DE2952150A1

DE2952150A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von barren aus metallischen verbundwerkstoffen durch gerichtetes erstarren

Info

Publication number: DE2952150A1
Application number: DE19792952150
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Hauser; Fernand Pautonnier; Maurice Rabinovitch
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1978-12-29
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1980-07-03
Also published as: IT7928445A0; SE447829B; US4459161A; DE2952150C2; US4307769A; SE7910495L; GB2038679B; JPS5921935B2; GB2038679A; IT1164539B; CA1147930A; FR2445193A1; JPS55110746A; FR2445193B1; CH632686A5

Description

DR. INC. HANS LlCHTI DIPL. INC. HEINER ^LIC HjTA R O DlPL. PHYS. DR. KLAUS LEUTVEJN PATENTANWÄLTE

D-75OO KARLSRUHE 41 ( C ROTZ I N C E N ) DUR LAC H E R STR. 31 ( HOC H H AUS) TELEFON (O72I) 48511 ■ TELEX 7825986 LIPA D

22. Dezember 1979 5117/79-Ls

DE OFFICE NATIONALD'ETUDES ET/RECHERCHES AEROSPATIALES (O.N.E.R.A) 29 - 39 avenue de la Division Ledere F-92320 ChatiI lon / Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Barren aus metallischen Verbundwerkstoffen durch gerichtetes Erstarren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Barren aus metallischen Verbund-Werkstoffen durch gerichtetes Erstarren, und auf eine Vorrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens.

Sie findet Anwendung auf die Herstellung von Barren aus Verbund-Werkstoffen, die durch während der Erstarrung der Legierung gebildete Fasern oder Lamellen verstärkt sind. Der Ausdruck "Barren" ist hier in seinem allgemeinen Sinne zu verstehen, d. h. es handelt sich hier

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um Werkstücke von zylindrischer länglicher Form, deren Querschnitt kreisrund, polygonal oder komplexer Natur sein kann und von denen ausgehend durch Maschinen verschiedenartige gewünschte Erzeugnisse hergestellt werden können.

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung auf die Herstellung von Barren aus hochtemperaturfesten Verbund-Werkstoffen, wie solche von der Anmelderin in dem französischen Patent Nr. 6.912.452, dem Zusatzpatent Nr. 6.944.708, dem französischen Patent Nr. 7.431.140 und der französischen Patentanmeldung Nr. 7.832.151 vorgeschlagen worden sind, und die aus einer komplexen Matrix aus einer Supeiegierung auf der Basis von Nickel und/oder Eisen und/oder Kobalt mit einem Gehalt von Chrom und eventuell anderen Elementen, wie etwa Wolfram oder Aluminium bestehen, und der eine Verstärkungsphase enthalten ist, die aus monokristallinen Fasern mindestens eines Monokarbides eines Ubergangsmetalles bestehen.

Diese Materialien sind wegen ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften in besonderem Maße für Werkstücke geeignet, die bei ihrer Tätigkeit bei erhöhten Temperaturen hohen Belastungen ausgesetzt sind, wie etwa die Schaufeln von Flugzeugturbinen. Solche Werkstücke werden ausgehend von Rohlingen oder Barren, aus denen das gewünschte Werkstück, wie etwa eine Turbinenschaufel, hergestellt wird, sei es z. B. direkt durch Formguß, wobei die Legierung in einer der Form des Werkstückes genau entsprechenden Form durch gerichtetes Erstarren verfestigt wird. Bei der bis zur Gegenwart ausgeübten Verfahrensweise wird die Legierung, die dem gerichteten Erstarren unterzogen werden soll, vorher in einem Zug in eine Form eingeführt, sei es in geschmolzener Form, oder sei es noch

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in Form eines vorlegierten Pulvers, d. h. eines Pulvers, dessen untereinander gleiche Körner die nominelle Zusammensetzung der Legierung besitzen. Die Gußform wird daraufhin an einer übereinander liegenden Kältequelle und einer Wärmequelle vorbei geführt, wobei die Distanz zwischen der Wärmequelle und der Kältequelle, sowie die Kraft der Wärmequelle einerseits, und die Geschwindigkeit der Vorbeiführung der Gußform andererseits derart geregelt werden, daß sich im Inneren der in der Form enthaltenen Legierung eine streng ebene Erstarrungsfront mit einem auf das Niveau der Front eingestellten Temperaturgradienten bildet, so daß ebenso Körner, wie Verstärkungs-Fasern oder -Lamellen senkrecht zur Erstarrungsfront erhalten werden. Für Werkstoffe mit monokristallinen Fasern von Monokarbiden eines Typus, wie die der Anmelderin, richtet man einen Temperaturgradienten von 120 bis 200°C/cm in der Höhe der Erstarrungsfront ein und man verschiebt die Gießform mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von Icm/Stunde.

