DE4242852A1 - Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut - Google Patents
Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von SchmelzgutInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von
Schmelzgut in einer Formschale, die über ihrer Länge unterschiedliche
Querschnitte aufweist und relativ zu einer Wärmequelle bewegbar ist.
Für die gerichtete Erstarrung von Gußteilen wird ein möglichst
hoher Temperaturgradient an der Erstarrungsfront gefordert. Dazu
wird eine Wärmequelle möglichst dicht über einer Wärmesenke
angeordnet. Zwischen beiden bildet sich in der Formschale eine
Erstarrungsfront aus, wenn die Formschale aus dem heißen
Einflußbereich der Wärmquelle in den kalten Bereich einer
Wärmesenke verfahren wird. Bei bekannten Vorrichtungen zur
Durchführung der gerichteten Erstarrung strahlt die Wärmequelle
aus allen Richtungen auf die zu erwärmende Formschale mit
Schmelzgut und hat je nach Formgebung der Formschale mehr oder
weniger Sichtkontakt mit der Wärmesenke. Ein Nachteil dieser
Vorrichtungen ist, daß die Geometrie der Erstarrungsfront in der
Formschale beim Herausfahren des Schmelzgutes aus dem
Einflußbereich der Wärmequelle bei Formschalen, die in ihrer Länge
unterschiedliche Querschnitte aufweisen, so daß sie nicht
prismatisch sind, nicht stabilisiert werden kann. Damit ist die
Gefahr verbunden, daß die angestrebte Kolumnar- oder
Einkristallstruktur bei der gerichteten Erstarrung nicht erreicht
wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß mit dem teilweisen
Sichtkontakt zwischen Wärmequelle und Wärmesenke der Temperatur
gradient im Bereich der Erstarrungsfront verkleinert wird.
Aufgabe der Erfindung ist eine gattungsgemäße Vorrichtung
anzugeben, mit der eine verbesserte Führung des Wärmestromes bei
gerichteter Erstarrung erreicht und ein hoher Temperaturgradient
im Bereich der Erstarrungsfront unabhängig von der Formgebung der
Formschale aufrechterhalten wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen der Wärmequelle
und einer Wärmesenke ein Wärmeisolationsblock angeordnet ist, der
eine Öffnung zum Hindurchfahren der Formschale aufweist, wobei die
Formschale Außenrippen aufweist, die orthogonal zur
Bewegungsrichtung angeordnet sind und in ihrer Außenkontur der
Öffnung des Isolationsblockes angepaßt sind.
Ein Vorteil dieser Vorrichtung ist, daß eine Isolationsstrecke in
Bewegungsrichtung durch den Wärmeisolationsblock aufgebaut wird,
in der sich die Erstarrungsfront ausbildet. Je näher der
Wärmeisolationsblock an die Formschale herangeführt werden kann,
um so stabiler wird die Geometrie der Erstarrungsfront. Bei
stabiler Geometrie der Erstarrungsfront bleibt auch die gerichtete
Erstarrung des Schmelzgutes in Kolumnarstruktur oder
Einkristallinität stabiler.
Bei Formschalen, die über ihrer Länge unterschiedliche
Querschnitte aufweisen, kann der Wärmeisolationsblock nur dem
größten Querschnitt der Formschale optimal angepaßt werden oder
die Öffnung im Wärmeisolationsblock müßte beim Hindurchfahren der
Formschale ständig der Gestalt der Formschale folgen, was mit
einem hohen technischen Aufwand verbunden wäre. Dieser technisch
hohe Aufwand wird vorteilhaft durch die Außenrippen, die orthogonal
zur Bewegungsrichtung angeordnet sind und in ihrer Außenkontur der
Öffnung des Wärmeisolationsblockes angepaßt sind, vermieden. Die
Außenrippen der Formschale haben den Vorteil, daß der direkte
Sichtkontakt zwischen Wärmequelle und Wärmesenke unterbrochen
wird, ohne den Wärmestrom in die Form bzw. aus ihr heraus zu
behindern. Die Konzentration des Wärmestroms auf das Gußmaterial
wird durch die Außenrippen verbessert, so daß zusätzlich der
Energieverbrauch der Vorrichtung bei einer gerichteten Erstarrung
vermindert wird.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung bestehen die Außenrippen
aus Wärmeisolationsmaterial. Das hat den Vorteil, daß der Formschale im
Einwirkungsbereich der Außenrippen keine Wärme entzogen wird und damit
die Außenrippen nicht als lokale Wärmesenken wirken und den Wärmefluß
innerhalb der Formschale stören. Bevorzugte Materialien sind Zirkon
iumoxid oder Aluminiumoxid. Die Außenrippen weisen dabei eine Dicke auf,
die ihre Formstabilität sichert und den Wärmestrahlengang zwischen einer
Heizraumwand und der Wandung der Formschale orthogonal zur Bewegungs
richtung ausrichtet, sowie diesen Wärmestrahlengang nicht behindert und
gleichzeitig den Wärmestrahlengang zwischen Wärmequelle und Wärmesenke
unterbricht. Die Außenrippen weisen deshalb eine geringe Dicke auf, die
zwischen 0,1 und 5 mm liegt.
