DE3329306A1

DE3329306A1 - Verfahren zur gerichteten verfestigung einer metallschmelze

Info

Publication number: DE3329306A1
Application number: DE19833329306
Authority: DE
Inventors: Neal Paul Broad Brook Conn. Anderson; Anthony Francis Middletown Conn. Giamei; Richard Walter South Windsor Conn. Salkeld
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1982-01-27
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1985-02-28
Also published as: CA1211341A; FR2550556B1; JPH0379103B2; US4412577A; GB2144357A; AU559152B2; GB2144357B; JPS6044168A; FR2550556A1; AU1782283A; GB8321209D0

Description

PATENTANWALT DR. RICHARD KNEISSL 1 2, Aug. 1983

Wictonmayerstr. 46

D-SOOO MÜNCHEN Tel. 089/295125

United Technologies Corp. Hartford, Connecticut/USA

Verfahren zur gerichteten Verfestigung einer Metallschmelze

DE 103

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gießereiwesen, und insbesondere die gerichtete Verfestigung oder Erstarrung von Metallgußstücken durch epitaxiales Wachstum von Impfkristallen. '

Die gerichtete Verfestigung ist ein Gießverfahren, bei dem eine Erstarrungsgrenzfläche fortschreitend durch eine Form wandert, die mit einer Metallschmelze gefüllt ist.

Durch gerichtete Verfestigung können auf vorteilhafte Weise

sowohl Gußstücke mit säulenförmigen Körnern hergestellt werden, wie beispielsweise in der US-PS 3 260 505 (VerSnyder) beschrieben ist, oder auch Einkristall-Gußstücke, wie sie in der US-PS 3 494 709 (Pierarcey) beschrieben sind. Bei der industriellen Herstellung wird dabei am häufigsten

so vorgegangen, daß man derartige Gegenstände durch Erzeugen einer Keramikform der gewünschten Form, Anordnung der Form in einem Ofen, und fortschreitendes Abkühlen der in die Form eingegossenen Metallschmelze vom Boden der Form bis

zu ihrem oberen Ende herstellt.
25

Unter bestimmten Umständen ist es dabei erwünscht, daß die erzeugten Gegenstände eine ganz bestimmte kristallografische Struktur aufweisen. Beispielsweise kann ein Einkristall-Gußstück erwünscht sein, bei dem eine spezielle Anordnung

der kristallografischen Achsen bezüglich der x-, y- und z-Achsen des Gegenstandes vorliegt. In anderen Fällen kann es erwünscht sein, daß ein Gegenstand in unterschiedlichen Bereichen des Gußstücks unterschiedliche Strukturen aufweist. Um derartige Ergebnisse zu erhalten ist es üblich,·

-X- DE 103

einen Metall-Impfkristall zu verwenden, der vor der Einführung der Metallschmelze in die Form eingegeben wurde. Wenn die Metallschmelze in die Form gegossen wird, kommt es zu einem teilweisen Schmelzen des Impfkristalls dort, wo er die Metallschmelze berührt. Anschließend bewirkt die fortschreitende Kühlung des Gußstücks eine epitaxiale Erstarrung des Metalls,beginnend von dem Teil des Impfkristalls, der nicht geschmolzen war.

Es ist offensichtlich, daß der Impfkristall nicht vo.llständig geschmolzen werden kann, und daß er ein wenig geschmolzen werden muß, um die Ziele einer epitaxialen Erstarrung zu erreichen. Beim industriellen und experimentellen Guß von Gegenständen aus einer hochwarmfesten Nickellegierung (nickel superalloy) wurde jedoch beobachtet, daß selbst dann, wenn das Gießen innerhalb der obigen offensichtlichen Randbedingungen erfolgt, die erhaltenen gegossenen Gegenstände nicht immer die gewünschte und infolge eines epitaxialen Wachstums des Impfkristalls erwartete kristallografische Struktur aufweisen. Folglich wurden Forschungsarbeiten aufgenommen, mit dem Ziel, eine Lösung für das Problem der Verbesserung der Ausbeuten beim geimpften Gießen zu erhalten.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gießverfahren mit gerichteter Verfestigung so zu verbessern, daß bei Verwendung eines Impfkristalles höhere Ausbeuten von Gegenständen mit einer kontrollierten kristallografischen Struktur erhalten werden.

