DE4016477C2 - Vorrichtung zur Auswahl eines Kristallisationskorns für monokristalline Teile in der Gießerei - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auswahl eines Kristallisationskorns, die bei einem Verfahren zur Herstellung mittels Gießen von monokristallinen Teilen verwendet ist, insbesondere von Schaufeln für Turbomaschinen aus Superlegierung.

Gemäß diesem an sich bekannten Verfahren wird eine Form mit geschmolzenem Metall an ihrem oberen Teil versorgt und wird eine gerichtete Verfestigung erreicht, deren Front vertikal von unten nach oben ausgehend von einer gekühlten Sohle fortschreitet. Um monokristalline Teile zu erhalten, erlaubt eine am Unterteil der Form angeordnete Vorrichtung zur Auswahl die Auswahl eines einzigen Kristall­ korns an ihrem Ausgang.

Die FR-A 14 81 366 und die FR-A 20 37 187 beschreiben beispielsweise derartige Gießerei-Herstellverfahren für monokristalline Teile.

Um eine bestimmte kristallographische Ausrichtung an dem Teil zu erhalten, ist auch eine sogenannte Verarbei­ tungstechnik bekannt, die ausgeht von einem Kristall­ keim, der durch ein festes Bruchstück gebildet ist, das die erwünschten Ausrichtungen besitzt. Diese Vorgehens­ weise kann jedoch für bestimmte Anwendungsfälle nur sehr schwierig umgesetzt werden.

Verschiedene Ausführungsformen von Korn-Wählern sind ebenfalls verwendet worden. Beispielsweise ist ein Wähler mit spiralförmigen Schikanen verwendet worden, wobei in der EP-A-0 105 823 eine Ausführungsform dieser Art erläutert ist. Die GB-A-20 30 233 erwähnt einen Wähler mit mehreren rechten Winkeln.

Aus der FR 14 81 366 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gußkörpers bekannt, der aus einer Legierung in Form eines Einkristalls gebildet wird, wobei der Einkristall in seiner [001]-Richtung unter Ausbildung eines Winkels zur Längsachse des Körpers orientiert ist.

Aus der GB 20 30 233 ist eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine bekannt, wobei das Blatt bzw. die Schaufel einen gewölbten Tragflächenbereich in Form mehrerer Einkristalle aus einer Legierung aufweist. Die Einkristalle erstrecken sich dabei in Längsrichtung der Tragfläche und weisen jeweils eine vorgegebene dreidimensionale Orientierung auf, die von der der weiteren Einkristalle verschieden ist. Zur Herstellung des Einkristalls wird eine Form mit geschmolzenem Metall befüllt, wobei die Form in einer Heizkammer mit Wärme beaufschlagt wird. Der Boden der Form ist mit einer Kühlplatte versehen. Die Form wird nachfolgend langsam aus der Heizkammer unter Verfestigung des Metalls entnommen, wobei ein Einkristall entsteht.

Diese bekannten Lösungen sind jedoch noch nicht vollständig zufriedenstellend. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Korn-Auswahl bereitzustellen, die mehrere Kriterien erfüllt:

• - das am Ausgang des Wählers gewählte einzige säulenförmige Korn, das in dem monokristallinen Teil sich entwickelt hat, muß so eng wie irgend möglich der kristallographischen Richtung [001] entsprechen, die mit einer gewählten Achse des Teils übereinstimmt, wobei die sekundären Richtungen ebenfalls bestimmten Achsen entsprechen,
• - bei jedem Gießvorgang muß eine gute Stücke sicherstellende ausreichende Erfolgsquote vorliegen, unabhängig von zulässigen Schwankungen bei den Durchführungs-Parametern, wie insbesondere Temperatur der Form, Gießtemperatur, Art und Volumen des Teils und, während eines Gießens in Trauben-Anordnung, Unabhängigkeit der Lage des Teils innerhalb der Traube oder der Geometrie der Traube,
• - der Raumbedarf des Wählers, insbesondere dessen Höhe ist zu verringern.

