DE3220274A1

DE3220274A1 - Selektorvorrichtung zur benutzung beim giessen von einkristallwerkstuecken

Info

Publication number: DE3220274A1
Application number: DE19823220274
Authority: DE
Inventors: Michael James Mickleover Derby Goulette; Frederick John Spondon Derby Horrocks
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1983-01-20
Also published as: JPS57209899A; GB2100633A; DE3220274C2; FR2507513A1; FR2507513B1; US4453588A; GB2100633B; JPS6129916B2

Description

Patentanwälte ""= X . : :^:"_:E)jpj._Tjng. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter" *"*" "**" "" Dlpl.-Vng. Günther Koch European Patent Attorneys , Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

^ Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 27. Mai 1982

Unser Zeichen: 17*159 K/Pe

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckin gham Gate
London SW 1E 6AT
England

Titel: Selektorvorrichtung zur Benutzung

beim Gießen von Einkristallwerkstücken

2 0-274*

Die Erfindung bezieht sich auf eine Selektorvorrichtung zur Benutzung beim Guß von Werkstücken, die aus einem einzigen Kristall bestehen.

In den letzten Jahren wurden in zunehmendem Maße Werkstücke aus Einkristallen hergestellt und der wesentliche Vorteil derartiger Werkstücke unter schwierigen UmgebungsVerhältnissen, beispielsweise im Turbinenbereich eines Gasturbinentriebwerks, hat zu beträchtlichen Anstrengungen geführt, derartige Gießverfahren zu verbessern.

Die Technik, die meist angewendet wird um ein Einkristallwerkstück zu erzeugen besteht darin, eine Kokille und eine Form zu benutzen, die einen Einleitungs- und einen Haupthohlraum aufweisen, wobei eine Selektorvorrichtung vorgesehen wird und ein Ofen vorhanden ist, der eine Erstarrung in eine Richtung bewirkt. Das Gießverfahren umfaßt dann den Schritt, eine Charge geschmolzenen Metalls in beide Hohlräume und in den Selektor einfließen zu lassen, wobei das Metall dann in der Weise erstarrt, daß die Erstarrungsfront gleichförmig von der Kokille und durch den Einleitungshohlraum, den Selektor und den Haupthohlraum in der beschriebenen Reihenfolge fortschreitet.

Die gerichtete Erstarrung des Metalls von der Kokille und in den Einleitungshohlraum ergibt anfänglich eine säulenförmige Kornstruktur, in der die Körner des erstarrten Metalls in einer Richtung weg von der Kokille und nach dem Selektor verlaufen. Wenn die Erstarrungsfront den Selektor erreicht, der aus einem relativ schmalen Kanal gekrümmter oder schraubenlinienförmiger Gestalt besteht, können nicht

alle der säulenförmigen Körner weiterwachsen. Der Selektorkanal ist so gewählt, daß nur ein Korn oder Kristall im Wachsen durch den Kanal fortschreiten kann und sich nach dem Haupthohlraum weiter erstreckt.

Beim Einbrechen in den Haupthohlraum setzt das einzige Kristall allein sein Wachstum solange fort wie der übergang vom Selektorkanal in den Haupthohlraum genügend glatt ist und solange keine weiteren kornbildenden Unregelmäßigkeiten vorhanden sind. Das Metall in dem Haupthohlraum, welcher die Form des gewünschten Gegenstandes besitzt, wird daher veranlaßt als Einkristall der gewünschten Form zu erstarren.

Ein Problem hat sich in Verbindung mit der Vorrichtung zum Gießen ergeben, welches in der schmalen kurvenförmigen Gestalt liegt, die der Selektorkanal besitzen muß. Der übliche Weg, diesen Kanal zu schaffen, besteht darin, ein Wachsduplikat des erforderlichen Kanals herzustellen und einen Mantel um dieses Wachsduplikat herum zu bilden, wie dies bei den bekannten Gießverfahren mit verlorenem Wachskern üblich ist. Der Mantel kann dann an dem Einleitungshohlraum bzw. dem Haupthohlraum festgelegt werden oder statt dessen kann das Wachs an dem Wachsmodell festgelegt werden, das den Einleitungshohlraum bzw. den Haupthohlraum schafft und die Schaufeln können als einstückiges Ganzes ummantelt werden.