-Y- DE 103

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Patento

ansprüchen gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung muß somit ein Impfkristall, der sich innerhalb einer Form für die gerichtete Verfesti_n gung befindet, zumindestens 25?Ä, jedoch nicht über 75% seiner Länge aufgeschmolzen werden, bevor das epitaxiale Erstarren einsetzt. Vorzugsweise liegt der Grad des Aufschmelzens zwischen 33 und 67?ό der Länge des Impfkristalles, und zwar gemessen entlang der Achse, entlang derer die Er-.. p. starrung oder Verfestigung fortschreitet.

Diese Steuerung des Aufschmelzens wird dadurch erreicht, daß man die Temperatur der Form und der Metallschmelze, die in die Form eingegeben wird, steuert. Bei der

OQ Verwirklichung der vorliegenden Erfindung mit hochwarmfesten Nickellegierungen weist ein Impfkristall charakteristischerweise eine Querabmessung von etwa 1,3 cm und eine Länge von etwa 1 bis 5 cm auf. Um die Entstehung von Kristallisationskeimen für Fremdkörner zu vermeiden, wird der

ok Impfkristall bei der bevorzugten Verwirklichung der vorliegenden Erfindung genau dem Umriß der Form angepaßt. Es wurde festgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine beträchtliche Steigerung der Gußausbeuten ermöglicht.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Metallschmelze in einer Keramikform, die auf einer Kühlplatte montiert ist, wobei am Boden der Form ein Impfkristall zur epitaxialen Verfestigung der Metallschmelze angeordnet ist.

c Fig. 2 Eine Detailansicht des unteren Bereich oder Startbereichs der Form mit dem Impfkristall gemäß Fig.l.

Fig. 3 eine Fotografie eines Nickellegierungs-Gußstücks, das zur Verdeutlichung seiner kristallografischen -Q Struktur angeätzt wurde; das Gußstück umfaßt einen

Teil des Impfkristalls und das davon ausgehend epitaxial erstarrte Metall.

Fig. 4 eine Strichzeichnung, die das in Fig. 3 gezeigte ic Gußstück simuliert, in der zusätzlich die Defini

tion des Aufschmelz-Abstands P grafisch verdeutlicht ist .

Fig. 5 eine Fig. 4 analoge Darstellung mit einem Gußstück, wie es bei e
halten wird.

2Q wie es bei einem unzureichenden Aufschmelzen er-

Fig. 6 eine Fig. 4 analoge Darstellung mit einem Gußstück, wie es erhalten wird, wenn das Aufschmelzen zu weit geführt wird.

Fig. 7 die Abhängigkeit der Gußausbeute, und zwar gemessen anhand der gewünschten Kristallstruktur im erzeugten Gegenstand, vom Ausmaß des Aufschmelzens des Impfkristalls.

Fig. 8 eine Fig. 4 analoge Darstellung mit einem Gußstück, wie es erhalten wird, wenn der Impfkristall zu locker in die Form eingepaßt ist. 35

DE 103

_ Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be-5

Schreibung anhand des Gusses anhand einer flächenzentrierten kubischen hochwarmfesten Nickellegierung in einer keramischen Form beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung auch auf das Gießen anderer Metalle nach vielen Abwandlungen des Verfahrens der gerichteten Verfestigung anwendbar ist. Außerdem wird die vorliegende Erfindung anhand des Gießens eines Einkristall-Gegenstandes unter Verwendung eines Einkristall-Impfkristalles aus einer Nickellegierung, wie sie in der US-PS 4 209 348 beschrieben

. _ ist, beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die vorlie-ο

gende Erfindung genauso auf das Gießen von säulenförmigen Kornstrukturen und andere Mikrostrukturen anwendbar ist, wie sie durch gerichtete Verfestigung und Epitaxie eines Impfkristalles hergestellt werden können.