Bis zur Gegenwart war es niemals möglich gewesen, Werkstücke von großer Länge zu erhalten, die über ihre gesamte Länge konstante mechanische Eigenschaften zeigten. Es scheint in der Tat so zu sein, daß wegen der großen Höhe des in der Gießform enthaltenen flüssigen Anteils ein mit der Wärmebewegung des flüssigen Material zusammenhängendes Phänomen der Entmischung eintritt, das den Metallschmelzern gut bekannt ist. An der Grenzfläche fest-flüssig verteilen sich die die Legierung bildenden Elemente ungleich zwischen der festen und der flüssigen Phase unter

Ver-Berück sieht igung ihres jeweil igen-t eikingskoeff izienten. Auf diese Weise wird z. B. das Chrom in die feste Phase mit einem geringeren Anteils-Verhältnis eingebaut, als es in der flüssigen Phase vorhanden ist, so daß letztere die Tendenz hat, sich in der Nachbarschaft der Erstarrungsfront anzureichern; im Gegensatz dazu findet sich das Wolfram vorzugsweise

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in der Festkörper-Phase eingebaut und zwar in einem höheren Anteils- Verhältnis, als es in der flüssigen Phase vorhanden ist, welch letztere an Wolfram verarmt. Daraus resultiert für die Herstellung von Werkstücken großer Länge bei denen die Gießform am Beginn des Verfestigungsprozesses einen flüssigen Anteil von großer Höhe enthält, daß in dem Maße des Fort schrei tens der Verfestigung das enthaltene verfestigte Material unvermeidbar Unterschiede in der Zusammensetzung zwischen den an erster Stelle und den zuletzt verfestigten Partien aufweist. Diese letztere zeigt im Hinblick auf die zuvor als Beispiele betrachteten Elemente einen Gehalt an Chrom und einen Gehalt an Wolfram, der relativ bemerkenswert höher bzw. niedriger ist, als in der an erster Stelle erstarrten Partie. Daraus resultiert auch, daß die metallurgische Struktur vom einen zum anderen Ende des hergestellten Werkstückes nicht konstant ist, und daß der Volumenanteil an Verstärkungsfasern im Inneren der Matrix bei der Betrachtung der Querschnitte des Materials sich vom einen zum anderen Ende entwickelt nach Maßgabe der Entwicklung der Konzentration der die Fasern bildenden Elemente, womit kosequenterweise eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der abgewandelten Stücke verbunden ist.

Es ist nun ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Legierungs-Werkstücken durch gerichtetes Erstarren vorzuschlagen, welches das Auftreten des Phänomens der Entmischung zu verhindern und mehr oder weniger die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes streng zu begrenzen erlaubt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, das die Herstellung von Barren beliebig großer Längen durch gerichtetes Erstarren einer Legierung gestattet, die gute mechanische Eigenschaften aufweisen und diese über ihre ganze Länge beibehalten.

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Das Verfahren gemäß der Erfindung, nach dem die Gießform mit Bezug auf eine Kältequelle und eine dieser übergelagerten Wärmequelle in einer absteigenden Bewegung verlagert wird, wobei die Relativlage der beiden Quelle zueinander und ebenso ihre Wirksamkeit so abgestimmt sind, daß sich im Zentrum der Legierung eine genau ebene Erstarrungfront, ebenso wie ein auf das Niveau der erwähten Front erhöhter Temperaturgradient einstellt, wobei die Ausgangslegierung in Form eines Legierungspulvers der geforderten Brutto-Zusammensetzung angewendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß indie Gießform fortlaufend Legierungspulver in solcher Menge eingeführt wird, daß sich eine genau konstant bleibende Menge flüssiger Legierung während des ganzen Erstarrungsvorganges bildet.