Obgleich durch diese Technik zufriedenstellende innere Hohlräume und der Selektorkanal hergestellt werden können, ist jener Teil des Wachsmodells, der schließlich den Kanal bildet, ungünstig eng und relativ schwach und diese Schwäche wird durch die Windungsform des Kanals noch verschlimmert. Infol-

gedessen ist dieser Teil des Modells für Beschädigungen anfällig, wenn die Ummantelung und irgendeine andere Behandlung erfolgt. Außerdem ist die Erzeugung des Duplikats des Kanals nicht einfach, da die Herstellung nicht einfach in einer zweiteiligen Form erfolgen kann.

Es sind Versuche unternommen worden, um diese Probleme zu lösen, wobei Verstärkungsmittel für den Mantel des Selektorkanals vorgesehen wurden oder Träger für den übrigen Teil der Mantelform. Jedoch führte dies zu komplexen Anordnungen, die die Kosten des relativ kostspieligen Verfahrens weiter erhöhten.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Selektorvorrichtung einfacher Form zu schaffen, die relativ fest und widerstandsfähig ist. Gemäß der Erfindung ist eine Selektorvorrichtung zur Benutzung zum Guß von Einkristallwerkstücken in der Weise ausgebildet, daß ein Keramikbauteil mit einer kurvenförmigen Nut in der Oberfläche vorgesehen wird, wobei diese kurvenförmige Nut sich glatt an einem Ende des Selektors öffnet und mit einem Übergangsstück zusammenwirkt, welches an dem Ende des Selektors ausgebildet ist, um eine glatte Vergrößerung der Querschnittsfläche des Kanals zu gewährleisten.

Der Keramikkörper kann fest und zylindrisch sein und in diesem Fall wird die Nut vorzugsweise als Schraubennut ausgebildet, die auf der äußeren Oberfläche zwischen den Enden des Keramikkörpers ausgebildet ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Form

vorgesehen, um ein Gußstück aus einem einzigen Kristall herzustellen, welche einen Selektor aufweist, der einen Keramikkörper umfaßt, welcher eine kurvenlinienförmige Nut auf seiner Oberfläche aufweist. Die Form hat dann vorzugsweise einen Abschnitt, der die Nut überlappt, um in Verbindung mit der Nut einen kurvenförmigen Selektorkanal zu bilden. Der Keramikkörper kann wiederum im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein.

Die Form definiert vorzugsweise einen Einleitungshohlraum und einen Haupthohlraum, die durch den kurvenförmigen Kanal verbunden sind, wobei der Einleitungshohlraum so konstruiert und angeordnet ist, daß er in thermischer Berührung mit einer Kokille stehen kann.

Die Erfindung umfaßt außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristallgußstücks, wobei ein Selektor und/oder eine Form gemäß vorstehender Beschreibung benutzt wird.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer

Form und eines Selektors gemäß der Erfindung

Fig. 2 eine Ansicht des Selektors gemäß Fig. 1 in

Richtung des Pfeiles 2 gemäß Fig. 1 betrachtet

Figuren 3

bis β verschiedene Stufen der Herstellung und der Anwendung der Form und des Selektors gemäß Figuren 1 und 2.

Fig. 1 zeigt eine Mantelform bestehend aus einem Einleitungshohlraum 10, einem Selektorabschnitt 11 und einem Haupthohlraum 12. Der Haupthohlraum 12 besitzt einen Eingußtrichter 13 zum Eintritt des geschmolzenen Metalls, während der Einlaufhohlraüm 10 an seinem unteren Ende offen ist und auf einer Kokille 14 aufsitzt.

Der Selektorabschnitt 11 umfaßt einen hohlen Mantel mit einer im wesentlichen zylindrischen inneren Oberfläche 15, in die eine keramische Selektorvorrichtung 16 dicht einpaßt. Der Selektor 16 besteht aus einem Keramikteil mit einer im wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche 17, in der eine schraubenlinienförmig verlaufende Nut 18 ausgebildet ist. Die Nut 18 erstreckt sich von dem untersten Ende 19 des Selektors 16 nach dem obersten Ende 20. Am obersten Ende 20 ist der Selektor 16 mit einem integralen Übergangsstück 21 in Form eines abgerundeten Vorsprungs versehen, der von der Oberseite des Selektors vorsteht.