Die Grundarbeitsweisen der gerichteten Verfestigung oder Erstarrung sind in der technischen Literatur und zahlreichen US-Patentschriften wie z.B. den eingangs zitierten US-PSen und der US-PS 4 190 094 (Giamei, ein Erfinder der vorliegenden Anmeldung) oder US-PS 3 763 926 (Tschinkel et al) beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine keramische Form 20, die mit einer Metallschmelze 22 gefüllt ist. Die Form befindet sich in einem

QQ (nicht gezeigten) Ofen zur gerichteten Verfestigung, der dafür ausgelegt ist, die Form zu erhitzen und anschließend die Wanderung eines thermischen Gradienten entlang der Längs-z-Achse der Form zu bewirken, und zwar von ihrem Boden 25, wo sie auf der Kühlplatte 24 aufsteht, zu ihrem oberen Ende 26. Die Form wird von drei unterscheidbaren

Abschnitten gebildet. Das der Kühlplatte 24 nächste Ende bildet den Impfkristall- oder Startbereich 28; unmittelbar oberhalb dieses den Impfkristall enthaltenden Bereichs befindet sich ein eingeschnürter Abschnitt 30, der auch Selektor-Bereich genannt wird, und oberhalb dieses einge-

_n schnürten Bereichs befindet sich der eigentliche Formraum 32 für den zu erzeugenden Gegenstand. Aus Gründen der Vereinfachung sind in der Zeichnung der Eingußtrichter und der Steigkanal weggelassen, die sich normalerweise an das obere Ende 26 der Form anschließen. Innerhalb des Startbereiches ,c 28 befindet sich ein teilweise aufgeschmolzener Impfkristall 27, der eine obere feste Oberfläche 36 aufweist. Die gestrichelte Linie 34 bezeichnet die Länge des Impfkristalls in Richtung der z-Achse (etwa 2 cm), die er vor dem Aufschmelzen aufwies. Der Bereich des Startbereichs der Form 2Q in der Nähe der Linie 34 befindet sich auf einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Metalls, was zusammen mit der Überhitzung der Metallschmelze zum Zeitpunkt ihrer Einführung in die Form der Grund für das Anschmelzen des Impfkristalls ist.

Der Grad, zu dem der Impfkristall angeschmolzen wird, ist eine Funktion einer Vielzahl von Parametern. Wie bereits angegeben, können die Temperatur des Ofens und der Form so sein, daß die obere Oberfläche des Impfkristalles schmilzt, und zwar bereits vor dem Einführen der Metallschmelze. Das Ende 38 des Impfkristalles, das die Kühlplatte 24 berührt, wird gekühlt; infolge der Wärmeleitung im Impfkristall werden benachbarte Bereiche in einem gewissen Abstand von der Kühlplatte auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten, so daß sie ebenfalls nicht schmelzen. Nichtsdesto-

-Y- DE 103

weniger ist es bei einer guten Formisolation, einer aus- ° reichenden Aufheiztemperatur und -zeit und einer Überhitzung der Metallschmelze möglich, den Impfkristall sehr viel weiter abzuschmelzen als in der Fig. dargestellt ist. Auf diese Möglichkeit wird nachfolgend noch genauer eingegangen.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere Ansicht des Zustandes des Impfkristalls 27, wie er erhalten wird, wenn er teilweise aufgeschmolzen wird und sich im Gleichgewicht mit der Metallschmelze 22 befindet, die sich in der Form befindet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Grad P des

Aufschmelzens so definiert, daß damit der Abstand bezeichnet wird, den die Liquidus fläche 40 sich von der ursprünglichen Oberfläche 34 des Impfkristalls wegbewegt hat, und zwar ausgedrückt als Bruchteil der Gesamtlänge L des Impfkristalls vor seinem Erhitzen (üblicherweise ist der Ort

der Erstarrungsgrenzfläche eines Gußstücks als mittlerer Punkt zwischen den Solidus- und Liquidus-Granzflachen definiert. Der Grund, warum im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Liquidus-Grenzflache als Maß für den Grad des Aufschmelzens genommen wird, ergibt sich aus der nachfol-

genden Diskussion). Die Liquidus-Grenzflache 40 weist einen größeren Abstand von der Kühlplatte 24 auf als die Solidus-Grenzfläche 36, da die Temperatur mit zunehmendem Abstand von der Kühlplatte 24 ansteigt. Innerhalb der Verfestigungszone, die durch die Liquidus- und Solidus-Grenz-

flächen definiert ist, befinden sich Dendriten 42, die von einer flüssigen Matrix 44 umgeben sind. In diesem Zusammenhang kann auch auf Fig. 13 einer am 14. Dezember 1981 unter der Serial-No. 330 911 in den USA angemeldeten Erfindung der gleichen Erfinder Bezug genommen werden. Wenn der ther-