Zur verbesserten Wärmekopplung zwischen Formschale, Wärmequelle und
Wärmesenke bestehen die Außenrippen vorzugsweise aus einem Material
mit anisotroper Wärmeleitung, wobei die Wärmeleitung in Bewegungs
richtung geringer ist, als orthogonal zur Bewegungsrichtung. Damit
wird die Wärmestrahlung auf Formschalenteile im Einflußbereich der
Wärmesenke unterbunden und die Wärmekopplung zwischen Wärmequelle
und Formschale sowie Formschale und Wärmesenke durch die Außenrippen
nicht beeinträchtigt. Als Material mit anisotroper Wärmeleitung werden
vorzugsweise Graphitschichten, Glimmerplatten oder Asbestersatzstoffe
eingesetzt.
Die richtungsgebende Wirkung der Außenrippen für die Wärmestrahlung von
einer Heizraumwand zur Formschale und umgekehrt wird vorteilhaft dadurch
erhöht, daß die Außenrippen eine wärmereflektierende Beschichtung auf
weisen. Vorzugsweise ist dieses eine metallische Beschichtung aus Edel
metallen oder aus einer Chrom-, Aluminium-, Nickel-, Kobalt- oder Eisen
basislegierung.
Die Erstreckung des Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrichtung
der Formschale ist bei Anlagen für die Einkristallzucht von
Triebwerksschaufeln vorzugsweise zwischen 5 und 50 mm. In einer
weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Abstand
zwischen den Außenrippen höchstens gleich der Erstreckung des
Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrichtung. Das hat den Vorteil,
daß in jeder beliebigen Erstarrungsposition der Formschale
mindestens eine Außenrippe eine unmittelbare Wärmestrahlung
(Sichtkontakt) zwischen Wärmequelle und Wärmesenke unterbindet.
Der Abstand zwischen den Außenrippen wird vorzugsweise durch dünne
Stäbe gewährleistet, die zwischen den Rippen angeordnet werden.
Die Außenrippen können halbiert sein und damit in einfacher Weise
die Formschale umschließen. Mit den abstandshaltenden Stäben
können die Außenrippen zu einem integralen Bauteil verbunden
werden. Das hat den Vorteil, daß dieses Bauteil aus Außenrippen
und Stäben mehrfach eingesetzt werden kann.
Die Außenrippen können vorzugsweise die Formschale formschlüssig umgeben
und damit vorteilhaft zur Formstabilität der Formschale beitragen. In
diesem Fall kann die Formschale dünnwandiger als bisher ausgebildet
werden, so daß eine höhere Wärmekopplung zwischen Wärmequelle, Form
schale und Schmelze einerseits und erstarrtem Gut, Formschale und Wärme
senke andererseits möglich wird.
Die Außenrippen sind vorzugsweise an die Formschale angespritzt oder
angeklebt. Das hat den Vorteil, daß die Formschale mit den Außenrippen
ein integrales Bauteil bildet und abstandshaltende Stäbe oder andere
Hilfsmittel nicht erforderlich werden und Formschale und Außenrippen
als thermische Einheit durch die Öffnung des Isolationsblockes bewegt
werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Vor
richtung einen Heizraum mit einem inneren Hohlquerschnitt, dessen Kontur
der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entspricht und mit ihr fluchtend
angeordnet ist, auf. Dieses hat den Vorteil, daß ein Temperaturprofil,
das in Längsrichtung des Heizraumes aufrechterhalten wird, sich voll
ständig auf die Formschale überträgt. Um eine feinteilige örtliche Stu
fung eines derartigen Temperasturprofils in Längsrichtung von der Heiz
raumwand auf die Formschale zu übertragen, wird der Außenrippenabstand
entsprechend variiert und angepaßt.
Werden Heizraumgeometrien einer Kristallzuchtanlage vorgegeben, die
nicht der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entsprechen, so weist der
Heizraum vorzugsweise Innenrippen auf. Dabei besitzen die Innenrippen
Öffnungen, die der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entsprechen und
mit ihr fluchtend angeordnet sind. Mit Hilfe dieser Innenrippen und den
Außenrippen der Formschale wird der Wärmeaustausch zwischen Heizraumwand
und Formschale verbessert.
Die folgenden Figuren zeigen Beispiele zu bevorzugte Ausbildungen
der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von
Schmelzgut mit Wärmeisolationsblock und angepaßten
Außenrippen einer Formschale.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von
Schmelzgut mit einem Heizraum und angepaßten Innen- und
Außenrippen.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut
2 mit einem Wärmeisolationsblock 3 und angepaßten Außenrippen 4 einer
Formschale 5. Die Formschale 5 weist über ihrer Länge unterschiedliche
Querschnitte 6, 7, 8, 9 auf und wird relativ zu einer Wärmequelle 10 in
Pfeilrichtung A bewegt. Der Wärmeisolationsblock 3 ist zwischen der
Wärmequelle 10 und einer Wärmesenke 11 angeordnet und weist eine Öffnung
12 auf, durch die die Formschale 5 in Richtung A bewegt wird.