Es ist ersichtlich, daß der untere Abschnitt des Selektors 16 in den Einleitungshohlraum 10 vorsteht und daß dort, wo der Selektor innerhalb des Abschnitts 11 der Mantelform angreift, die schraubenlinienförmige Nut 18 von der Wand des Abschnitts 11 überlagert wird, um einen schraubenlinienförmigen Kanal zu bilden, der sich vom Einleitungshohlraum 10 nach dem Haupthohlraum 12 erstreckt. An seinem oberen Ende vergrößert sich der Kanal, der zwischen der Nut 18 und der Wand des Mantelabschnitts 11 ausgebildet ist, glatt im Querschnitt durch eine Verbreiterung der Nut selbst bei 22, gefolgt von einem Einbruch des Kanals in den Haupthohlraum 12,

An dieser Stelle.hat der Haupthohlraum 12 einen sich verjüngenden Abschnitt, der durch die schrägen Wände 23 gebildet ist und in Verbindung mit dem abgerundeten Übergangsstück 21 wird die Querschnittsfläche der Form veranlaßt, sich glatt vom Kanal bis zu dem vollen Querschnitt des Haupthohlraums 12 zu vergrößern. Die abgerundete Form des Übergangsstücks 21 und die Anordnung der Wände 23 der Form, die in ihrer Wirkung Fortsätze des erweiterten Abschnitts 22 des schraubenlinienförmigen Kanals bilden, schaffen eine glatte Oberfläche in diesem Bereich, ohne irgendwelche Unterbrechungen, die eine Kornbildung bewirken könnten.

Fig. 2 zeigt den Selektor 16 betrachtet von der linken Seite gemäß Fig. 1. Hier kann die Form des Übergangsstückes 21 deutlicher erkannt werden und es ist ersichtlich, daß diese aus einem abgerundeten oder geschlossenen Vorsprung besteht, wobei eine Seite abgeflacht ist, um den Endabschnitt der Nut 18 zu bilden, wo diese in den Haupthohlraum einbricht.

Es gibt gewisse Merkmale der Form und der Selektorkombination gemäß Fig. 1, die bemerkenswert sind. Die Querschnittsr fläche der Form 11 mit dem Selektor 16 darin ist relativ groß im Vergleich mit dem Querschnitt des schraubenlinienförmigen Kanals. Dies bedeutet; daß dieser Teil der Form relativ fest sein kann und es ist klar, daß diese Festigkeit zum großen Teil dadurch erlangt werden kann, weil gemäß der Erfindung der Selektorkanal von einer Nut in der äußeren Oberfläche eines Keramikteils gebildet wird, der so ausgebildet werden kann, daß er die notwendige Festigkeit besitzt.. Obgleich dies nicht ausschlaggebend für die Erfindung ist, ermöglicht die zylindrische Form der Selektorober-

fläche die Benutzung eines schraubenlinienförmigen Kanals, dessen Form glatt gekrümmt ist und der insbesondere geeignet ist für eine Selektorvorriehtung.

Figuren 3 bis 6 veranschaulichen, wie die Form und der Selektor gemäß Figuren 1 und 2 hergestellt und benutzt werden. In Fig. 3 sind die beiden Formhälften 24 und 25 einer Spritzgußmaschine dargestellt. Die beiden Formhälften definieren einen Hohlraum 26, dessen Gestalt derjenigen des Selektors entspricht. Es ist ersichtlich, daß die zylindrische Gesamtform und die schraubenlinienförmxge Nut des Selektors die Benutzung einer zweiteiligen Form zuläßt. Ein Eingußkanal 27 ermöglicht die Einspritzung von Keramikmaterial in bildsamer Form, wodurch der Hohlraum 26 ausgefüllt wird. Durch die Art und Weise wie die. Keramikkerne benutzt werden, um Hohlräume in den Gußstücken zu bilden, wird das bildsame Keramikmaterial veranlaßt, sich infolge der Austrocknung auszuhärten oder es wird wärmer angewandt, um ein in der Wärme aushärtendes Kunstharz zu verfestigen, welches ein Bestandteil der Keramikmischung darstellt. Der erhärtete Keramikselektor kann dann aus der Form entnommen, falls erforderlich abgeputzt und gebrannt werden, um das Endprodukt herzustellen.