X DE 103

mische Gradient vertikal nach oben durch die Metallschmelze

_ in der Form bewegt wird, verfestigt sich das Gußstück inb

folge des Wachstums der Dendriten und der Verfestigung des Matrixmaterials. Die Verfestigungszone zwischen den Liquidus- und Solidus-Grenzflachen wird häufig auch als "breiige Zone" bezeichnet, da sie feste und flüssige Anteile aufweist. Diese Zone weist eine geringe mechanische Stabilität auf und setzt äußeren Kräften einen geringen mechanischen Widerstand entgegen.

Fig. 3 zeigt den Abschnitt eines Gußstücks, das aus dem ₁,. Startabschnitt und dem eingeschnürten Bereich der Form entfernt wurde, nachdem ein Einkristall-Gußstück vollständig erstarrt war. Das Gußstück ist dabei angeätzt, um seine Kristallstruktur sichtbar zu machen. Fig. 4 ist eine Strichzeichnung des in Fig. 3 in Form einer Fotografie dargestell-2_Ω ten Gußstücks. Die Bezugszeichen in den Fig. 3 und 4 bezeichnen identische Teile.

Die Fig. 4 bis 6 sind ihrer Natur nach sehr ähnlich, und die Definitionen von Fig. 4 gelten auch für diese Figuren.

2g Der mit Abstandspfeilen bezeichnete Bereich P bezeichnet den Abstand des Anschmelzens, das während des Gießverfahrens beobachtet wurde. Die gestrichelte Linie 48 bezeichnet die Länge des Impfkristalles vor dem Gießen, und die Linie 50 bezeichnet die Grenzlinie zwischen dem Teil 52 des ursprünglichen Impfkristalls, der nicht geschmolzen ist, und den Bereich 54 des Gußstücks, der epitaxial auf den Impfkristall aufgewachsen ist.

Fig. 5 zeigt ein Gußstück, das unter ungeeigneten Abschmelzbedingungen für den Impfkristall erzeugt wurde. Obwohl ein

DE 103

Teil des Impfkristalls geschmolzen war, reichte das Schmelzen nicht aus, daß es zu einer Epitaxie kam. Das führte 5

dazu, daß der Teil 54a, der oberhalb des Impfkristalls erstarrt ist, mehr als ein Korn aufweist, was bedeutet, daß er nicht epitaxial zu dem Einkristall des Impfkristalls 46a ist. Wie in der Fig. 5 zu erkennen ist, ist das Gußstück _n 54a dabei mechanisch nicht mit dem Impfkristall 46a verbunden. Häufig befindet siah an der Oberfläche eines Impfkristalls ein oberflächlicher Oxidfilm, der gebildet wird, bevor die Metallschmelze eingegeben wird (vgl. z.B. US-PS 4 289 570 (Terkelsen)). Das führt dazu, daß trotz

,c Anschmelzen des Impfkristalles ungeeignete Bedingungen vorliegen können, bei denen der Oxidfilm nicht zerreißt, was die Wahrscheinlichkeit, daß eine Epitaxie erhalten wird, beträchtlich vermindert. Ein ausreichendes Anschmelzen erhöht diese Wahrscheinlichkeit. Außerdem ist ein unzurei-

OQ chendes Anschmelzen des Impfkristalles häufig mit zu niedrigen Temperaturen in dem Impfkristall-Hohlraum verbunden. Wenn derartige Verhältnisse auftreten, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer Fremd-Kristallisationskeimbildung, d.h. einer Keimbildung beginnend an anderen Stellen als am Impfkristall, beispielsweise an den keramischen Wänden der Form. Das Wachstum derartiger Fremdkerne kann sich in Richtung des Selektor-Bereichs und durch diesen hindurch fortsetzen, was dazu führt, daß ein Gegenstand erhalten wird, dessen Struktur nicht epitaxial zu dem Impfkristall ist.

Um diese erwähnten Gießfehler zu vermeiden ist es erforderlich, daß der Impfkristall wenigstens 255S, vorzugsweise 33?ό seiner ursprünglichen Länge angeschmolzen wird.

Fig. 6 zeigt ein Gußstück, wie es erhalten wird, wenn der Impfkristall zu weit aufgeschmolzen wird.

