-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gießverfahren unter gerichteter
Erstarrung und Flüssigmetall-Kühlung. Mehr
im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Gießen von
Superlegierungen unter gerichteter Erstarrung und Flüssigmetall-Kühlung.
-
Zusätzlich zur
Zusammensetzung können
die Kristallkorn-Charakteristika einer Superlegierung die Eigenschaften
der Superlegierung bestimmen. So wird, z.B., die Festigkeit einer
Superlegierung teilweise durch die Korngröße bestimmt. Bei hohen Temperaturen
sind Verformungs-Verfahren
durch Diffusion kontrolliert, und die Diffusion entlang Korngrenzen
ist sehr viel größer als
innerhalb der Körner.
Bei hohen Temperaturen können
daher Gefüge
bzw. Strukturen mit großer
Korngröße fester
sein als feine Kornstrukturen. Im Allgemeinen gehen Fehler von Korngrenzen
aus, die senkrecht zur Richtung einer angewendeten Spannung orientiert
sind. Durch Gießen
einer Superlegierung zur Herstellung eines langgestreckten stängeligen
Gefüges,
bei dem gerichtete Kristalle im Wesentlichen parallel zur langen
Achse des Gusskörpers
ausgerichtet sind, können
Korngrenzen senkrecht zur primären
Spannungsachse verringert werden. Durch Herstellen eines Einkristall-Gusskörpers aus
einer Superlegierung können
Korngrenzen-Versagensmodi fast vollständig beseitigt werden.
-
Die
gerichtete Erstarrung ist ein Verfahren zum Herstellen von Turbinenschaufeln
und Ähnlichem
mit stängeligen
und einkristallinen Gefügen.
Im Allgemeinen wird eine einkristalline Wachstumsstruktur auf der Grundlage
einer vertikal angeordneten Form erzeugt, die ein Teil bildet. Dann
verläuft
eine einkristalline Erstarrungsfront durch die Struktur bzw. das
Gefüge
unter dem Einfluss eines sich bewegenden Wärmegradienten.
-
Während der
gerichteten Erstarrung sind Kristalle von Superlegierungen auf Nickel-,
Cobalt- oder Eisen-Basis durch eine "dentritische" Morphologie charakterisiert. Dentritisch
bezieht sich auf eine Form des Kristallwachstums, bei der sich der
Festkörper
in eine noch geschmolzene Flüssigkeit
als eine Anordnung feiner verzweigter Nadeln erstreckt. Der Abstand
zwischen den Nadeln in der Erstarrungsrichtung wird "primäxer Dentritenarm-Abstand" genannt. Ein Temperaturgradient
muss vor einer fortschreitenden Erstarrungsfront vorhanden sein,
um die Kristallkeimbildung und das Wachstum parasitärer dentritischer
Körner
zu vermeiden. Die Größe des erforderlichen
Gradienten ist proportional der Erstarungsgeschwindigkeit. Aus diesem
Grund muss die Geschwindigkeit der Verschiebung der Erstarrungsfront,
die in der Größenordnung
eines Bruchteiles eines Zentimeters bis zu mehreren Zentimetern
pro Stunde betragen kann, sorgfältig
kontrolliert werden. Verfahren zur gerichteten Erstarrung unter
Flüssigmetall-Kühlung wurden
entwickelt, um diese Anforderungen zu erfüllen. Bei einem Verfahren wird
das erhitzte Legierungsmaterial zuerst durch eine Erhitzungszone
und dann in eine Kühlzone
geführt.
Die Erhitzungszone kann aus einem Induktionsspulen- oder Widerstandserhitzer
bestehen, während
die Kühlzone durch
ein Flüssigmetallbad
gebildet wird. Bei einem anderen Verfahren wird das Flüssigmetallbad
sowohl zum Erhitzen als auch Abkühlen
benutzt, um eine verbesserte planere Erstarrungsfront zum Giessen
komplexer Gegenstände
zu schaffen.
-
Metalle,
die typischerweise für
das Flüssigmetallbad
benutzt werden, schließen
Metalle mit Schmelzpunkten von weniger als 700°C ein. Metalle mit Schmelzpunkten
von weniger als 700°C
schließen
Lithium (186°C),
Natrium (98°C),
Magnesium (650°C),
Aluminium (660°C),
Kalium (63°C),
Zink (419°C),
Gallium (30°C),
Selen (220°C),
Rubidium (39°C),
Cadmium (320°C),
Indium (156°C),
Zinn (232°C),
Antimon (630°C), Tellur
(450°C),
Cäsium
(28°C),
Quecksilber (–39°C), Thallium
(300°C),
Blei (327°C)
und Wismut (276°C)
ein. Lithium, Natrium, Kalium und Cäsium sind sehr entflammbar
und würden
Sicherheitsprobleme darstellen, würde man sie als ein Flüssigmetallbad
benutzen. Magnesium, Calcium, Zink, Rubidium, Cadmium, Antimon,
Wismut und Quecksilber haben geringe Dampfdrucke. Sie würden verdampfen
und die Gusslegierung und den Ofen verunreinigen. Selen, Cadmium,
Tellur, Quecksilber, Thallium und Blei sind toxisch. Gallium und
Indium sind teuer. Aluminium und Zinn sind bevorzugte Kühlmittel.