Der so erzeugte Selektor wird dann in der geteilten Form oder in einer weiteren Spritzgußmaschine eingelegt. Dieser Herstellungsschritt ist in Fig. 4 veranschaulicht. Es ist ersichtlich, daß die Formhälften 28 und 29 zwischen sich einen Hohlraum definieren, dessen Form jener der beiden Hohlräume und des Selektorabschnitts der Form gemäß Fig. 2 entspricht. Der Selektor 16 wird in der Form gehalten, und zwar in jenem Teil, die den Selektorabschnitt 11 definiert

und in der er seine Endlage einnimmt. Ein Eingußkanal 30 ist wiederum vorgesehen und es kann geschmolzenes Wachs durch einen Injektor 31 eingespritzt werden, um den Hohlraum auszufüllen und zwar einschließlich der schraubenlinienförmigen Nut 18 in dem Selektor 16.

In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß das Wachsmodell für die beiden Hohlräume 10 und 12 und für den Selektorabschnitt 11 einstückig hergestellt werden. Es wird angenommen, daß es zweckmäßig ist, wenigstens das Wachsmodell für den Selektor 11 und den Hohlraum 12 einstückig herzustellen, um einen guten übergang des gewählten Kristalls in den Haupthohlraum zu gewährleisten. Es ist nicht wichtig, das Modell für den Eintrittshohlraum 10 integral mit dem Selektor herzustellen und falls erforderlich, kann dieses Modell getrennt hergestellt und durch Wachsverschweißung oder dgl. mit dem Modell des Selektors verbunden werden. Irgendwelche unerwünschten Kernkeime an einem nicht perfekten Vorgang an dieser Stelle werden dann in der Spirale bzw. Schraubenlinie ausgemerzt.

Das geschmolzene Wachs läßt man abkühlen und aushärten, und die beiden Formhälften werden getrennt, damit das Wachsmodell 32, das auf diese Weise gebildet wird, zusammen mit dem darin eingebetteten Selektor 16 entfernt werden kann. Dann wird das Wachsmodell 32, falls erforderlich, abgeputzt und es wird dann in herkömmlicher Weise ummantelt, um einen Gußkörper aus Keramikmaterial darum zu bilden. Der Einmantelungsprozeß umfaßt das Eintauchen des Modells in einem Keramikschlamm und das Bestreuen des eingetauchten Modells mit Granulat aus Kerrinikmaterial und dieses Verfahren wird wiederholt, bis

eine gewünschte Dicke des Überzuges aufgebaut ist. Es kann erforderlich sein, gewisse spezielle Arbeitsgänge durchzuführen, um zu gewährleisten, daß die zylindrische Oberfläche des Selektors an dem Ummantelungsmaterial anhaftet. So kann es zum Beispiel erforderlich sein, diese Oberfläche des Selektors aufzurauhen und/oder jeden Wachsüberzug zu entfernen.

Das ummantelte Modell kann dann gebrannt werden, um es zu verfestigen und um das Wachsmodell aus dem Mantel herauszuschmelzen. Auf diese Weise wird ein fester Mantel gebildet und in dieser Herstellungsstufe kann der einleitende Hohlraum 10 entfernt werden, um ihn offen zu lassen, so daß er auf eine Kokille aufgesetzt werden kann. Nachdem dieser Schritt durchgeführt ist, befinden sich Form plus Selektor in jener Ausbildung, wie sie in Verbindung mit Pig. I beschrieben wurde.

Die Form wird dann zu einer wassergekühlten Kokille 14 aufgebaut und in einem Ofen 33 angeordnet. Die Kokille wird auf einer aufsteigenden oder sich absenkenden Vorrichtung 34 montiert, so daß die Form aus dem Ofen weggezogen werden kann, und die gesamte Anordnung wird in eine Vakuumkammer (nicht dargestellt) eingebracht. Die Vorrichtung 34 kann elektromechanisch oder hydraulisch oder pneumatisch arbeiten. An der Oberseite des Ofens 33 ist eine am Boden mit einem Auslaß versehene Einrichtung 35 bekannter Bauart vorgesehen, die mit einer Metallcharge bei 36 beschickt ist.