DE 103

Es ist zu erkennen, daß der durch Erstarrung neu gebildete

Bereich 54b mehr als ein Korn aufweist. Es ist ferner zu b

erkennen, daß das von dem Original-Impfkristall übrig gebliebene Stück 46b nur eine relativ kurze Länge, gemessen entlang der z-Achse, aufweist. Ein Aufschmelzen von mehr als 67 bis 15% ist mit schlechten Gußergebnissen verknüpft. Das ist leicht zu verstehen, wenn man die Bemerkungen zu Fig. 2 berücksichtigt, da die breiige Zone in einer hochwarmfesten Nickellegierung relativ breit sein kann. Eine typische hochwarmfeste Nickellegierung weist einen Schmelzpunkt (Liquiduspunkt) von etwa 1400 C auf. Daher befindet

. c sich der durch die Linie 40 in Fig. 2 bezeichnete Ort auf dieser Temperatur. Die Temperaturdifferenz zwischen Liquidus und Solidus liegt bei hochwarmfesten Nickellegierungen zwischen 80 und 170 C. Damit befindet sich der durch die Linie 36 bezeichnete Bereich auf einer um 80 bis 170 C

2Q niedrigeren Temperatur als der Bereich bei Linie 40. Üblicherweise wird die Kühlplatte 24 auf einer Temperatur gerade unterhalb Raumtemperatur gehalten. Die Grenzfläche 46 zwischen dem Impfkristall und der Kühlplattenoberfläche behindert jedoch üblicherweise den Wärmeübergang. Daher

2g weist die Masse des Impfkristalls 27 eine relativ hohe Temperatur auf, und der thermische Gradient ist nicht so steil, wie man zuerst annehmen möchte. Das führt in der Summe dazu, daß die breiige Zone eine Dicke von etwa 1 bis 2 cm aufweisen kann, gemessen entlang der z-Achse.

Erneut bezugnehmend auf Fig. 6 ist nunmehr leicht zu verstehen, warum ein zu weitgehendes Aufschmelzen zu Gußunregelmäßigkeiten führt. Die breiige Zone kann nämlich im wesentlichen den gesamten restlichen "nicht geschmolzenen" Bereich 46b des Impfkristalls einnehmen. Da, wie bereits

dargelegt wurde, die breiige Zone mechanisch instabil ist,

können sich die Dendriten in diesem "nicht geschmolzenen" 5

Teil des Impfkristalles verschieben oder herumbewegen. Eine derartige Bewegung kann zu lokalen Veränderungen der Kristallstruktur führen und damit ein nicht-gleichmäßiges Kristallwachstum über dem Impfkristall zur Folge haben. Ein weiterer Faktor, der zu einem Abweichen vom epitaxialen Wachstum bei einem zu starken Anschmelzen beiträgt, ist eine Folge der Tatsache, daß die Liquidusgrenzfläche (Anschmelz-Grenzflache) nicht eine ebene Fläche sein muß, wie man aufgrund der Figuren annehmen könnte. Unter realen Be_n p. dingungen kann sie häufig gekrümmt sein, und es können Unterschiede an verschiedenen Punkten der Querfläche des Impfkristalls bestehen.

Es wurden zahlreiche Experimente durchgeführt, um festzu-

2Q stellen, ob und wie ein richtiges Ausmaß des Anschmelzens die Ergebnisse verbessert. Die Ergebnisse wurden im allgemeinen unter Anwendung der oben beschriebenen Techniken ermittelt, sowie durch Messung der Kristallstruktur der beim Gießen gebildeten Gegenstände. Fig. 7 faßt die erhaltenen Ergebnisse zusammen. Es ist zu erkennen, daß bei einem Aufschmelzen von 0 oder 100?i nur eine minimale Erfolgswahrscheinlichkeit besteht, wobei der Erfolg als Erzeugung eines Guß-Gegenstandes mit der Kristallstruktur des Impfkristalles definiert ist. Im Bereich von 33 bis 67% Aufschmelzen besteht eine gute Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung befriedigender Gußstücke, die eine ausreichende Handelsqualität aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit wird nicht 1,0, da andere Faktoren (wie beispielsweise Abweichungen beim thermischen Gradienten, Fremd-Kristallisationskeimbildung innerhalb des Formraums für den Gegenstand,

DE 103

Fehler bei den Impfkristallen, Abweichungen beim kristallografischen Wachstum im eigentlichen Formraum, Brüche der Arme der Dendriten usw.) existieren, die die Ergebnisse beeinflußen. In der Fig. 7 ist auch zu erkennen, daß zwischen 25 und 75?ό eine annehmbare Erfolgswahrscheinlichkeit (besser als etwa 0,25) besteht.