Ein solches Verfahren erlaubt es, die Konzentrationen der verschiedenen Bestandteile der Legierung in der Höhe der Erstarrungsfront mit genau konstanten Werten aufrechtzuerhalten, wobei die ungleiche Verteilung der Bestandteile in der festen und der flüssigen Phase in der Höhe der Grenzfläche fest-flüssig in jedem Augenblick kompensiert wird, durch die Zuführung von Legierungspulver der nominalen Brutto-Zusammensetzung nach Maßgabe des Vorrückens der Erstarrungsfront. Man erhält auf diese Weise ein Werkstück, welches unabhängig von seiner Länge in sämtlichen Querschnitten eine konstante metallische Zusammensetzung, ebenso wie eine konstante metallurgische Struktur aufweist.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung und in allgemeinem Sinne ist es empfehlenswert, in der Gießform eine flüssige Phase der Legierung beizubehalten, deren Zusammensetzung während des gesamten Erstarrungsprozesses ziemlich genau konstant bleibt. Die Gestalt der Gießform und . die Erstarrungsgeschwindigkeit erlauben es, die Menge der pro Zeiteinheit

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in die Gießform einzuführenden Legierung zu bestimmen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung benötigt .iemgemäß Mittel zum Einführen des Legierungspulvers in die Gießform und zwar in dem Maße, wie die Erstarrung fortschreitet, in einer Menge pro Zeiteinheit die der Menge der pro Zeiteinheit erstarrten Legierung entspricht.

Vorteilhafterweise bestehen diese Mittel aus einer Verteilungsvorrichtung für das Legierungspulver, die dessen nominale Brutto-Zusammensetzung einführt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
In diesen zeigen:

Figur 1 Einen Teil der Gesamtvorrichtung nach der

Erfindung im Längsschnitt, in schematischer Darstellung;

Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie H-Il in

Figur 1;

^pigur 3 einen Vorrichtungsteil

zur E ir>*ührung des Legieoir jspulvers m

•■-~^r er D^'sU; „ίλ.

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-AO .

Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in

Figur 3;

Figur 5 eine Graphik der Zusammensetzung eines

Barrens des nach der Erfindung erhaltenen überlegierten Werkstoffes entlang der Lange des Barrens.

Zur Herstellung von Legierungs-Werkstücken beliebiger Länge mit orientierter Struktur durch Gießen, insbesondere des Typs mit einer komplexen Matrix in einer Super legierung auf der Basis von Nickel und/oder Kobalt und/oder Eisen, enthaltend Chrom ebenso wie andere Elemente, z.B. Wolfram oder Aluminium und monokristalline Verstärkungsfasern, die als Metallkarbide der Übergangsmetalle "in situ" entstehen, wird ein gerichteter Erstarrungsprozeß einer Ausgangslegierung in einer von einer Wärmequelle und einer unter dieser angeordneten Kältequelle umgebenen Gießform durchgeführt, wobei die Gießform mit Bezug auf die beiden Quellen mit geeigneter konstanter Geschwindigkeit verlagert wird und die Relativlage der genannten Quellen und ihre Wirksamkeit derart geregelt werden, daß sich im Innern der Legierung eine ebene Erstarrungsfront und auf deren Niveau ein erhöhter Temperaturgradient einstellen, wobei fortlaufend in die Gießform Legierungspulver in einer Menge zugeführt wird, die eine Funktion des Fortschrei tens der Erstarrung ist.

Figur 1 zeigt einen Teil der Gesamtapparatur, nämlich den Ofen, in dem die Erstarrung vor sich geht.

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Dieser besitzt einen oberen äußeren Schacht 10 und einen unteren äußeren Schacht 11, wobei die Wandung 12 des oberen Schachtes 10 in eine Platte bzw. ein Chassis 13 eingebaut ist, welches mit dem Schacht 11 einstückig verformt ist, welch letzterer (11) doppelwandig ausgebildet ist, wobei zwischen den Wandungen Kühlwasser zirkuliert. Mit dem Chassis ist zugleich ein Abkühlungsblock 14 fest verbunden, den der Mantel 12 umgibt, welcher Abkühlungsblock eine Muffe aus Kupfer ist, die von Durchlässen für die Durchströmung von Wasser durchsetzt ist, welch letztere zu einem Rohrstutzen 15 führen, und durch einen Rohrstutzen 16 evakuiert werden kann.

Die zylindrische Wandung 12 des oberen Schachtes 10 ist innenseitig ausgekleidet und zwar oberhalb des Abkühlungsblocks 14 mit einem thermischen Isolationskörper 17, z. B. aus porösem Graphit, der dazu vorgesehen ist, die seitlichen thermischen Verluste herabzusetzen, und der eine erste Manschette 17.. mit dem inneren Durchmesser des Mantels 12 trägt und auf den Abkühlungsblock 14 aufgesetzt ist, sowie eine zweite Manschette 17p die durch eine Manschette aus Graphit 32 von der Manschette 17^ getrennt ist, und schließlich eine Hülse 17„, die die Manschetten 17^ und 17p umgibt. Die Isolationsgarnitur 17 aus porösem Graphit, die Manschette 32 und der ^bkühlungsblock 14 besitzen eine Längsbohrung solcher Dimension, daß die Verlagerung einer Gießform 19 mit minimalem Spiel möglich ist.

