfließen und Erhitzen zu ermöglichen. Eine Grenz­ schicht, wie z. B. ein keramischer Überzug, kann an ausgewählten Stellen des Beimpfungsstückes angebracht sein, um seine Entfer­ nung von dem festen Metallguß zur Wiederverwendung zu ermög­ lichen. In einer Ausführungsform ist eine Wärmedämmung an der Kühlplatte an den zu dem Beimpfungsstück benachbarten Teilen angebracht, um die Erstarrung von geschmolzenem Metall mit unge­ steuerter Orientierung innerhalb des Startabschnittes herabzusetzen und sicherzustellen, daß epitaxial erstarrtes Metall, welches von dem Beimpfungsstück ausgeht, in dem Gegenstand anwesend sein wird.

Die Vorrichtung der Erfindung besitzt eine Form mit einem Gegenstandsabschnitt, verbunden mit dem Startabschnitt mittels eines Selektions-Verengungsabschnitt. Der Selektionsverengungs­ abschnitt ist in enger Nachbarschaft zu der Region im Startab­ schnitt angeordnet, wo das Beimpfungsstück einsetzbar ist und nur dem Zweck dient, Metall epitaxial erstarrt von dem Beim­ pfungsstück aus in den Gegenstandsabschnitt eintreten zu lassen. Ferner ist die Form darauf angepaßt, geschmolzenes Metall am Eingußspeiser durch den Gegenstandsabschnitt aufzunehmen und seine Abführung vom Selektions-Verengungsabschnitt zu übernehmen, in dem es gesteuert fließt, um auf die Oberfläche des Beimpfungs­ stückes zu treffen und daß dadurch wirksam das Beimpfungsstück erhitzt und schmilzt.

Die Erfindung ist für die Herstellung von Gußgegenstän­ den aus jeder Legierung und in jeder gewünschten gesteuerten Struktur geeignet, die mittels eines Beimpfungsstückes reprodu­ zierbar ist. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist die Her­ stellung von säulenförmigem Gefüge oder Einzelkristallkomponen­ ten aus Nickelsuperlegierungen.

Die Erfindung bewirkt das passende Schmelzen des Beim­ pfungsstückes, um davon das gewünschte epitaxiale Wachstum sicherzustellen und fehlerhafte Gußstücke zu vermeiden, die an­ fallen können, wenn das Beimpfungsstück nicht adäquat geschmol­ zen oder die Verunreinigungsschicht nicht voll entfernt worden ist. Weiterhin gestattet die Erfindung die Verwendung von Beim­ pfungskristallen, die substantiell nicht vor der Einführung des geschmolzenen Metalls in die Form erhitzt werden. In einer be­ vorzugten Ausführungsform werden weiterhin die Kosten der Beim­ pfungsstücke reduziert, da ihre leichte Abtrennung von erstarrten Gußstücken und der nachfolgende Wiedergebrauch sichergestellt ist. Die Verwendung von Beimpfungsstücken ist dadurch wirtschaft­ licher und dadurch leichter durchführbar im Vergleich zur Er­ starrung ohne Beimpfung. Es wird hierdurch möglich, die Vorteile der primären und sekundären Orientierungssteuerung zu verwirk­ lichen. Die Einzelkristallformgestaltung kann vereinfacht und die Ausgangserstarrungsraten erhöht werden und dadurch wird die Produktionsausbeute gesteigert.

Die vorstehenden und anderen Aufgaben, Ausbildungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher aus der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und den Zeichnungen hervorgehen.

Fig. 1 gibt eine Form im Querschnitt wieder, die ein Be­ impfungsstück enthält, welches auf einer Kühlplatte montiert ist.

Fig. 2 zeigt einen querlaufenden Querschnitt des Gegen­ standsabschnittes der Form in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine teilweise Schnittansicht einer Kühlplatte mit eingesetztem Beimpfungsstück sowie darüber befindlichem Startabschnitt und Selektions-Verengungsabschnitt.

