DE3884327T2 - Material für Giessereikerne. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf keramisches Material zur Benutzung bei keramischen Kernen, speziell, jedoch nicht ausschließlich, zur Benutzung bei der Herstellung von Präzisionsguß-Komponenten.
- Komponenten wie Flügel oder Düsenleitschaufeln z.B. für Gasturbinentriebwerke haben häufig komplex geformte innere Hohlkanäle für die Kühlung. Solche Kanäle lassen es zu, daß die Komponente bei einer viel höheren Gaseinlaßtemperatur arbeiten kann als dies andernfalls möglich wäre. Im allgemeinen werden diese Kanäle durch Verwendung von laugefähigen keramischen Kernen ausgebildet, die während eines Vakuum-Präzisionsgußverfahrens an Ort und Stelle gegossen werden.
- Solche Kerne haben im allgemeinen einen Gehalt an Materialien auf Silikondioxid-Basis. Die hohe Temperaturfestigkeit eines Kerns hängt von der Entglasung von glasigem Siliziumdioxid zur kristallinen Phase, nämlich Cristobalit, ab. Dies wurde bislang im allgemeinen erreicht durch Zugabe von Alkalimetall-Ionen, wie z.B. Natrium, zu dem Siliziumdioxid-Glas als Katalysatoren in kleineren Zugaben. Obwohl Alkalimetall-Ionen die Entglasung von Siliziumdioxid begünstigen, senken sie auch die Hochtemperatur-Festigkeit des Kerns durch Erniedrigung der Schmelztemperatur der Bindung. Die EP-A-0 179 649 beschreibt Siliziumdioxid-Kerne, die durch Verwendung von Alkalimetall-Ionen zu Cristobalit entglast sind.
- In jüngerer Zeit haben Gasturbinenkomponenten mit metallischen Kornstrukturen, die entweder durch einen gerichteten Erstarrungsprozeß (DS) erzeugte Stangenkörner oder ein Einzelkristall (SC) aufweisen, gesteigerte Wichtigkeit erfahren. Dies ist zurückzuführen auf die höheren Spannungen und Temperaturen, denen Komponenten mit solchen Strukturen widerstehen können.
- Beide Arten von Komponenten werden durch einen im wesentlichen ähnlichen Prozeß hergestellt, bei dem die benutzten Kerne Temperaturen, die über 1500ºC liegen, manchmal für einige Stunden widerstehen müssen. Als Ergebnis hiervon treten sehr starke plastische Deformationen des Kerns ein, der dazu neigt, sich unter seinem eigenen Gewicht zu deformieren und durchzubiegen, wenn Metall in die Form, in welcher der Kern angeordnet ist, eingegossen wird.
- Außenabmessungstoleranzen für Präzisionsguß-Gasturbinenkomponenten sind strikt, auch die Lage, Größe und Orientierung usw. von durch Kerne erzeugten Kanäle innerhalb der Komponenten sind gleichermaßen strikten Toleranzen unterworfen.
- Die GB-A-82941 befaßt sich mit der Herstellung von Keramiken, die Siliziumdioxid enthalten und eine kristallisierte Struktur aufweisen. Allerdings besteht für die beschriebenen Zusammensetzungen die Notwendigkeit zu erheblichen Materialanteilen aus anderem Material als Siliziumdioxid und sie werden durch ein Verfahren hergestellt, das einen Schmelzschritt beinhaltet, der zu einer nicht ausreichenden Maßgenauigkeit der entstehenden Kerne führen würde.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Material für Kerne zur Verfügung zu stellen, das ohne die Anwesenheit von Alkalimetall-Ionen entglast wird und keiner Zersetzung bei höheren Temperaturen unterliegt.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gießereikolben vorgeschlagen, der Siliziumdioxid-Partikel, die zusammengebrannt sind, aufweist und zumindest teilweise zu Cristobalit entglast ist und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er frei von Zugaben von Alkalimetall-Ionen ist und in dem Ionen enthalten sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Titan, Zirkonium, Phosphor, Vanadium, Chrom, Molybdän und Kupfer umfaßt.
- Ionen können in Form eines feinzerteilten Oxidpulvers oder als eine das Element enthaltende Zusammensetzung, bevorzugt eine organische Verbindung, die mit dem bei der Kernherstellung eingesetzten Bindemittel vermischbar ist, zugegeben werden. Eine organische Verbindung, die mit dem Bindemittel mischbar ist, gestattet eine homogene Verteilung durch die ganze Mischung hindurch.
- Wenn das Element als das Oxid zugegeben wird, kann die Zugabe im Bereich von 0,05 bis 10 Gew.-% liegen.