Zinn ist schwerer und teurer als Aluminium, und Zinn wird eine Superlegierung
verunreinigen, wenn es durch die Form dringt. Aluminium wird nicht
verunreinigen, da es Bestandteil der meisten Superlegierungen ist,
doch ist der Schmelzpunkt von Aluminium höher als der von Zinn. Da die
Wärmeübertragung
zwischen einem Gusskörper
und dem Kühlmittel
eine Funktion des Temperatur-Unterschiedes ist, ist flüssiges Zinn
besser als flüssiges
Aluminium bei der Entfernung von Wärme aus einem Gusskörper.
-
Es
bleibt ein Bedarf zur Identifizierung eines Kühlmittels für ein Verfahren zur gerichteten
Erstarrung unter Flüssigmetall-Kühlung, das
die Vorteile von Zinn und Aluminium aufweist, wobei der Schmelzpunkt
geringer ist als der von Aluminium und Dichte und Kosten geringer
sind als die von Zinn.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung
unter Flüssigmetall-Kühlung, das
verbesserte Erstarrungs-Charakteristika an der Erstarrungsfront
bietet. Bei dem Verfahren wird eine Form mit flüssigem Metall gefüllt und
man lässt
eine Erstarrungs-Grenzfläche
durch das geschmolzene Metall wandern, indem man die Form fortschreitend
in eine Kühlflüssigkeit
eintaucht. Die Kühlflüssigkeit
ist eine eutektische oder nahezu eutektische Metallzusammensetzung.
-
In
einem anderen Aspekt ist die Erfindung ein Ofen zur gerichteten
Erstarrung, umfassend einen Heizofen, ein flüssiges Kühlbad und einen Formpositionierer
bzw. eine Vorrichtung zum Anordnen einer Form. Der Heizofen hat
ein offenes Ende, durch das eine erhitzte Form, die geschmolzenes
Metall enthält,
aus dem Ofen abgesenkt wird. Das flüssige Kühlbad umfasst eine eutektische
oder nahezu eutektische Metallzusammensetzung, die unterhalb des
offenen Endes des Ofens angeordnet ist. Der Formpositionierer senkt
graduell die erhitzte Form aus dem Ofen durch das offene Ende ab
und taucht die Form in das flüssige
Kühlbad.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
-
1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Ofens zum Ausführen eines
Verfahrens zum gerichteten Erstarren.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Der
Begriff "Superlegierung", wie er hier benutzt
wird, bezieht sich auf eine wärmebeständige Legierung
auf Nickel-, Cobalt- oder Eisen-Grundlage, die eine hervorragende
Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit
bei hohen Temperaturen aufweist. Die Superlegierung kann Chrom,
um Oberflächen-Stabilität zu verleihen,
und eine oder mehrere untergeordnete Bestandteile, wie Molybdän, Wolfram,
Niob, Titan oder Aluminium, für
Verfestigungszwecke enthalten. Die physikalischen Eigenschaften
einer Superlegierung machen sie besonders brauchbar zur Herstellung
einer Gasturbinen-Komponente.
-
Ein
befriedigendes Metall für
das Kühlbad
eines Ofens zur gerichteten Erstarrung sollte einen Schmelzpunkt,
der signifikant unter dem der gegossenen Metalllegierung liegt,
sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit
haben. Das Metall sollte chemisch inert sein und einen geringen
Dampfdruck aufweisen. Gemäß Ausführungsformen
der Erfindung wird eine Zusammensetzung für das Kühlbad eines Ofens zum gerichteten
Erstarren unter Flüssigmetall-Kühlung bereitgestellt,
die höhere
Wärmegradienten
bei vernünftigen
Kosten bereitstellt. Ausführungsformen
der Erfindung stellen Legierungs-Zusammensetzungen auf der Grundlage
binärer
und ternärer
Eutektika mit Aluminium bereit, die geringere Schmelzpunkte ohne
einige der Nachteile von Zinn bieten.