Fig. 4 ist eine Teilzeichnung des Beimpfungsstücksitzes.

Fig. 5 ist eine teilweise Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des Beimpfungsstückes mit einer Trennschicht um seine Peripherie.

Fig. 6 ist eine teilweise Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Beimpfungsstück- und Kühlplatten-Trennschich­ ten.

Die bevorzugte Ausführungsform ist in sprachlichen Aus­ drücken für eine Gußform beschrieben, die besonders angepaßt ist, um allgemein innerhalb der technischen Lehren der schon genannten King et al US-PS 38 95 672 für die Herstellung von Einstück-Ein­ zelkristall-Nickellegierungsgußstücken verwendet zu werden, jedoch ist ihre Verwendung nicht darauf beschränkt.

Eine Form 20, hergestellt aus keramischem Material, die zur Formung und Bildung eines Einzelkristallgegenstandes geeignet ist, ist auf einer Kupferkühlplatte 22 aufgesetzt, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Form besitzt einen Abschnitt, der einen Gegen­ standsabschnitt 24 bildet, die, wie Fig. 2 anzeigt, für ein Gastur­ binenschaufelblatt bestimmt ist, zu dessen Herstellung die vor­ liegende Erfindung besonders beiträgt. Die Form besitzt ferner einen Eingußspeiser 26 zur Aufnahme geschmolzenen Metalls, um es in den Gegenstandsabschnitt 24 zu leiten, und ein zweites Endstück 33 als Start­ abschnittsende, angepaßt für den Kontakt mit einer Kühlplatte 22.

Ein Beimpfungsstück 28 mit vorbestimmter kristallographischer Orientierung ist in einer Ausnehmung als Mittel zum Halten 30 des Beimpfungsstückes 28 in der Kühlplatte 22 eingesetzt. Das Beimpfungsstück 28 ist daher im engen Kontakt mit der Kühlplatte 22 und es wird durch diese gekühlt werden. Um das Beimpfungs­ stück 28 herum ist ein Startabschnitt 32 angeordnet, begrenzt durch das zweite Endstück 33 als Startabschnittsende, den Startabschnitt der Form 20 und die Kühlplatte 22. Ein Selektions-Verengungsabschnitt 34 verbindet den Startabschnitt 32 und den Gegenstandsabschnitt 24. Der Selektions-Verengungsabschnitt 34 hat eine substantiell kleinere Querschnittsfläche als entweder der Startabschnitt 32 oder der Gegenstandsabschnitt 24.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform besitzen Beimpfungs­ stücke 28, Startabschnitt 32 und Selektions-Verengungsabschnitt 34 einen kreis­ förmigen Querschnitt, jedoch sind andere Querschnittgestaltungen in gleicher Weise funktionsfähig.

Die relativen Größen der entsprechenden Elemente sind nicht festgelegt, aber sie können allgemein durch ein Beispiel in Betracht gezogen werden. Bei der Herstellung von Nickelsuper­ legierungsgegenständen, wie Gasturbinenschaufelblättern mit 10 bis 25 cm Höhe, wird ein Beimpfungsstück 28 der Superlegierung mit einem Durchmesser von 2 bis 2,5 cm und einer ähnlichen Höhe bevorzugt verwendet. Der Startabschnitt 32 hat hierbei einen Durch­ messer von etwa 5 cm und der Eintritt zu dem Selektions-Verengungsabschnitt 34 ist etwa 0,5 bis 1,0 cm oberhalb der Oberfläche des Beimfpungs­ stückes 28 angeordnet. Dadurch hat der Startabschnitt 32 ein Volu­ men von mehr als dem fünffachen des Volumens des eingesetzten Beimpfungsstückes 28. Wie bereits ausgeführt, steht dieses Vo­ lumen zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls zum Erhitzen des Beimpfungsstückes 28 und von hier aus zur Einleitung der epi­ taxialen Erstarrung zur Verfügung.