Selbstverständlich kann die absolute Länge des aufgeschmolzenen Bereichs entsprechend den oben angegebenen prozentualen Bereichen in Abhängigkeit von der Gesamtlänge des Impfkristalls variieren. Die erfindungsgemäße Lehre beruht da-

bei auf Untersuchungen mit Impfkristallängen im Bereich zwischen etwa 1 bis 5 cm, typischerweise zwischen etwa 3 bis 4 cm. Praktisch gesprochen sind kürzere Längen unter industriellen Bedingungen etwas schwierig anzuschmelzen, und zwar infolge einer zusätzlichen Verkomplizierung in-

folge der geringen physikalischen Toleranz. Größere Längen

• werden ebenfalls vermieden, da die Impfkristall-Kosten und die Gesamtlängen der Formen ansteigen, sie können jedoch gelegentlich verwendet werden. Um die vorliegende Erfindung etwas allgemeiner auszudrücken kann gesagt werden, daß der

Impfkristall ausreichend weit angeschmolzen werden muß, um die Oberflächenfilme auf der Oberfläche des Impfkristalls physikalisch zu zerreißen, darf jedoch nicht soweit aufgeschmolzen werden, daß der vom Formraum für den Gegenstand am weitesten entfernte Bereich des Impfkristalles eine Tem-^K

peratur oberhalb der Solidustemperatur aufweist. Ob man sich innerhalb der obigen Schmelzgrenzen bewegt hat, kann durch eine metallograf ische Un-tersuchung, wie sie gemäß Fig. 2 vorgeschlagen wird, festgestellt werden. Ein nicht zerrissener Oberflächenfilm ist dabei sofort zu erkennen.

-Yi- DE 103

/Ho

(Es ist nebenbei anzumerken, daß ein epitaxiales Wachstum beobachtet werden kann, selbst wenn der Oberflächenfilm nicht zerrissen ist; nicht zerrissene Oberflächenfilme sind jedoch sowohl mit einem zu geringen Anschmelzen und einer niedrigeren Erfolgswahrscheinlichkeit verknüpft.) In ähnlicher Weise kann ein Fachmann feststellen, ob der Teil des Impfkristalles, der sich in direkter Nachbarschaft der Kühlplatte befindet, über die Solidustemperatur erwärmt wurde. Wie bei jedem gesteuerten Verfahren werden entweder die Überhitzung der Form oder der Metallschmelze oder die Isolierungseigenschaften der Form verändert, um das Verfahren so durchzuführen, daß der Impfkristall innerhalb der gewünschten Grenzen abgeschmolzen wird, wenn eine Abweichung beobachtet wird.

Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere für das Gießen von Legierungen auf Nickelbasis in verlorenen Keramik-Gußformen entwickelt und hat für diese Art von Gießen besondere Bedeutung. Derartige Formen, die typischerweise etwa 8 mm dick sind, bestehen überwiegend aus Zirkonium, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid, je nach der Wahl des Benutzers (vgl. US-PSen 2 912 729 (Webb) und 2 961 751 ' (Qperhall et al)). Die keramischen Formen weisen thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 bis 11 χ 10 pro Grad C auf, während die Nickellegierungen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10 bis 17 χ 10 pro "^ Grad C aufweisen. Es ist daher wichtig, daß der Impfkristall nicht zu eng in die Keramikform eingepaßt ist. Sonst würde sich der Impfkristall beim Erhitzen ausdehnen und einen Bruch der Form bewirken. Andererseits ist es wichtig, daß der Impfkristall nicht zu locker in die Form eingepaßt ist, da es sonst mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Fremd-Kristal-