Die Aufgabe wird durch Bereitstellung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhaft weist der Wähler einen mit dem Basisstück verbundenen vertikalen ersten Stab auf, der von einem zweiten Stab gefolgt ist, der schräg ist, unter 120° gegenüber dem ersten Stab gerichtet ist und von einem dritten Stab gefolgt ist, der vertikal ist und von einem vierten Stab gefolgt ist, der ebenfalls schräg ist und unter 120° gegenüber dem dritten Stab ausgerichtet ist, wobei das Ende dieses vierten Stabes sich in Verlängerung des vertikalen ersten Stabes befindet und von einem vertikalen fünften Stab am Wählerausgang gefolgt ist.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch und perspektivisch eine Vorrichtung zur Korn-Wahl herkömmlicher Bauart,

Fig. 2 perspektivisch in einer Ansicht ähnlich Fig. 1 eine Vorrichtung zur Korn-Auswahl für monokristaline Gießerei gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Für Anwendungen der monokristallinen Gießerei insbesondere bei der Herstellung von Schaufeln für Turbinen ist es bekannt, eine Vorrichtung zur Korn-Auswahl mit der in Fig. 1 dargestellten Bauart zu verwenden. Diese Vorrichtung weist ein Basisstück 1 auf, das auf einer Sohle 2 oder einem Boden des Ofens angeordnet ist. Dieser Ofen, in dem eine mit geschmolzenem Metall an seinem oberen Teil versorgte Form angeordnet ist, weist alle an sich bekannten Einrichtungen auf, die für die Durchführung dieser Vorge­ hensweise an sich bekannt sind. Der Ofen ist in den Zeichnungen nicht dargestellt und muß auch nicht näher erläutert werden. Er weist insbesondere Heizeinrichtungen und Einrichtungen auf, um bestimmte Temperaturgradienten längs einer bevorzugten Verfestigungsrichtung des geschmol­ zenen Metalls zu erreichen, insbesondere eine gekühlte Sohle. In Kontakt mit der gekühlten Sohle 2 bilden sich säulenförmige Kristallisationskorne gemäß der Richtung [001] in diesem Basisstück 1. Das Basisstück 1 ist von einem Korn-Wähler 3 überbaut. Wenn die Sohle 2 als horizon­ tal angesehen wird und die zu dieser Sohle senkrechte Verfestigungsrichtung vertikal ist, weist der Korn-Wähler 3 Elemente in Form von geradlinigen Stäben auf, die alle eine gemeinsame Symmetrie-Mittelebene besitzen. Diese Elemente sind derart angeordnet, daß sie Schikanen bilden und weisen daher einen vertikalen ersten Stab 4 oberhalb des Basisstücks 1 auf, gefolgt von einem horizontalen zweiten Stab 5, gefolgt von einem vertikalen dritten Stab 6, gefolgt von einem horizontalen vierten Stab 7, der oberhalb des zweiten Stabes angeordnet ist und gefolgt von einem vertikalen fünften Stab 8, der in Verlängerung des ersten Stabes 4 angeordnet ist, der den Ausgang des Wähler bildet und der auf der eigent­ lichen Form Anschluß hat. Durch das Erreichen eines bestimmten Weges während des Aufbaus ausgehend von am Basisstück 1 befindlichen säulenförmigen Kornen ermöglicht es der Wähler 3 am Ausgang auf einem einzigen Korn zu münden, das sich anschließend fortsetzt in der Form des gewollten monokristallinen Teils innerhalb der Gießform.

Obgleich diese bekannte Lösung zu Ergebnissen geführt hat, die die vorliegende Erfindung zu verbessern beabsich­ tigt, soll insbesondere eine Verringerung der Ausfallquote bei der Auswahl einer vorgegebenen Quer-Ausrichtung und der Ausrichtung [001] erreicht werden, die sich mit der Vertikalen ausbildet, sowie eine geringere Empfind­ lichkeit im Hinblick auf Schwankungen und Änderungen bei den Betriebsparametern.

Die Vorrichtung zur Korn-Auswahl, die in Fig. 2 dargestellt ist, zeigt ein Beispiel des Wählers gemäß einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung, die das Erreichen der verbesserten Ergebnisse ermöglicht. Das Basisstück 10 entspricht dem in Fig. 1 dargestellten. Auch das Prinzip eines Korn-Wählers 30 wird beibehalten, der Elemente in Form von geradlinigen Stäben aufweist, die alle eine gemeinsame Symmetrie-Mittelebene besitzen. Im wesentlichen Gegensatz dazu ist bei der Erfindung ein vertikaler erster Stab 34 oberhalb des Basisstücks 10 von einem zweiten Stab 35 gefolgt, der gegenüber der Horizontalen um einen Winkel a geneigt ist, dir zwischen 5 und 45° liegt, wobei der bevorzugte Wert des Winkels a bei der Darstellung gemäß Fig. 2 30° ist derart, daß die Mittelachsen der Stäbe 34 und 35, die in der gleichen Ebene liegen, unter sich einen Winkel von 120° einschließen. Der folgende dritte Stab 36 ist wiederum vertikal ausgerichtet und der folgende vierte Stab 37 ist wiederum gegenüber der Hoizontalen um einen Winkel b geneigt, der wie zuvor beim zweiten Stab 35 zwischen 5 und 45° ist, wobei der bevorzugte Wert des Winkels b bei 30° liegt derart, daß die beiden Mittelachsen der Stäbe 36 und 37, die stets in der gleichen Ebene liegen, unter sich einen Winkel von 120° einschließen. Der am Ausgang des Wählers 30 befindliche fünfte Stab 38, der an die Gießform 39 der Gießerei-Einrichtung für monokristalline Teile an­ schließt, ist wiederum vertikal und ist in Verlängerung des ersten Stabes 34 angeordnet.