Das Startabschnittsende 33 ist dicht aufsitzend auf der Kühlplatte 22 an ihrer Oberfläche 36 angeordnet, um das Austre­ ten von geschmolzenem Metall zu verhindern. Mittel 37 zur festen Halterung der Form 20 sind als Bolzen in Fig. 3 dargestellt, und sie werden verwendet, um den guten Kontakt zwischen der Form 20 und Kühlplatte 22 aufrechtzuerhalten. Andere mechanische Festhalte­ mittel und Haltevorrichtungen sind in gleicher Weise brauchbar, solange sie außerhalb des Weges des geschmolzenen Metalls ange­ ordnet sind und darauf angepaßt vorliegen, um eine Form die sich auf hoher Temperatur befindet, festzuhalten. Für die Massenpro­ duktion ist für die Auswahl der Klammervorrichtung die Leichtig­ keit und die Geschwindigkeit für das Fest- und Entklammern ent­ scheidend.

Wenn Form 20 und Kühlplatte 22 fest zusammengeklammert vorliegen, ist die Anordung so angepaßt, um innerhalb verschie­ dener Apparaturen angeordnet zu werden, die im Stand der Technik für orientierte Erstarrung beschrieben sind. Geschmolzenes Metall kann eingeführt werden, und der benötigte thermische Anstieg in der Form kann ausgeführt werden, um die orientierte Erstarrung des Gusses zu bewirken. Die Verwendung der Vorrichtung erfolgt in nachstehender Weise. Geschmolzenes Metall wird in die Form 20 durch den Eingußspeiser 26 eingeführt, es läuft daraufhin durch den Gegenstands­ abschnitt 24 und Selektions-Verengungsabschnitt 34, trifft auf und fließt über die Oberfläche 38 des Beimpfungsstückes 28. Durch die Einwirkung des geschmolzenen Metalles auf die Beim­ pfungsstückoberfläche 38 wird dieses erhitzt und bringt es zum Schmelzen und durch auftretende Turbulenzen wird die Entfernung von allen Ablagerungen oder Filmen bewirkt. Das geschmolzene Metall, welches über die Oberfläche 38 des Beimpfungsstückes 28 geflossen ist, verbleibt in dem Startabschnitt 32, benachbart zum Beimpfungsstück 28. So wirkt der Startabschnitt 32 als ein Auf­ nahmereservoir für das geschmolzene Metall, welches zum Erhitzen des Metalls des Beimpfungsstückes 28 dient. Das Aufnahmereser­ voir könnte abseits von der Höhlung, die das Beimpfungsstück ent­ hält, falls erwünscht, angeordnet werden. Die Metalleinführung duch eine separate Eingußöffnung, wie in der US-PS 39 15 761 dargestellt, vorzunehmen, ist eine andere Möglichkeit. In solchen Fällen muß die Starthöhlung noch so ausgestaltet sein, um den Durchfluß von geschmolzenem Metall zu gestatten. Wie die Einzel­ teile in der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ausgestal­ tet sind, ist dort deutlich dargestellt. Bei dieser Ausführung nach Fig. 1 geht das geschmolzene Metall über die Beimpfungs­ stückoberfläche 38 und umgibt das Beimpfungsstück 28 seitlich und trägt dadurch weiter dazu bei, um es zu erhitzen.