-)Λ~ DE 103

lisationskeimbildung kommt, wie anhand des in Fig. 8 ge- ° zeigten Gußstücks gezeigt ist. In diesem Falle ist Metall 58 zwischen den Impfkristall und die Wand der Gußform eingeflossen und erstarrt, sobald es in die kälteren Bereiche in der Nähe der Kühlplatte gelangt. Dieses gefrorene oder erstarrte Material 58 weist eine willkürliche Orientierung auf, und beim Einsetzen der gerichteten Verfestigung kam es zu einem gegenüber dem erwünschten abweichenden Kristallwachstum. Die Erfinder fanden, daß für einen Impfkristall aus einer Nickellegierung mit Querabmessungen von etwa 1 cm bei Verwendung einer Keramikform auf Zirkonbasis der Impfkristall ein Spiel von weniger als 0,25 mm aufweisen sollte; bevorzugt sollte es bei etwa 0,08 mm liegen, wobei dieser Abstand aus dem Impfkristalldurchmesser und Formdurchmesser vor dem Erhitzen ermittelt wurde, damit der oben erwähnte Fehler vermieden wird. Dan Spiel oder der

Abstand sollte jedoch größer als etwa 0,06 mm sein, um ein Brechen der Form zu vermeiden. Eine Anpassung an diese Einpaßtoleranz sollte angestrebt werden, wenn der Impfkristall gemäß der vorliegenden Erfindung angeschmolzen wird. Die vorliegende Erfindung wurde in dieser Anmeldung anhand eines Impfkristalls beschrieben, der auf einer Kühlplatte aufstand. Die Lehre der vorliegenden Erfindung erstreckt sich jedoch auch auf andere Gießvorrichtungs-Konfigurationen und andere Gießverfahren, bei denen der Impfkristall auf andere Weise gekühlt wird, wie beispielsweise durch Abstrahlung

auf einen Kühlkörper usw.

- Leerseite -

Claims

p. Patentansprüche

1. Verfahren zur gerichteten Verfestigung einer Metallschmelze zu einem Gegenstand mit einer Struktur, die epitaxial zu einem Impfkristall ist, bei dem eine Form erzeugt wird, in diese ein Original-Impfkristall gegeben wird, die Form erhitzt wird, ein Teil des Impfkristalls aufgeschmolzen wird, indem eine Impfkristalloberfläche mit einer Metallschmelze, die in die Form gegeben wird, in Kontakt gebracht wird, und die Metallschmelze epitaxial verfestigt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Impfkristall auf eine solche Länge geschmolzen wird, die wenigstens 2b% der ursprünglichen Länge des Impfkristalls entspricht, wobei der geschmolzene Abschnitt der Impfkristallänge von der ursprünqliehen Kontakt fläche zu der Metallschmelze vor dem Schmelzen bis zum Ort der Liquidusgrenzflache nach dem Schmelzen gemessen wird, wobei dieses Schmelzen ausreicht, ein physikalisches Zerreißen der Oberflächen-Filme auf der Oberfläche des Impfkristalls zu bewirken, die mit der Metallschmelze, die epitaxial erstarren soll, in Kontakt kommt, während es nicht ausreicht, die Temperatur des Teils des Impfkristalls, der am weitesten vom Bereich des Kontakts mit der Metallschmelze, die epitaxial erstarren soll, entfernt ist, über die Solidustemperatur des Metall anzuheben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein solcher Abschnitt aufgeschmolzen wird, der mehr als 25?ό, jedoch weniger als 15% der ursprünglichen Impfkristallänge beträgt.

-2- DE 103

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Abschnitt aufgeschmolzen wird, der mehr als 3 3%, jedoch weniger als Gl% der Länge des ursprünglichen Impfkristalls beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impfkristall aus einer hochwarmfesten Nickellegierung (nickel superalloy) ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impfkristall ein Einkristall ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Form eine keramische verlorene Maskenform ist, die einen Startbereich einer an den Impfkristall angepaßten Form, einen Seiektorbereich, der sich an den Startbereich anschließt und einen Bereich von vermindertem Querschnitt für die fortschreitende Erstarrung bildet, sowie einen die Form des Gegenstandes bestimmenden Formbereich, der sich an den Selektor-Bereich anschließt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß diametral gemessen zwischen dem Impfkristall und dem Startbereich der Form, die den Impfkristall umgibt, ein seitlicher Abstand von zwischen 0,06 bis 0,25 mm eingehalten wird.