-
Eine
eutektische Mischung ist eine Kombination von Metallen in einem
Anteil, der durch den geringsten Schmelzpunkt einer Mischung der
gleichen Metalle charakterisiert ist. Der eutektische Punkt ist
die geringste Temperatur, bei der eine eutektische Mischung in flüssiger Phase
existieren kann. Der eutektische Punkt ist der geringste Schmelzpunkt
einer Legierung in Lösung
von zwei oder mehr Metallen, der durch Variieren der Anteile der
Komponenten erhältlich
ist. Eutektische Legierungen haben definierte und minimale Schmelzpunkte
im Gegensatz zu anderen Kombinationen der gleichen Metalle.
-
In 1 wird
ein Ofen 10 zur gerichteten Erstarrung durch widerstandserhitzte
Graphitstreifen 12 innerhalb eines isolierten Ofenkastens 14 erhitzt.
Eine Keramikhüllenform 16 ist
innerhalb des Ofenkastens 14 durch Formpositionierer 18 angeordnet.
Die gerichtete Erstarrung wird erzielt durch Absenken einer Form 16, die
eine Superlegierung enthält,
aus dem erhitzten Ofenkasten 14 in ein Flüssigmetall-Kühlbad 20.
Eine Heizvorrichtung erwärmt
den Gusskörper;
das Bad 20 entfernt Wärme
aus dem Gusskörper
und die Erstarrung schreitet vom Boden zum Oberteil innerhalb der
Form 16 fort. Das flüssige
Kühlmittelbad 20 ist
in einem Tiegel 22 aus Metall oder hochschmelzendem Material
enthalten. Das flüssige
Kühlbad 20 ist
eine eutektische Metall-Zusammensetzung, die als ein Kühlmedium
gemäß der vorliegenden
Erfindung wirkt.
-
Beispielhafte
Kühlbad-Legierungen
der Erfindung schließen
binäre
Eutektika von Aluminium mit Kupfer, Germanium, Magnesium oder Silicium
und ternäre
von Aluminium mit Kupfer und Germanium, Kupfer und Magnesium, Kupfer
und Silicium oder Magnesium und Silicium ein. Einige geeignete Legierungen
sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
-
-
In
der Tabelle sind die Bestandteile in Gew.-% angegeben. Die Tabelle
zeigt, dass Legierungen mit Germanium und Magnesium die tiefsten
Schmelztemperaturen bieten. Wegen der Dampfdrucke schließen bevorzugte
Legierungen jedoch ein ternäres
Aluminium-Kupfer-Silicium-Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von 524°C und ein
ternäres
Aluminium-Kupfer-Germanium-Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von
weniger als 420°C
ein.
-
Das
ternäre
Aluminium-Kupfer-Silicium-Eutektikum kann zwischen etwa 22 und etwa
32 Gew.-% Kupfer und zwischen etwa 2 und etwa 8 Gew.-% Silicium,
Rest Aluminium, umfassen. Erwünschtermaßen umfasst das
Eutektikum oder Beinah-Eutektikum zwischen etwa 24 und etwa 30 Gew.-%
Kupfer und zwischen etwa 3 und etwa 7 Gew.-% Silicium, Rest Aluminium
und vorzugsweise zwischen etwa 25,5 und etwa 28,5 Gew.-% Kupfer
und zwischen etwa 4 und etwa 6 Gew.% Silicium, Rest Aluminium.
-
Das
ternäre
Aluminium-Kupfer-Germanium-Eutektikum oder eine entsprechende Zusammensetzung nahe
dem Eutektikum kann zwischen etwa 19 und etwa 34 Gew.-% Kupfer,
zwischen 45 und etwa 66 Gew.-% Germanium, Rest Aluminium umfassen.
Erwünschtermaßen umfasst
das Eutektikum oder das Material nahe dem Eutektikum zwischen etwa
21 und etwa 27 Gew.% Kupfer und zwischen etwa 52 und etwa 68 Gew.-% Germanium,
Rest Aluminium und vorzugsweise zwischen etwa 22,5 und etwa 26,6
Gew.-% Kupfer und zwischen etwa 63,6 und etwa 66,5 Gew.-% Germanium,
Rest Aluminium.
-
Die
eutektische oder in ihrer Zusammensetzung nahe dem Eutektikum liegende
Legierung kann hergestellt werden als ein Barren außerhalb
des Ofens zur gerichteten Erstarrung durch Schmelzen und Gießen der
Legierungs-Bestandteile zu Barren. Oder die eutektische oder nahezu
eutektische Legierung kann an Ort und Stelle durch Schmelzen von
Bestandteilen innerhalb des Tiegels 22 zubereitet werden.
