DE4242852C2 - Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut - Google Patents

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, wobei zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke ein Wärmeisola­ tionsblock angeordnet ist, der eine Öffnung zum Hindurchfahren der Formschale aufweist.

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. Zwi­ schen beiden bildet sich in der Formschale eine Erstarrungsfront aus, wenn die Formschale aus dem heißen Einflußbereich der Wärmequelle 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 we­ niger Sichtkontakt mit der Wärmesenke. Ein Nachteil dieser Vorrich­ tung ist, daß die Geometrie der Erstarrungsfront in der Formschale beim Herausfahren des Schmelzgutes aus dem Einflußbereich der Wärme­ quelle bei Formschalen, die in ihrer Länge unterschiedliche Quer­ schnitte aufweisen, so daß sie nicht prismatisch sind, nicht stabili­ siert werden kann. Damit ist die Gefahr verbunden, daß die ange­ strebte Kolumnar- oder Einkristallstruktur bei der gerichteten Erstarrung nicht erreicht wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß mit dem teilweisen Sichtkontakt zwischen Wärmequelle und Wärme­ senke der Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront ver­ kleinert wird.

Aus US 4,969,501 ist eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut und einer Formschale bekannt. Die Formschale weist über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte auf und wird durch die Öffnung eines Wärmeisolationsblockes beim Erstarrungsvorgang der Schmelze hindurchgezogen.

Wenn die Formschale Rücksprünge aufweist oder in mehrere Stationen gegliedert ist verbleibt nachteilig ein unkontrollierter Ringspalt zwischen der Öffnung des Wärmeisolationsblockes und der Formschale.

Aus US 4,108,236 ist bekannt, daß eine Kühlflüssigkeit im Bereich des unkontrollierten Ringspaltes eingesetzt werden kann, die sich beim Absenken der Formschale durch die Öffnung des Wärmeisolationsblockes allen Querschnittsänderungen der gegliederten Formschale anpaßt.

Doch auch diese Maßnahme löst nicht das Problem, einen hohen Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront unabhängig von der Formgebung der Formschale aufrechtzuerhalten.

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 die Formschale Außenrippen aufweist, die orthogonal zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, die die Formschale formschlüssig umgeben und in ihrer Außenkontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes 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 Wärme­ isolationsblock 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.

Da die Außenrippen die Formschale formschlüssig umgeben trägt dieses auch zur Formstabilität der Formschale bei. Die Formschale kann dünnwandiger als bisher ausgebildet werden, so daß eine höhere Wärmekopplung zwischen Wärmequelle, Formschale und Schmelze einer­ seits und erstarrtem Gut, Formschale und Wärmesenke andererseits möglich wird und sich der Temperaturgradient an der Erstarrungs­ front erhöht.

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 Wärme­ isolationsblock müßte beim Hindurchfahren der Formschale ständig der Gestalt der Formschale folgen, was mit einem hohen technischen Auf­ wand 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 Wärme­ senke unterbrochen wird, ohne den Wärmestrom in die Form bzw. aus ihr heraus zu behindern. Die Konzentration des Wärmestroms auf das Guß­ material 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 Außen­ rippen 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 Zirkoniumoxid 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 Bewegungsrichtung ausrichtet, sowie diesen Wärmestrahlengang nicht behindert und gleichzeitig den Wärme­ strahlengang 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 wer­ den vorzugsweise Graphitschichten, Glimmerplatten oder Asbestersatz­ stoffe eingesetzt.

Die richtungsgebende Wirkung der Außenrippen für die Wärmestrahlung von einer Heizraumwand zur Formschale und umgekehrt wird vorteilhaft dadurch erhöht, daß die Außenrippen eine wärmeflektierende Be­ schichtung aufweisen. Vorzugsweise ist diese metallische Beschichtung aus Edelmetallen oder aus einer Chrom-, Aluminium-, Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasislegierung.

Die Erstreckung des Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrichtung der Formschale ist bei Anlagen für Einkristallzucht von Trieb­ werksschaufeln vorzugsweise zwischen 5 und 50 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Abstand zwischen den Außenrippen höchstens gleich der Erstreckung des Wärmeisolations­ blockes in Bewegungsrichtung. Das hat den Vorteil, daß in jeder beliebigen Erstarrungsposition der Formschale mindestens eine Außen­ rippe 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 sind vorzugsweise an die Formschale angespritzt oder angeklebt. Das hat den Vorteil, daß die Formschale mit den Außen­ rippen ein integrales Bauteil bildet und abstandshaltende Stäbe oder andere Hilfsmittel nicht erforderlich werden und Formschale und Außenrippen als thermische Einheit durch die Öffnung des Isolations­ blockes bewegt werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Heizraum mit einem inneren Hohlquerschnitt, dessen Kontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entspricht und mit ihr fluchtend angeordnet ist, auf. Dieses hat den Vorteil, das ein Temperaturprofil, das in Längsrichtung des Heizraumes aufrechter­ halten wird, sich vollständig auf die Formschale überträgt. Um eine feinteilige örtliche Stufung eines derartigen Temperaturprofils in Längsrichtung von der Heizraumwand auf die Formschale zu über­ tragen, wird der Außenrippenabstand entsprechend variiert und ange­ paßt.

Werden Heizraumgeometrien einer Kristallzuchtanlage vorgegeben, die nicht der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entsprechen, so weist der Heizraum vorzugsweise Innenrippen auf. Dabei besitzen die Innen­ rippen Öffnungen, die der Öffnung des Wärmeisolationsblockes ent­ sprechen und mit ihr fluchtend angeordnet sind. Mit Hilfe dieser Innenrippen und den Außenrippen der Formschale wird der Wärmeaus­ tausch 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 Bauteilabschnitt 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 Schaufelblattiefe von 5 mm, einer mittleren Schaufelblattbreite von 30 mm und Deckbandsegmentabmessungen von 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 Innerippen 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 (9)

1. Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut in einer Formschale, die über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte aufweist und relativ zu einer Wärmequelle bewegbar ist, wobei zwi­ schen der Wärmequelle und einer Wärmesenke ein Wärmeisolationsblock angeordnet ist, der eine Öffnung zum Hindurchfahren der Formschale aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschale (5) Außen­ rippen (4) aufweist, die orthogonal zur Bewegungsrichtung (A) ange­ ordnet sind, die die Formschale (5) formschlüssig umgeben und in ihrer Außenkontur der Öffnung (12) des Wärmeisolationsblockes (3) angepaßt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrippen (4) aus Wärmeisolationsmaterial bestehen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenrippen (4) aus einem Material mit ani­ sotroper Wärmeleitung bestehen, wobei die Wärmeleitung in Bewe­ gungsrichtung (A) geringer ist als orthogonal zur Bewegungsrichtung (A).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenrippen (4) eine wärmereflektierende Beschichtung aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Außenrippen (4) höch­ stens gleich der Erstreckung des Wärmeisolationsblockes (3) in Bewegungsrichtung (A) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenrippen (4) mittels dünner Stäbe unter­ einander abstandshaltend verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenrippen (4) an die Formschale (5) ange­ spritzt oder angeklebt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen Heizraum mit einem inneren Hohlquer­ schnitt, dessen Kontur der Öffnung (12) des Wärmeisolationsblockes (3) entspricht und mit ihr fluchtend angeordnet ist, aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen Heizraum mit Innenrippen (16) aufweist, wobei die Innenrippen (16) Öffnungen (18), die der Öffnung (12) des Wärmeisolationsblockes (3) entsprechen und mit ihr fluchtend ange­ ordnet sind, aufweisen.