Wenn die Form mit Metall gefüllt ist, wird durch Abfüh­ rung der Wärme durch die Kühl- und Formwände nach an sich be­ kannten Methoden das geschmolzene Metall aufeinanderfolgend entlang der Hauptachse der Form zum Erstarren gebracht, die senkrecht verläut. Metall in dem Startabschnitt wird zuerst erstarren und ein Hauptteil des Beimpfungsstückes ist als festes durchgehendes Stück anwesend. Insoweit als der Selektions-Verengungsab­ schnitt 34 oberhalb des Beimpfungsstückes 28 zentrisch angeordnet ist, wird Metall, welches epitaxial auf der Oberfläche 38 des Beimpfungsstückes 28 erstarrt, im gewünschten Sinne zuerst den Selektions-Verengungsabschnitt erreichen und dort hindurchfließen. Da das erstarrende Metall, welches durch den Selektions-Verengungsabschnitt ge­ flossen ist, epitaxial von dem Beimpfungskristall aus erstarrt, hat es die gleiche Orientierung wie der Impfkristall. In glei­ cher Art und Weise hat der in dem Gegenstandsabschnitt 24 gebil­ dete Gegenstand eine gleiche Orientierung, denn er erhält seine Struktur von dem früher erstarrten Material des Selektions-Ver­ engungsabschnittes.

Fig. 3 verdeutlicht mehr im einzelnen die Anordnung der wichtigen Teile der Erfindung in dem Startabschnitt. Um eine ge­ wünschte zweite Orientierung zu erhalten, ist es erforderlich, daß der Beimpfungskristall in einer vorbestimmten Weise in bezug auf den Gegenstandsabschnitt 24 orientiert wird. Dies ist erreich­ bar durch Orientieren von beiden, nämlich dem Beimpfungsstück 28 und der Form 20 in fester Beziehung zu der Kühlplatte 22. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Form 20 zu der Kühlplatte 22 durch Mittel 37 zur festen Halterung der Form orientiert, die auch die Funktion ha­ ben, die Form 20 gegen die Kühlplatte 22 festzuklemmen, um eine Leckage zu ver­ hüten. Es können auch andere Orientierungsmittel verwendet werden, besonders in der Massenproduktion, wie Polarisierung der Kühl­ platte 22 und Form 20 durch Gestaltung an ihren Kontaktpunkten oder Verwendung von elektro-optischen Sensoren mit geeigneten Anzeigen. Wie im einzelnen in Fig. 4 dargestellt ist, sind Mittel für die Orientierung des Beimpfungsstückes 28 in bezug auf die Kühlplatte 22 angeordnet. Vertikale oder primäre Achsenorientie­ rung wird durch die ersichtlichen Mittel durch Hervorstehenlassen des Beimpfungsstückes 28 aus der Oberfläche der Kühlplatte 22 bewirkt. Die sekundäre Orientierung oder die polare Orientierung um die primäre Achse wird mittels eines Eingreifschlitzes und Nute gesteuert. Wie dargestellt, hat der Beimpfungskristall 28 einen einfachen Schlitz 46 über seinem Durchmesser, während die Kühlplatte 22 mit einer aus einem Stück bestehenden Nute 48 ver­ sehen ist. Andere mechanische Hilfsmittel, Ortshalterungen und andere polarisierenden Methoden sind ebenfalls geeignet.