Im unteren Schacht 11 ist ein Kolben 20 in einer längsverlaufenden Kulissenführung unter Zwischenlage von Dichtungselementen 23, 24 montiert, wobei die an ihren beiden Enden offene Gießform am unteren Ende durch einen Verschlußstopfen 21 auf einer Tragplatte 22 verschlossen ist, welche die obere Frontseite des Kolbens 20 verkörpert. Der obere Teil der

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zylindrischen Wand 12 des oberen Schachtes 10 ist von einem Kopfstück abgedeckt, das an einem Flansch 26 fixiert ist, und aus einer Zylinderwand 27, einem Bodenteil 28 und einem Deckel 29 besteht und in seiner Mittelachse einen rohrförmigen Stutzen 30 trägt, der dazu bestimmt ist, die Verbindung mit einer Zuführungseinrichtung zur Einführung von Legierung in die Gießform herzustellen, wie weiter untenmit Bezug auf Figur 3 beschrieben wird.

Ein die zylindrische Wand 12 des oberen Schachtes 10 umgebender Induktor 31 bildet die Wärmequelle der Apparatur, die Manschette aus Graphit 32, die zwischen den thermisch isolierenden Manschetten 17

und 17 angeordnet ist, spielt die Rolle des Resistors.

Die Gießform 19 besteht aus einem Rohr von geringer Wanddicke von 0,5 bis 1,5 mm aus feuerfestem Oxid, wie Aluminiumoxid großer Reinheit (mehr als 99,5%) und nur geringem Porenvolumen (weniger als 10%) , das beispielsweise durch Ausblasen aus einer Sauerstoff-Azetylenflamme oder aus einer Plasma-Pistole um ein Modell des zu erstarrenden Barrens erhalten werden kann. Eine auf diese Weise hergestellte Gießform ist chemisch sehr widerstandsfähig gegenüber Werkstoffen mit hohem Gehalt an Kohlenstoff solcher Typen, wie der der Anmelderin, wenn diese in flüssigem Zustand vorliegen und sie zeigen eine geringe thermische Widerstandsfähigkeit, die es nicht verhindert, einen erhöhten Temperaturgradieten in der Größenordnung von 120 bis 200 C pro/cm zu erhalten. Eine derartige Gießform ist allerdings mechanisch nicht ausreichend wiederstandsfehig um ohne vorheriges Brennen verwendet werden zu können; sie unterliegt dem Risiko der Deformation durch Kriechen bei hoher Temperatur. Es ist deshalb vorgesehen, die Gießform nnit Reifen 33 (s. Figur 2) zu umgeben, welche als Graphitringe ausgebildet und übereinander um die

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Gießform angeordnet sind, auf diese Weise eine Hülse aus Kohlenstoffmaterial bilden .

Eine mit dem Erstarrungsofen durch den Rohrstutzen 30 verbundene Verteilungseinrichtung für Pulver (Figur 3) besteht aus einem Gehäuse mit einem Boden 35, auf welchem ein Träger 36 als Lager für einen Pulverbehälter 37 montiert ist. Der Pulverbehälter 37 besitzt eine auswechselbare Düse 38 zum Ableiten des Pulvers, eine Einfül!öffnung 39 zum Auffüllen des Behälters 37 mit Pulver, das durch die Öffnung 38 im Deckel eingespeist wird. Der Deckel 40 trägt einen Antriebsmotor 41 für regelbare Umlaufgeschwindigkeit, dessen vertikale Welle 42 das Innere des Gehäuses 34 durchdringt und an seinem anderen Ende einen horizotal angeordneten Drehteller 43 trägt.

Während der Funktion des \teteilers rieselt aus der Düse 38 des Pulverbehälters 37 auf den Drehteller 43 ein Streifen gleicher Stärke von vorlegiertem Pulver 44 aus, welches während der Drehung des Tellers 43 (Figur 4) mittels eines Abstreifers 45 abgestreift wird. Der Abstreifer 45 ist von einem auf einen Zapfen 47 montierten Arm 46 getragen. Das Pulver fällt in die Eintrittsöffnung eines Trichters 48, dessen Austrittsöffnung 49 in die zylindrische Bohrung des Rohrverbindungsstückes 30 einmündet und fällt in das Innere der Gießform 19 herab. Die Abgabe des Pulvers wird geregelt einerseits durch die Wahl des Durchmessers der Düse 38, andererseits durch Regelung der Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 43.