Diese Wähleinrichtung ist in an sich bekannter Weise vollständig von einem Panzer 40 aus wärmeisolierendem und gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähigem keramischen Material umgeben. Die Abmessungsparameter des Korn-Wählers gemäß der Erfindung sind abhängig von den Abmessungen des verwendeten Ofens und der zu erhaltenden Teile sowie abhängig von den thermischen Gradienten gewählt, die sich aus den Durchführungsbedingungen beim Gießen der Teile ergeben. Das vorzugsweise zylindrische Basisstück 10 weist daher einen Durchmesser D auf, der derart gewählt ist, daß die Anzahl der Korne begünstigt wird, während die Stäbe des Wählers einen identischen Querschnitt besitzen, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt mit Seiten e und f besitzen, um die Anzahl der Korne zu begrenzen und um die Grenzeffekte einzuschrän­ ken. Das Vorliegen von Winkeln a und b für die nicht horizontalen Stäbe 35 und 37 erlaubt die Vermeidung einer Beschädigung des Wählers durch Absenkung dieser Stäbe und das Auftreten während des Betriebes eines Winkels unter 90° zwischen den Stäben 35 und 37 und den jeweils zugeordneten vertikalen Stäben. Die nicht horizontale Anordnung dieser Stäbe 35 und 37 erlaubt vor allem und in besonders hervorzuhebender Weise nach der Erfindung die Beseitigung von vom Basisstück 1 ausgehen­ den Kornen, deren kristallographische Ausrichtung nicht zufriedenstellend ist, und daher die Sicherstellung verbes­ serter Qualität des am Ausgang des Wählers erhaltenen einzigen Korns. Die Länge der Stäbe 35 und 37 ist im übrigen derart bestimmt, um den Wärmegradienten (thermischen Gradienten) zu steuern. Für eine bestimmte Anwendung wurden daher die folgenden Abmessungsparameter der Wählvor­ richtung gemäß der Erfindung nach Darstellung gemäß Fig. 2 erhalten, und zwar in Millimetern:
D = 15 bis 20 mm; H₁ = 10 bis 15 mm (Höhe des Basisstücks); H₂ = 10 bis 15 mm (Höhe des ersten und des dritten Stabes);
g = 25 bis 30 mm (horizontale Länge); e = f = 4 bis 5 mm;
i = 5 mm (Höhe im Ausgang); H = 60 bis 70 mm (Gesamthöhe); a = b = 30°.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Auswahl eines Kristallisationskorns mit vorgegebener Querorientation und mit einer in die Vertikale fließenden Richtung [001], bestimmt für die Herstellung durch Gießen von monokristallinen Teilen, mit einem Basisstück (10) und einem bidimensionalen Wähler (30) mit Schikanen, von dem alle Elemente, die eine Folge geradliniger Stäbe bilden, eine gemeinsame Symmetrie-Mittelebene aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wähler (30) einen mit dem Basisstück (10) verbundenen ersten Stab (34) aufweist, der vertikal ist, der von einem zweiten Stab (35) gefolgt ist, der schräg ist unter einem Winkel A zwischen 95° und 135° gegenüber dem ersten Stab (34), und der von einem dritten Stab (36) gefolgt ist, der vertikal ist und der von einem vierten Stab (37) gefolgt ist, der ebenfalls schräg ist unter einem Winkel A zwischen 95° und 135° gegenüber dem dritten Stab (36), wobei das Ende des vierten Stabes (37) sich in der Verlängerung des ersten vertikalen Stabes (34) befindet und von einem vertikalen fünften, Ausgangs-Stab (38) des Wählers (30) gefolgt ist.

2. Vorrichtung zur Auswahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel A 120° beträgt.