Weiterhin ist in den Fig. 3 und 4 ein keramischer Ring 40 dargestellt, welcher den Ringumfang des Beimpfungsstückes 28 umgibt. Dies ist eine Abgrenzschicht, um zu verhindern, daß ge­ schmolzenes Metall, welches über die Oberfläche 38 des Beim­ pfungsstückes 28 gekommen ist und zum Verbleiben in den Startabschnitt 32 eintritt, an dem Ringumfang 42 des Beimpfungsstückes 28 festhaftet. Der Ring 40 wird dazu tendieren, das Schmelzen am Beimpfungsstück-Ringumfang 42 zu verhindern und ferner wird es das Anhaften des geschmolzenen Metalls in dem Startabschnitt 32 zu dem Beimpfungsstück-Ringumfang verhüten. Demgemäß wird, nachdem das Metall in Startabschnitt 32 erstarrt ist und das vollständige Gußstück aus der Form 20 entfernt ist, das Gußstück über der Ebene der Ober­ fläche 38 abgeschnitten werden. Dadurch wird das Beimpfungsstück 28 vom Startabschnittgußstück leicht abtrennbar und kann nach geringfügiger Behandlung wiederverwendet werden.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des keramischen Schildes 40, wobei das Schild 40 in die Kühlplatte 22 zusammen mit dem Beimpfungsstück 28 eingesetzt ist. Das Schild kann aus einem keramischen Material oder einer anderen Substanz gefertigt sein, die widerstandsfähig gegen die Einwirkung des geschmolze­ nen Metalls während der kurzen Zeit ist, in der es diesem vor seiner Erstarrung ausgesetzt ist. Es ist nur erforderlich, daß das Schild 40 aus einem Material gebildet wird, welches die er­ forderliche thermische und Korrosions-Widerstandsfähigkeit be­ sitzt und zusätzlich genügende mechanische Festigkeit aufweist, die unter der Wirkung des geschmolzenen Metalls nicht verloren­ geht. Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, braucht die Abgrenz­ schicht um den Ringumfang des Beimpfungsstückes kein separates physikalisches Bauteil zu sein, so daß es auch ebenso gut ein Überzug 40 an dem Beimpfungsstück 28 sein kann.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, in der das Beimpfungsstück 28 zusammen mit dem Schild 40, in gleicher Ebene liegend, mit einer vertieften Region der Ober­ fläche der Kühlplatte 22 angeordnet ist. Zusätzlich ist eine ringförmige Platte 44 vorgesehen, die auf der Kühlplattenober­ fläche 36 in Nachbarschaft zum Beimpfungsstück 28 aufliegt. Die Platte 44 hat die Funktion, die Kühlung durch die Kühlplatte 22 herabzusetzen und dadurch die Rate der Erstarrung des geschmol­ zenen Metalls in Nachbarschaft zu dem Beimpfungsstück 28 zu er­ niedrigen, im Vergleich zu der Anordnung, bei der die Platte 44 nicht vorhanden wäre. Das Metall, welches von der Kühlplattenober­ fläche 36 aus erstarrt, wird nicht die gewünschte kristallogra­ phische Orientierung des Beimpfungsstückes 28 haben, insbesondere wird es Starthöhlungskonfigurationen aufweisen. Die Gegenwart der Platte 44 gibt mehr Sicherheit dafür, daß Metall mit unerwünsch­ ter kristallographischer Orientierung nicht den Selektions-Verengungsab­ schnitt 34 erreichen wird, bevor das Metall epitaxial von der Beimpfungsstückoberfläche 38 aus erstarrt ist. In Fig. 6 ist die Platte 44 als ein separates Bauteil dargestellt, welches die gänz­ lich ausgesetzte Kühlplatte 22 in dem Startabschnitt 32 abdeckt. Jedoch kann das Ausmaß des Durchmessers der Abdeckung variiert werden, beispielsweise durch Herabsetzen des Durchmessers der Platte 44, so daß ein Teil der Kühlplattenoberfläche an der Peripherie der Höhlung freibleibt. Die Variation des Abdeckens der Kühlplatte würde steuerbar die Wärmeabführung aus dem Metall in dem Startabschnitt 32 variieren, um die gewünschte Erstarrung des Ge­ genstandes zu bewirken. Zusätzlich ist es möglich, die Platte 44 zusammen mit dem Ring 40 aus einem Stück zu fertigen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. In einer anderen Ausführung kann die Platte 44 zusammen mit der Form 20 aus einem Stück bestehen, wo­ bei in diesem Falle der Innendurchmesser des Plattenteils vari­ iert werden würde, um die Wärmeabführung zu steuern. Die Platte 44 kann auch als Überzug auf der Kühlplatte ausgebildet werden, und das Funktionieren der Platte kann durch die Dicke und die chemischen Charakteristiken des Konstruktionsmaterials variiert werden.