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Das Innere freie Volumen des Erstarrungsofens kann entgast und unter verminderten Druck gesetzt werden, so z. B. mittels Argon, das 5% Wasserstoff enthält, welches durch einen den Deckel des Pulververteilers 34 durchdringenden Einführungskanal 51 eingeführt werden kann, während die Evakuierung über einen Kanal 51' der am unteren Teil des unteren Schachtes angeordnet ist, erfolgt. Zum gleichen Zweck, den atmosphärischen Sauerstoff vom Ofen fernzuhalten, ist es vorgesehen, in der thermischen Isolationsgarnitur 17 des oberen Schachtes 10 des Ofens einen Tiecpl 52 vorzusehen, der mit einem desoxidierenden Agens angefüllt ist, z.B. mit Spänen aus Ti-Zr-Legierung (50/50). Der Tiegsf ist an solcher Stelle angeordnet, daß beim Anheizen des Ofens die sich einstellende Temperatur mit der desoxidierenden Aktivität des in dem Tiegel enthaltenen Materials korrespondiert.

Die Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung nach der Erfindung ist, wie folgt:

Auf den Verschlußstopfen 21 der Tragplatte 22 aus feuerbeständigem Stahl, dessen Querschnitt mit dem inneren Querschnitt der Gießform 19 unter Berücksichtigung eines geringfügigen Spiels für die Wärmeausdehnung entspricht, wird ein Legierungsblock bzw. ein Fußstück 53 des Barrens aufgebracht, der bzw. das die gleiche Zusammensetzung wie das Legierungspulver und den gleichen Querschnitt wie der innere Querschnitt der Gießform unter Berücksichtigung eines geringfügigen Spiels für die Wärmedehnung besitzt. Darauf wird die Gießform 1 9 über den Legierungsblock 53 und den Verschlußstopfen 21 eingeführt und anschließend die Graphitringe 33 um die Gießform herum aufgesetzt. Der die Gießform tragende Kolben 20 wird sodann mit Hilfe einer Zahnstange 61 und eines in diese eingreifenden Zahnrades 62, welches mit einem Motor 63 gekuppelt ist derart verschoben, daß die obere Fläche des Fußstückes 53

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des Barrens sich auf gleicher Höhe befindet, wie der obere Teil des Resistors 32. Der Schacht wird sodann geschlossen, entgast und mit einem Gemisch von Argon und Wasserstoff unter leichtem Überdruck gefüllt; sodann wird der Resistor 32 allmählich durch Hochfrequenzinduktion, die von einer Stromquelle 64 über den Induktor 31 eingetragen wird, auf seine Arbeitstemperatur gebracht. Der Abstand zwischen dem Resistor 32 und der Abkühlungsblock 14, ebenso wie die Steuerung der Heizung werden so geregelt, daß der Schmelzpunkt der zur Erstarrung vorgesehenen Legierung in der Zone des in einer Richtung und vertikal verlaufenden Wärmeflusses liegt, d. h. in der Zone, in der der Wärmeaustausch durch die Seitenwände der Apparatur dank des Vorhandenseins der Isoliergarnitur 17 inexistent ist, und - genauer ausgedrückt - derart, daß die Phasengrenzfläche fest-flüssig sich einige Millimeter unter dem unteren Niveau des Resistors 32 befindet. Die Lage der Erstarrungsfront wird angezeigt durch ein Thermoelement, dessen wärmeempfindliche Lötstelle 56 sich unmittelbar oberhalb des Niveaus der Erstarrungsfront in dem flüssigen Legierungsanteil befindet. Das Thermoelement ist mit einem Tempera tür-Kontroll gerät 65 verbunden, welches die dem Induktor 3 zugeführte Energie regelt, um die Temperatur im Bereich der Lötstelle des Thermoelementes 55 konstant zu halten.