Im Betrieb wird die Vakuumkammer evakuiert und der Ofen

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erhitzt die Form auf eine vorbestimmte Temperatur. Es wird die Induktionsheizvorrichtung der am Boden auslassenden Vorrichtung 36 eingeschaltet, um die Charge 36 zu schmelzen, und diese durchbricht einen schmelzbaren Stopfen und fällt in den Raum 13, so daß die Form gefüllt wird.

Während der Ofen noch in Betrieb ist, wird die Vorrichtung 34 so betätigt, daß die gefüllte Form lansam nach unten aus dem Ofen bewegt wird, während die wassergekühlte Kokille 14 Hitze vom unteren Teil der Form abzieht. Auf diese Weise wird eine Verfestigungsfront veranlaßt, sich gleichmäßig in der Form nach oben zu bewegen, wodurch ein Einkristallgußstück im Hauptformhohlraum 12 gebildet wird. Das fertige Gußstück kann dann aus der Form in herkömmlicher Weise entfernt werden.

Es ist ersichtlich, daß der zylindrische Selektor mit der schraubenförmigen Nut an der äußeren Oberfläche ein sehr zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet. Es ist jedoch klar, daß der Selektor auch andere Formen haben könnte, er könnte nämlich eine polygonale Gestalt haben, oder er könnte sogar völlig asymmetrisch im Querschnitt sein. Es ist auch nicht notwendig, daß die Nut auf der äußeren Oberfläche des Selektors ausgebildet ist. Es ist vielmehr möglich, den Selektor als Hohlkörper herzustellen, wobei die Nut auf seiner inneren Oberfläche ausgebildet ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Selektorvorrichtung zur Benutzung bei der Herstellung eines Einkristallwerkstücks, dadurch gekennzei chnet, daß ein Keramikkörper (16) vorgesehen wird, der eine gekrümmte* Nut (18) auf seiner Oberfläche aufweist, daß die gekrümmte Nut sich glatt an einem Ende (20) des Selektors öffnet und mit einem Übergangsstück (21) zusammenwirkt, welches an dem Ende des Selektors ausgebildet ist, um eine glatte Vergrößerung der Querschnittsfläche der Nut zu bewirken.

2. Selektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Nut auf einer äußeren Oberfläche des Keramikteils ausgebildet ist.

3. Selektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß der Keramikkörper (14) im wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist.

¹J. Selektorvorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die kurvenförmige Nut (18) eine Schraubenlinienform besitzt.

5. Selektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (21) aus einem abgerundeten Vorsprung des einen Endes (20) des Keramikkörpers besteht.

6. Form für den Guß eines Einkristallwerkstücks, dadurch gekennzei chnet, daß eine Mantelform vorgesehen ist, die einen Selektor (16) aufweist, welcher einen Keramikteil besitzt, der eine kurvenförmige Nut (18) auf seiner Oberfläche aufweist.

7. Form nach Anspruch 6,

dadurch gekennzei chnet, daß die Mantelform einen Abschnitt (11) aufweist, der über der Nut (18) liegt, .um in Verbindung mit der Nut einen kurvenförmigen Kanal zu bilden.

8. Form nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die kurvenförmige Nut (18 ) auf der äußeren Oberfläche des Keramikteils (16) ausgebildet ist.

9. Form nach Anspruch 8,

dadurch gekennzei chnet, daß der Keramikteil (16) zylindrische Gestalt besitzt.

10. Form nach Anspruch 9,

dadurch gekennzei chnet, daß die Nut (18) eine Schraubenlinienform besitzt.

11. Form nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzei chnet, daß der Keramikkörper (16) ein Übergangsstück (21) aufweist, welches von einem seiner Enden (20) vorsteht.

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12. Form nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzei chnet, daß ein Einleitungshohlraum (10) und Haupthohlraum (12) vorgesehen sind, die durch den kurvenförmigen Kanal (18) verbunden sind.

13. Form nach Anspruch 12,

dadurch gekennzei chnet, daß der Keramikkörper (l6) in einem Selektorabschnitt (11) der Form gehalten wird, der sich zwischen dem Einleitungsabschnitt (10) und der Hauptform (12) erstreckt,

14. Form nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzei chnet, daß der Einleitungshohlraum (10) in thermischer Berührung mit einer wassergekühlten Kokille (14) steht.