-
Während des
Betriebes wird der Ofenkasten 14 zu einer genügend hohen
Temperatur erhitzt, um sicherzustellen, dass die Legierung in der
Hüllenform 16 geschmolzen
ist. Die Form 16 wird dann mittels eines Formpositionierers 18 in
das flüssige
eutektische Metallkühlmittel 20 mit
einer vorgeschriebenen Rate abgesenkt. Eine Fest-Flüssig-Grenzfläche schreitet
nach oben hin fort, während
Wärme aus
der Legierung innerhalb der Hüllenform 16 abgeleitet
und durch das eutektische Kühlmetall
abgeführt
wird. Ein Barren ist vollständig
gebildet, nachdem die Legierung durch Eintauchen in das Kühlbad 20 genügend abgekühlt ist.
Der Barren kann dann leicht aus der Hüllenform 16 entfernt
werden.
-
BEISPIEL 1
-
Das
folgende Beispiel 1 veranschaulicht das Verfahren zur gerichteten
Erstarrung, das unter Nutzung eines Aluminiummetall-Kühlbades
ausgeführt
wird. Bei diesem Verfahren wird zuerst ein Turbinenschaufel-Gusskörper in
einer Form aus korrosionsbeständigem
Stahl AISI 309 (Fe – 13,6
Gew.-% Ni, 23 Gew.-% Cr und 0,2 Gew.% C) gegossen. Die Form und
der Gusskörper
werden dann mit einer Rate von 0,5 cm/min in ein Bad aus geschmolzenem
Aluminium abgesenkt. Die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums
wird bei 710°C,
etwa 60°C
oberhalb der Schmelztemperatur reinen Aluminiums, gehalten. Der
in dem Gussteil gemessene Wärmegradient
beträgt
98°C/cm.
Die gemessene Rate der Auflösung
der Form aus korrosionsbeständigem
Stahl in dem geschmolzenen Aluminium beträgt 0,001 mm/Stunde.
-
BEISPIEL 2
-
Ein
Turbinenschaufel-Gusskörper
wurde hergestellt nach einem Verfahren unter Flüssigmetallkühlung unter Einsatz eines Kühlbades
einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (12 Gew.-% Si). Ein Turbinenschaufel-Gusskörper wurde
in einer Form aus korrosionsbeständigem
STahl AISI 309 gegossen und in einer Rate von 0,5 cm/min in das
Kühlbad
aus geschmolzener binärer
eutektischer Aluminiumlegierung abgesenkt. Die Temperatur des geschmolzenen
Legierungs-Kühlbades
wurde bei 625°C,
etwa 60°C
oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung von 677°C, gehalten.
Der Wärmegradient
in dem Gussteil betrug 103°C/cm,
was eine 5%-ige Verbesserung gegenüber dem Basisfall von Beispiel
1 ist. Die gemessene Rate der Auflösung des Behälters aus
korrosionsbeständigem
Stahl in der geschmolzenen Aluminiumlegierung betrug 0,0002 mm/Stunde,
eine Verringerung der Angriffsrate auf ein Fünftel, verglichen mit Beispiel
1.
-
BEISPIEL 3
-
Ein
Turbinenschaufel-Gusskörper
wurde hergestellt durch ein Verfahren unter Flüssigmetall-Kühlung unter
Benutzung eines Kühlbades
aus einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (27 Gew.-% Cu, 5,3 Gew.-% Si).
Ein Turbinenschaufel-Gusskörper
wurde in einer Form aus korrosionsbeständigem Stahl AISI 309 gegossen
und mit einer Rate von 0,6 cm/min in das Kühlbad aus geschmolzener ternärer eutektischer
Aluminiumlegierung abgesenkt. Die Temperatur des geschmolzenen Legierungs-Kühlbades
wurde bei 675°C,
etwa 50°C oberhalb
der Schmelztemperatur der Legierung von 524°C, gehalten. Der Wärmegradient
im Gussteil betrug 106°C/cm,
eine 8%-ige Verbesserung gegenüber
dem Basisfall von Beispiel 1. Die gemessene Rate der Auflösung des
Behälters aus
korrosionsbeständigem
Stahl in der geschmolzenen Aluminiumlegierung betrug 0,0001 mm/h,
eine Verringerung der Angriffsrate auf ein Zehntel, verglichen mit
Beispiel 1.
-
Die
Beispiele veranschaulichen die verbesserten Kühlcharakteristika, die mit
den eutektischen Metalllegierungs-Kühlbädern der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erhältlich
sind.
-
Während bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung
zur Variation und Modifikation in der Lage und sie sollte daher
nicht auf die genauen Einzelheiten der Beispiele beschränkt sein.
Die Erfindung schließt Änderungen
ein, die in den Rahmen der folgenden Ansprüche fallen.