Der Kanal 49 zur Zuführung des Legierungspulvers in die Gießform ist mit seiner Ausgangsmündung 57 in solchem Abstand von der freien Oberfläche der in der Gießform enthaltenen flüssigen Legierung angeordnet, daß einerseits die Temperatur der Zone, in der die Mündung 57 plaziert ist, nicht ausreicht, um die Körner des Pulvers zu schmelzen und dass andererseits diese letzteren in Form eines feinen Regens niederfallen und sich über die ganze Oberflache der geschmolzenen Legieru'Cs ausbreite"

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Das Legierungspulver wird eingeführt indem der Drehteller 43 in Drehung versetzt wird, und gleichzeitig wird die Gießform nach unten verlagert. Die einzuführende Menge an Metallpulver wird derart geregelt, daß das obere Niveau der flüssigen Legierung in der gleichen Höhe mit Bezug auf die fest angeordneten Teile des Erstarrungsofens bleibt, mit anderen Worten derart, daß der in der Gießform enthaltene Anteil an flüssiger Legierung während des gesamten Prozesses konstant bleibt.

Unter Berücksichtigung der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Dimensionen der Gießform kann man die pro Zeiteinheit erstarrte Menge an Legierung berechnen und in entsprechender Weise die in die Gießform einzuführende Menge an Legierungspulver durch geeignete Wahl der Dimension der Düse 38 durch Einstellung der Lage ihrer Mündung mit Bezug auf den Drehteller 43 und durch Einstellung der Geschwindigkeit des Drehtellers regeln.

Nach einer Zeit von einigen Minuten, während deren die Gießform allmählich nach unten verlagert wird, wird ein stationärer thermischer Zustand, ebenso wie ein stationärer Zustand des Übergangs der Legierungselemente aus der festen Phase in die flüssige Phase erreicht. Das geringe Volumen der flüssigen Phase und die konstante Zuführung des Pulvers der zur Erstarrung zu bringenden Legierung in deren nominaler Zusammensetzung in das konstante flüssige Volumen ermöglichen es eine mittlere konstante Zusammensetzung in der flüssigen Phase in der Höhe der Erstarrungsfront aufrechtzuerhalten, ungeachtet dessen, daß die Verteilung der Elemente zwischen der flüssigen und der festen Phase verschieden ist und ungeachtet des in der flüssigen Phase durch Wärmebewegung auftretenden Wirbels. Die nach dem Verfahren der Erfindung erstarrte

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Legierung zeigt bedeutend geringere Entmischungen als eine Legierung der gleichen nominalen Zusammensetzung, die nach irgendeinem anderen bekannten Verfahren zur Erstarrung gelangt ist bei der die Zuführung der Ausgangslegierung nicht in einer Dosierung nach Maßgabe des Fort schrei tens der Erstarrung zugeführt wird, sondern bei der die gesamte Menge der Legierung anfänglich in flüssigem Zustand vorlag.

Die Weiterbewegung der Gießform, die Zuführung von Legierungspulver und die Zuführung von Wärme wenden unterbrochen, sobald die flüssige Legierung den oberen Rand der Gießform erreicht hat. Die Länge derselben und der verfügbare Weg für ihr Ausfahren bilden in der Tat die einzigen Grenzen für die Länge der durch gerichtetes Erstarren herzustellenden Werkstücke.

Beispiel 1

Ein Barren einerSuperlegierung auf der Basis von Nickel, der folgenden Gew-Zusammensetzung: Basis Ni - 10% Cr - 10% W - 20% Co - 4% Al - 4,9 % Nb 0,55% C wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung in einer Gießform hergestellt, deren Querschnitt in Figur 2 gezeigt ist, d. h. einem Querschnitt in der Form eines Parallelogramms mit 22mm auf 35mm bei einem abgerundeten Winkel von 75 Grad.

Die Form wird ^; ■ Of*r, Ofen eirgetr -: er jnci ec ·.·. -o <i ■·- '-eg'·^·· ν ; ν- ■=· ■?.·■'

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anders ausgedrückt die Geschwindigkeit der Verlagerung der Gießform beträgt etwa 1,2 cm/Stunde.

In Figur 5 sind die repräsentativen Kurven für die Gehalte des bei diesem Verfahren erhaltenen Barrens an jedem der anderen Elemente, ausgenommen das Basiselement, d. h. des Nickels aufgetragen, wobei die Abszisse die Länge der erstarrten Legierung in Millimetern, die Ordinate den Gehalt in Gew.-% eines jeden der Elemente zeigt. Aus diesen Kurven ergibt sich, daß wenn von Anfang der Bildung des Barrens an die Länge der flüssigen Zone auf ungefähr 50mm herabgedrückt wird, die Gehalte des erhaltenen Barrens an jedem der Elemente um weniger als 5% (ihres Relativwertes) über die gesamte Länge des Barrens schwanken und um weniger als 2% (ihres Relativwertes) , wenn man das Element Chrom ausnimmt. Die faserig orientierte Struktur, nämlich die durch die Matrix, die mit Fasern des Monokarbids des Niobiums verstärkt ist gebildet wird, bleibt über die ganze Länge vollkommen erhalten und irgendeine Entwicklung des Volumenanteils der Fasern an Monokarbid des Niobiums ist nicht nachweisbar.