- Eine bevorzugte Zugabe ist Titandioxid.
- Ein bevorzugter Bereich für das Titandioxid kann 0,1 bis 5 Gew.-% sein.
- Ein besonders bevorzugter Bereich für das Titandioxid kann 0,1 bis 2,5 Gew.- % sein.
- Vorteilhafterweise ist das Siliziumdioxid von einer Reinheit über 99,5 %.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gießereikerns vorgeschlagen, das die Schritte Mischen von Siliziumdioxid mit einem organischen Bindemittel, Formen einer gewünschten Kernform, Erhitzen zum Entfernen des organischen Bindemittels und anschließendes Brennen aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mischung vor dem Brennen frei von Alkalimetallionen-Zugaben ist und Ionen enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe, welche Titan, Zirkonium, Phosphor, Vanadium, Chrom, Molybdän und Kupfer umfaßt und daß das Brennen bei einer Temperatur oberhalb 1180ºC so vorgenommen wird, daß kein Schmelzen auftritt.
- Bevorzugt liegt die Brenntemperatur oberhalb von 1200ºC.
- Der Gehalt an organischem Bindemittel kann in dem Bereich von 15 bis 40 Gew.-% der Mischung liegen.
- Es ist bevorzugt wenn nach dem Brennen weniger als 50% des Siliziumdioxids zu Cristobalit transformiert wurden, wobei eine weitere Entglasung sich während des Vorheizens der Form fortsetzt derart, daß der Cristobalitgehalt beim Gießen nahe bei 100% liegt.
- Titandioxid kann als Titandioxid oder als eine Titan enthaltende Verbindung zugegeben werden, die während des Verfahrens zum Oxid abgebaut wird.
- Damit die Erfindung vollständig verstanden werden kann, werden nun nur zur Erläuterung Beispiele beschrieben.
- Eine Serie von Materialzusammensetzungen für Kerne wurde durch Mischen von Hartglas mit 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 1,0 Gew.-% und 2,0 Gew.-% Titandioxid von im wesentlichen Submikron-Partikelgröße hergestellt. Diese Zusammensetzungen wurden in Pellets gepreßt und bei Temperaturen von 1150ºC bis 1300ºC gebrannt. Dann wurde das Ausmaß der Entglasung mittels thermischer Expansionsmessungen bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, daß Titandioxid über den gesamten Bereich der untersuchten Konzentrationen die Entglasung begünstigte, wenn bei und über 1200ºC gebrannt wurde. Das Maß an Kristallisation wuchs mit der Brenntemperatur, der Durchwärmzeit bei Temperatur und mit zunehmender Konzentration von Titandioxid.
- Ein weiteres Material wurde aus einer einzelnen Zusammensetzung hergestellt, die 1 Gew.-% Titandioxid in der Mischung enthielt, um 1,3 Gew.-% im gebrannten Material zu erhalten. Die Mischung enthielt 68,50 Gew.-% Hartglas, 1 Gew.-% Titandioxid und als Rest ein organisches Bindemittel auf der Basis von Polyethylenglykol. Die Mischung wurde in einem Z-Flügel-Mischer hergestellt. Die organischen Komponenten wurden trocken mit dem Titandioxid vermischt und dann wurde der Z-Flügel-Mischer aufgeheizt, bis die organischen Komponenten geschmolzen waren. Das Mischen der geschmolzenen Komponenten mit Titandioxid wurde über eine Stunde fortgesetzt und dann das Siliziumdioxid portionsweise zugegeben. Wenn das gesamte Siliziumdioxid zugegeben war, wurde das Mischen über 2 Stunden fortgesetzt, wonach die Heizeinrichtungen abgeschaltet wurden und das Material an Ort und Stelle granulierte. Dieses Material wurde als Mischung L69 bezeichnet.
- Ferner wurde eine Mischung aus einem üblichen Material für die Herstellung von Kernen erstellt, das Natriumionen enthielt. Dieses Material wurde als Mischung 52 bezeichnet und entspricht nicht der vorliegenden Erfindung.
- Teststäbe der Mischungen L69 und 52 wurden durch Spritzguß hergestellt und langsam auf eine Temperatur von 700ºC aufgeheizt, um die organischen Bindemittel auszutreiben. Einige der Stäbe aus der Mischung 52 wurden vor dem Brennen in Ethylsilikat-Lösung eingetaucht, um die Porosität im Material teilweise zu füllen. Das eingetauchte Material wurde mit A52 bezeichnet und entsprach ebenfalls nicht der Erfindung.