Dabei bildet sich im thermischen Einflußbereich des Wärmeisolations
blocks 3 eine Erstarrungsfront 13 für das Schmelzgut 2 aus. Diese Erst
arrungsfront 13 muß durch ein entsprechendes Temperaturprofil über der
Länge der Formschale stabil gehalten werden. Das Temperaturprofil, das
sich im Schmelzgut 2 und einem bereits gerichtet erstarrten Bauteilab
schnitt 14 ausbildet, ist nur dann aktiv von außen über Wärmequelle 10,
Isolationsblock 3 und Wärmesenke 11 steuerbar und stabil aufrechtzu
erhalten, wenn eine störungsfreie Wärmekopplung zwischen Formschale und
Wärmequelle 10, Wärmeisolationsblock 3 sowie Wärmesenke 11 gesichert
ist. Jede Änderung des Querschnittes 6, 7, 8, 9 der Formschale über ihrer
Länge würde eine Störung verursachen, was durch die Außenrippen 4 er
folgreich verhindert wird, weil diese erfindungsgemäß orthogonal zur
Bewegungsrichtung angeordnet und in ihrer Außenkontur der Öffnung 12 des
Wärmeisolationsblocks 3 angepaßt sind.
Die Formschale 5 dient in diesem Beispiel der Herstellung einer
einkristallinen gerichtet erstarrten Triebwerksschaufel aus einer
Ni- oder Co-Basislegierung mit einer Schaufelblattlänge von 200 mm,
einer mittleren Schaufelblatttiefe von 5 mm, einer mittleren
Schaufelblattbreite von 30 mm und Deckbandsegmentabmessungen
von 25×35 mm2 sowie Schaufelfußabmessungen von 17×35 mm2. Der
Isolationsblock 3 hat in diesem Beispiel eine Dicke von 15 mm und
die Öffnung 12 ist den größten Abmaßen der Außenkontur der
Formschale 5 angepaßt, so daß sie mit ihren aufgespritzten
Außenrippen 4 einer Dicke von 1,5 mm2 durch die Öffnung 12 in
Richtung A hindurchbewegt werden kann.
Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur gerichteten Erstarrung von
Schmelzgut 2 mit einem Heizraum 15 und angepaßten Innen- 16 und Außen
rippen 4. Der Heizraum 15 wird nach oben von einem Deckel 17 abge
schlossen. Die Innenrippen 16 sind orthogonal zur Bewegungsrichtung
(Pfeilrichtung A) angeordnet und weisen Öffnungen 18 auf, die der Öff
nung 12 des Wärmeisolationsblockes 3 entsprechen und mit ihr fluchtend
angeordnet sind. Mit diesen Innenrippen 16 wird der Heizraum auf die
Maße der Öffnung 12 verkleinert und eine intensive Wärmekopplung zwi
schen Formschale 5 mit Außenrippen 4 einerseits und Wärmequelle 10,
Wärmeisolationsblock 3 und Wärmesenke 11 andererseits erreicht. Durch
die verbesserte Wärmeführung und Wärmekopplung mittels der Innen- 16 und
Außenrippen 4 ist es möglich, die Erstarrungsfront 13 stabil zu halten
und der Formschale 5 gesteuerte Temperaturprofile aufzuprägen. Dabei
hilft auch die Mehrteilung der Wärmequelle 10 durch eine über mehreren
Kontakte 19 bis 21 versorgbare Mehrzonenheizung 22, 23.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut in einer
Formschale, die über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte
aufweist und relativ zu einer Wärmequelle bewegbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke
ein Wärmeisolationsblock angeordnet ist, der eine Öffnung zum Hin
durchfahren der Formschale aufweist, wobei die Formschale Außen
rippen aufweist, die orthogonal zur Bewegungsrichtung angeordnet
sind und in ihrer Außenkontur der Öffnung des Wärmeisolations
blockes angepaßt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen
rippen aus Wärmeisolationsmaterial bestehen.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Außenrippen aus einem Material mit
anisotroper Wärmeleitung bestehen, wobei die Wärmeleitung in
Bewegungsrichtung geringer ist als orthogonal zur Bewegungsrich
tung.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Außenrippen eine wärmereflektierende Be
schichtung aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Außenrippen höchstens
gleich der Erstreckung des Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrich
tung ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Außenrippen mittels dünner Stäbe untereinan
der abstandshaltend verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Außenrippen die Formschale formschlüssig
umgeben.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Außenrippen an die Formschale angespritzt
oder angeklebt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie einen Heizraum mit einem inneren Hohlquer
schnitt, dessen Kontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes ent
spricht und mit ihr fluchtend angeordnet ist, aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie einen Heizraum mit Innenrippen aufweist,
wobei die Innenrippen Öffnungen, die der Öffnung des Wärmeisola
tionsblockes entsprechen und mit ihr fluchtend angeordnet sind,
aufweisen.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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EP0603738A1 (de) | 1994-06-29 |
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