Die für die Konzentration der Elemente als Funktion der erstarrten Länge repräsentativen Kurven tendieren sämtlich zu einer Asymptote, deren Ordinate dem Gehalt des betreffenden Elementes in der Mutter leigerung gleich kommt. Diese Feststellung bestätigt die Tatsache, daß man Barren erstarrter Legierung von beliebiger Länge erhalten kann, die keine Entmischung über ihre Länge hinsichtlich ihrer metallischen Zusammensetzung und hinsichtlich ihrer metallurgischen Struktur zeigen, und zwar indem man stets den ersten Teil der erstarrten Zone, d.h. den der Höhe der flüssigen Zone entsprechenden Teil eliminiert.

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Beispiel 2

Unter den gleichen Bedingungen, wie bei Beispiel 1 angegeben, wird ein Verbundwerkstoff der folgenden gewichtsmäßigen Zusammensetzung zur Erstarrung gebracht: Basis Ni - 10% Co - 4% Cr - 10% W - 16% Al 4,2% Nb - 0,46% C- 2% Mo.

Die Schwankungen des Gehalts an jedem Element, einschließlich der Zusatzelemente des nach der Erstarrung erhaltenen Barrens sind denen des Beispiels 1 analog. Die Faserstruktur des Verbundwerkstoffs verläuft fehlerfrei über die ganze erstarrte Länge und es ist keine Entwicklung der Volumenfraktion der Fasern zu erkennen.

Beispiel 3

Barren aus Verbundwerkstoff des Beispiels 1, einerseits, und des Beispiels 2, andererseits, mit rechteckigem Querschnitt und den Dimensionen 12 mm auf 65 mm des Querschnitts bei angerundeten Querschnittsecken, wurden ebenfalls durch gerichtetes Erstarren unter den gleichen Bedingungen wie jene der Beispiele 1 und 2 hergestellt.

Die Abwandlungen der Gehalte der Zusatz-Elemente in den erhaltenen Barren entsprechen denen der Beispiele 1 und 2. Die Struktur des erhaltenen Werkstoffes ist wiederum vollkommen faserig bei konstanter Volumenfraktion über den ganzen erstarrten Teil.

Vergleichsbeispiel

Zum Zwecke des Vergleichs wurde ein Barren aus der gleichen Legierung wie der des Beispiels 1 durch gerichtetes Erstarren hergestellt, und zwar mit dem gleichen Querschnitt wie in diesem Beispiel und von einer Gesamtlänge von 250 mm, entsprechend der mit den früheren Verfahren herstellbaren Länge.

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Es wurde nach dem früher üblichen Verfahren ohne fortlaufende Zuführung von frischer Legierung (Verfahren A) ein Barren durch gerichtetes Erstarren hergestellt. Die Gesamtlänge des von Anfang an geschmolzenen Teils betrug ebenfalls 250 mm. Andererseits wurde ebenfalls durch gerichtetes Erstarren ein Barren· gleicher Länge, jedoch nach dem Verfahren mit laufender Zuführung von vorlegiertem Pulver entsprechend der Erfindung (Verfahren B) hergestellt, bei dem die Höhe der geschmolzenen Zone 50 mm war.

Bei dem einen wie dem anderen Verfahren betrug der eingestellte Temperaturgradient 140 C/cm, und die Geschwindigkeit der Erstarrung betrug 1,2 cm/Stunde. Von beiden erhaltenen Barren wurden die Gewichtsverhältnisse bestimmter Elemente in mehreren Querschnittsebenen ermittelt. Die Resultate dieser Bestimmungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt.

Anlage:
Tabelle

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T a b e I le

Vergleich der Zusammensetzung der durch gerichtetes Erstarren erhaltenen Barren aus Verbund-Werkstoff gleicher totaler Länge.

A - durch ein übliches Verfahren ohne fortlaufende Material τ Zuführung (totale Länge des von Anfang an geschmolzenen Anteils: 250 mm.)

B - Nach dem Verfahren mit kontinuierlicher Zuführung von vorlegiertem Pulver (Höhe der geschmolzenen Zone: 50mm).