Die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung und des Ver­ fahrens kann auf die Herstellung von Einzelstücken oder Mehrfach­ stücken angepaßt werden. Mehrfachstücke können durch das Auf­ stellen einer Mehrzahl an Formen des in Fig. 1 gezeigten Typs als Zusammenstellung hergestellt werden, wie es übliche Praxis in der Massenproduktion von orientiert erstarrten Anlageguß­ stücken ist. Ferner kann mehr als ein Teil aus einem Einzelimpf­ kristall hergestellt werden, indem die Form unmittelbar oberhalb des Selektions-Verengungsabschnittes etwa in der Art, die von Petrov in der US-PS 38 57 436 beschrieben ist, verbreitert wird.

Während die vorstehende Erfindung in der bevorzugten Aus­ führungsform in Ausdrücken eines Einzelkristallgusses beschrie­ ben worden ist, ist es in Übereinstimmung mit der Erfindung, daß säulenförmige Gefüge-Gußstücke und andere epitaxial abgeleitete Gußstrukturen hergestellt werden können. Diese Erfindung ist für jede gießbare Legierung verwendbar, für die eine geeignete Form hergestellt werden kann. Es sei weiter bemerkt, daß der Fachmann auf diesem Gebiet verschiedene Wechsel und Weglassungen in der Form und im einzelnen durchführen kann, ohne dadurch den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims (5)

1. Vorrichtung für die Erstarrung geschmolzenen Metalls zu einem Gußstück mit gerichteter kristallographischer Orientierung, bestehend aus

• a) einer Kühlplatte (22) zum Abkühlen der Metallschmelze während der gerichteten Erstarrung;
• b) einem Beimpfungsstück (28) mit einer bekannten kristallographischen Orientierung zur Einleitung epitaxialer Erstarrung, die im Gußstück erwünscht ist,
• c) Mitteln (30) zum Halten des Beimpfungsstückes (28) in einer vorbestimmten Orientierung in bezug auf die Form (20) im kurzen Abstand zu der Kühlplatte (22), so daß die Wärmeabführung von dem Beimpfungsstück (28) zu der Kühlplatte (22) durch das Herausragen des Beimpfungs­ stückes (28) aus der Kühlplatte (22) erreicht werden kann;
• d) einer Form (20) mit einem Gegenstandsabschnitt (24) und einem Startabschnitt (32), wobei der Start­ abschnitt (32), im Kontakt mit der Kühlplatte (22) steht und gemeinsam mit der Kühlplatte (22) einen Raum bildet, der zur Aufnahme des herausragenden Beimpfungsstückes (28) und des geschmolzenen Metalls ausgebildet ist; und Mitteln (37) zur festen Halterung der Form (20) an die Kühlplatte (22), um die Orientie­ rung der Form (20) in bezug auf das Beimpfungsstück (28) zu steuern,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Startabschnitt (32) und dem Gegen­ standsabschnitt (24) ein als gerader Kanal ausgebil­ deter Selektions-Verengungsabschnitt (34) vorgesehen ist, und daß der aus der Kühlplatte (22) herausragende Abschnitt des Beimpfungsstückes (28) mit Abstand von der Formraumwand des Startabschnittes (32) umgeben ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform für fallendes Gießen eingerichtet ist, und in vertikaler Richtung einen Eingußspeiser (26), einen Gegenstandsabschnitt (24), einen Selektions-Verengungsabschnitt (34), einen Startabschnitt (32) und eine Kühlplatte (22) hat, wobei das Beimpfungsstück (28) in Fließrichtung unter dem Selektions-Verengungsabschnitt (32) angeordnet ist, so daß das Beimpfungsstück (28) beim Abguß direkt mit Schmelze beaufschlagt wird und darauf befindliche Oberflächenverunreinigungen durch Verwir­ belung entfernt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in den Startabschnitt (32) ragende Teil des Beimpfungsstückes (28) von einem keramischen Ring (40) umgeben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Startabschnitt (32) eine auf der Kühlplatte (22) aufliegende oder darin eingelassene ringscheibenförmige Platte (44) vorgesehen ist, die das Beimpfungsstück (28) oder den keramischen Ring (40) umgibt und die Kühlung durch die Kühlplatte (22) herabsetzt.