- Alle drei Materialsorten wurden dann unter ähnlichen Bedingungen bei 1150ºC während 5 Std. gebrannt. Teststäbe aus jeder der Zusammensetzungen wurden dann von der Umgebung in die heiße Zone eines Bruchmodul (MOR)- Testgerätes verbracht, das bei 1450ºC stabilisiert war, und sie wurden während Perioden von 30 min und 60 min durchwärmt. Nach Ablauf jeder Durchwärmungsperiode wurden die Stangen mit 55 N/min bis zum Bruch belastet. Nach dem Test wurden physikalische Messungen der Porosität und der Dichte ausgeführt (siehe Tafel). Physikalische und mechanische Eigenschaften der Zusammensetzung Nr. 52, A52, L69, bei 1450ºC ermittelt Mischg. Nr. Versuch Nr. Durchwärmungszeit min. Rohdichte g cm&supmin;³ Schüttdichte g cm&supmin;³ Oberflächenporosität % Bruchmodul (MOR) M Pa Durchbiegung bei Bruch mm * Als gebrannte Stäbe bei Umgebungstemperatur geprüft
- Nun wird Bezug genommen auf die Tafel, gemäß der die gebrannte Mischung 52 eine Rohdichte von 1,45 g/cm³, eine Porosität von 34,1% und einen Bruchmodul (MOR) von 7,5 MPa aufwies. Die Wirkung des Eintauchens in Ethylsilikat vor dem Brennen führte zu einem Anstieg der Rohdichte auf 1,58 g/cm³ mit einer Abnahme der Porosität auf 28,6% und einer entsprechenden Verdopplung des MOR.
- Die gebrannten L69-Stangen haben eine Rohdichte von 1,43 g/cm³, eine Porosität von 34,1 % und einen MOR von 11,0 MPa. Die Durchbiegung bei Bruch ist für alle Zusammensetzungen ähnlich bei 0,35 mm.
- Es kann gesehen werden, daß das L69-Material, das während 30 und 60 min bei 1450ºC durchwärmt wurde, MOR-Werte von 37,8 und 39,8 MPa erreichte. Der Kristallisationsgrad der Mischung 52 und des A52-Materials ist vergleichbar mit dem des L69-Materials, aber die MOR-Werte sind erheblich tiefer bei einem Durchschnitt von 6,8 bzw. 11,8 MPa.
Claims (19)
1. Gießereikern, der Siliziumdioxid-Partikel, die zusammengebrannt sind,
aufweist und zumindest teilweise zu Cristobalit entglast wurde, dadurch
gekennzeichnet, daß er frei von Zugaben von Alkalimetall-Ionen ist und Ionen
aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Titan, Zirkonium,
Phosphor, Vanadium, Chrom, Molybdän und Kupfer umfaßt.
2. Gießereikern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in
Form eines Oxids vorliegen.
3. Gießereikern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oxidgehalt Titandioxid ist.
4. Gießereikern nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Oxidgehalt von 0,05 bis 10 Gew.-% beträgt.
5. Gießereikern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oxidgehalt von 0,1 bis 5,0 Gew.-% beträgt.
6. Gießereikern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oxidgehalt von 0,1 bis 2,5 Gew.-% beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Gießereikernes, das die Schritte Mischen
von Siliziumdioxid mit einem organischen Bindemittel, Formen einer
gewünschten Kernform, Erhitzen zum Entfernen des organischen Bindemittels und
anschließendes Brennen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung
vor dem Brennen frei von Alkalimetallionen-Zugaben ist und Ionen enthält, die
ausgewählt sind aus der Gruppe, welche Titan, Zirkonium, Phosphor,
Vanadium,
Chrom, Molybdän und Kupfer umfaßt und daß das Brennen bei einer
Temperatur über 1180ºC so vorgenommen wird, daß kein Schmelzen auftritt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern nach
dem Brennen noch weiter in einer Form während deren Vorheizens vor dem
Vergießen des Metalls in diese erhitzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern bis zu
60 min auf der Form-Vorheiztemperatur gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Form-Vorheiztemperatur etwa 1450ºC beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Brenntemperatur oberhalb 1200ºC liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brenntemperatur im Bereich von 1200ºC bis 1300ºC liegt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ionen in Form eines feinzerteilten Oxids zugegeben
werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ionen in Form einer organischen Verbindung
zugegeben werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
organische Verbindung mit dem Material des organischen Bindemittels mischbar ist.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid
Titandioxid ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
Titandioxidgehalt der Mischung von 0,05 bis 10,0 Gew.-% beträgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der
Titandioxidgehalt der Mischung von 0,1 bis 5,0 Gew.-% beträgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der
Titandioxidgehalt der Mischung von 0,1 bis 2,5 Gew.-% beträgt.
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