Abstand vom Anfang der	Cr %	A	9	y	A	W	%	B	0	C	A	%	B
Erstarrungszone mm	8,8	9	,1	11,		9,51	0	,61	0,55
15	9,0	9	,54	11	8	9,38	0	,57	0,53
50	9,45	9,	,83	11	,65	9,50	0	,54	0,53
100	10,4	9,	95	10	,4	9,38	0	,535	0,53
155	10,8		99	10	,8	9,40		,525	0,53
200		4,			,5		1
relative Streuung der	18%		5%		1%		0%	0%
Zusammensetzung				11%	(x)			(x)
zwischen den Schnitten
50 und 200mm

(x) Innerhalb der Genauigkeit der Zuführung.

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Claims

DR. ING. HANS LICHTI · DIPL. ING. HEINER DIPL.-PHYS. DR. KLAUS LEUTWEIN PATENTANWÄLTE D-75OO KARLSRUHE -41(CRoTZINGEN) - DU R LA C H ER STR. 31 !HOCHHAUS) TELEFON IO72I) 48511 ■ TELEX 7825986 LIPA D 22. Dezember 1979 5117/79-Ls ITR Γ OFFICE NATIONALD'ETUDES ET/RECHERCHES AEROSPATIALES (O.N.E.R.A.) 29-39 avenue de la Division Ledere F-92320 Chat ill on / Frankreich Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Barren aus Metal !-Legierungen durch gerichtetes Erstarren, wonach eine Gießform mit Bezug auf eine Wärmequelle und eine unter dieser angeordneten Kälte quelle bewegt wird, wobei die Relativlage der beiden Quellen zueinander und ihre Wirksamkeit, sowie die Geschwindigkeit der Verlagerung der Gießform so abgestimmt sind, daß sich im Zentrum der in der Gießform enthaltenen Legierung eine ebene Erstarrungsfront mit ei nenn auf das Niveau der erwähnten Front erhobenen Temperaturgradienten einstellt, so daß sich senkrecht zur Erstarrungsfront eine Orientierung der Struktur der Legierung einstellt, wobei femer die Ausgangs-Legierung in Form eines Legierungspulvers der nominellen Brutto-Zusammensetzung vorl iegt,
dadurch gekennzeichnet,

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daß während des gesamten Erstarrungsvorganges in die Gießform Legierungspulver derart eingeführt wird, daß es in Form eines Regens aus feinen Körnern, die sich über die ganze Oberfläche des in der Gießform enthaltenen geschmolzenen Anteils der Legierung verteilen, einfällt, wobei die pro Zeiteinheit eingeführte Menge der in der Zeiteinheit erstarrten Menge entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit eingespeiste Menge an Legierungspulver während einer Charge konstant ist.

3. Vorrichtung zum Gießen von Barren aus Legierungen mit orientierter Struktur, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, bestehend aus einer in einem Ofen befindlichen dünnwandigen Gießform, die von einer Wärmequelle und unterhalb dieser von einer Kältequelle umgeben ist, und Mitteln zum Verlagern der Gießform mit Bezug auf die beiden Quellen, wobei die Relativtage der beiden Quellen zueinander und ihre Wirksamkeit einstellbar ist, um im Zentrum der in der Gießform enthaltenen Legierung eine ebene Erstarrungsfront und einen auf das Niveau der erwähnten Front erhobenen Temperaturgradienten zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Mittel vorgesehen sind, um fortlaufend in die Gießform die zu gießende Legierung in ihrer nominellen Zusammensetzung in Pulverform in solcher Menge einzuführen, die der Menge der pro Zeiteinheit erstarrten Legierung gleich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum fortwährenden Einführen des Legierungspulvers ein Pulververteiler für einstellbare Mengen vorgesehen ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulververteiler ein Reservoir besitzt, dessen Ausgangsdüse das Pulver auf einen rotierbaren Teller in Form einer ringförmigen Anhäufung verteilt, wobei das auf dem Teller abgelegte Pulver bei der Drehung des Tellers unter Einwirkung eines Abstreifers in die Eintrittsöffnung einer in die Gießform mündenden Führung abgestreift wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse auswechselbar und die Drehgeschwindigkeit des Tellers regelbar ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung vom Ausgang des Verteilers in die Gießform in solcher Höhe mit Bezug auf das obere Niveau der flüssigen Legierung mündet, daß das Pulver in Form eines Regens auf die gesamte Oberfläche der flüssigen Legierung fällt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Gießform gleich der ganzen Höhe des herzustellenden Metallbarrens ist.

9. Metall-Legierungs-Barren mit orientierter Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 hergestellt ist.

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