DE69527593T2

DE69527593T2 - Verfahren zum giessen eines metallteiles

Info

Publication number: DE69527593T2
Application number: DE69527593T
Authority: DE
Inventors: Laxmappa Hosamani
Original assignee: Precision Castparts Corp
Current assignee: Precision Castparts Corp
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2015-04-28
Also published as: EP0711215A4; WO1995029778A1; US5577547A; DE69527593D1; JP3040824B2; EP0711215A1; EP0711215B1; JPH08511995A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Metallteilen, insbesondere Metallteilen mit einem langen dünnen Abschnitt.

Hintergrund der Erfindung

Metallteile, die lange und dünne Abschnitte und eine gleichachsige Kornstruktur besitzen, werden typischerweise mit Formen gegossen, die Einläufe aufweisen, die an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Formhohlraumes angeordnet sind. Diese Einlaufanordnung wird verwendet, um geschmolzenes Metall zuzuführen, das die Volumenabnahme des Metalls während des Erstarrens kompensiert. Die Anzahl der Einläufe, die erforderlich sind, hängt von der Beziehung zwischen der Länge des zu gießenden Teiles und der Dicke des Teiles ab. Es ist eine übliche Praxis gewesen, Einläufe bereitzustellen, die entlang der Länge einer Form um einen Abstand von zwischen dem 3- bis 12-fachen der Dicke des zu gießenden Teiles voneinander beabstandet sind. Von zehn bis sechsunddreißig Einläufe wären für ein Teil erforderlich, das eine maximale Dicke von etwa 0,25 cm (0,1 Inch) und eine Länge von etwa 30,5 cm (12 Inches) aufweist.
Einläufe fördern die Ausbildung von Defekten in den Gußstücken. Es besteht z. B. die Neigung, daß an Stellen des Gußteiles, die Einlaufstellen in der Form entsprechen, Warmrisse und/oder Verwerfungen auftreten. Zusätzlich bleibt an jeder Einlaufstelle üblicherweise eine Nase zurück. Diese Nasen müssen entfernt werden, was schwierig zu bewerkstelligen ist, wenn das Gußteil gebogen ist. Ein weiterer Nachteil, der mit der Verwendung von Einläufen zusammenhängt, ist, daß im Gußteil an jeder Einlaufstelle ein Bereich mit deutlich größerer Korngröße ausgebildet wird.
Lange und dünne Metallteile sind bisher mit einer gerichtet erstarrten oder stängelgekörnten kristallographischen Struktur gegossen worden. Wenn dies getan wird, wird die gesamte Form auf eine relativ hohe Temperatur vorgeheizt, die wesentlich oberhalb der Liquidustemperatur des Metalles liegt. Überhitztes geschmolzenes Metall wird anschließend in die vorgeheizte Form gegossen. Die Form wird während des Gießvorganges erhitzt, so daß das Metall während und unmittelbar nach dem Gießen geschmolzen ist. Nachdem die Form mit geschmolzenem Metall gefüllt worden ist, läßt man das geschmolzene Metall im Formhohlraum entlang einer horizontalen Front in Aufwärtsrichtung erstarren. Das Gießen dünner Teile ist beschrieben in U.S.-Patentanmeldung, Nr. 813,247, nunmehr U.S.-Patent Nr. 4,724,891, eingereicht am 24. September 1985, von Ronald R. Brookes und mit dem Titel "Thin Wall Casting". Ein allgemeines Verfahren zum gerichteten Erstarrenlassen eines Gußteiles ist beschrieben in U.S.-Patent Nr. 4,609,029.
Prasad's U.S.-Patent Nr. 4,809,764 (das '764-Patent), mit dem Titel "Method of Casting a Metal Article", das eingereicht wurde am 28. März 1988, beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Gießen langer und dünner Metallteile. Dieses Patent lehrt auch spezifisch, daß die Geschwindigkeit des Herausziehens der Form aus dem Ofen während der Erstarrung nur so langsam wie etwa 152, 4 cm (60 Inches) pro Stunde sein darf, um geeignete, defektfreie Metallteile zu liefern. Noch signifikanter ist es, daß das '764-Patent das Vorerhitzen des oberen Abschnittes der Form auf Temperaturen nur bei oder leicht oberhalb der Solidustemperatur des Gußmetalles lehrt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Metallteiles, das lang und dünn ist oder das einen langen und dünnen Abschnitt besitzt. Das Metallteil wird auch mit einer gleichachsigen Kornstruktur gegossen. Eine gleichachsige Kornstruktur hat zahlreiche, zufällig ausgerichtete Körner, die das Ergebnis zufälliger Nukleierung und Kornwachstums während der Metallerstarrung sind. Das Teil wird in einer Form gegossen, die einen Hohlraum aufweist, der so konfiguriert ist, daß er der Form des gewünschten Metallteiles entspricht. Es gibt entlang der Länge des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes keine Einläufe oder Steiger.
Die Patente zum Stand der Technik, die beim Hintergrund der Erfindung diskutiert worden sind, lehren Techniken, die ungewöhnlich fehlerfreie Gußstücke liefern, aber nur in den tatsächlich getesteten Konfigurationen und Größenbereichen. Diese Verfahren allein liefern nicht den strengen Grad an thermischer Kontrolle über den Vollständigen Erstarrungsbereich einiger der sehr komplexen Geometrien, die Motorenhersteller benötigen. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, neue Lehren bereitzustellen, die in Anbetracht der vorherigen Patente zum Stand der Technik nicht offensichtlich sind, die die Fähigkeiten der zuvor offenbarten grundlegenden Technologien in großem Maße erweitern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Gießen eines Metallteiles zur Verfügung gestellt, wie definiert in Anspruch 1.
Aus früheren Arbeiten scheint es, daß während und unmittelbar nach dem Gießen das geschmolzene Metall gleichzeitig entlang wenigstens fünfzig Prozent der Oberfläche der unteren Hälfte des Abschnittes des Formhohlraumes erstarrt, in den der lange dünne Abschnitt des Teiles gegossen wird, und entlang wenigstens fünfzig Prozent der Oberfläche der oberen Hälfte des Abschnittes des Formhohlraumes, in den der lange dünne Abschnitt des Teiles gegossen wird. Danach wird das geschmolzene Metall im unteren halben Abschnitt des langen dünnen Abschnittes der Form vollständig erstarren gelassen. Das geschmolzene Metall erstarrt mit einer gleichachsigen Kornstruktur. Die Volumenabnahme des erstarrten Metalls wird dadurch kompensiert, daß Metall zum langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes durch den Einlaß zugeführt wird, bei dem am Anfang geschmolzenes Metall dem langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes zugeführt wurde.
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf das Gießen von Dichtungen gerichtet, die im Niederdruckturbinenabschnitt eines Gasturbinenmotors verwendet werden. Diese Teile haben eine dünne Wand entlang eines signifikanten Abschnittes des Teils und einige schwerere Abschnitte zu beiden Enden des Teiles hin. Die Dicke der dünnen Wand schwankt typischerweise von etwa 0,05 cm (0,02 Inch) bis etwa 0,30 cm (0,120 Inch), noch typischerer von etwa 0,08 cm (0,030 Inch) bis etwa 0,23 cm (0,090 Inch). Die Länge dieser Teile kann auch schwanken, liegt aber typischerweise bei etwa 10,2 cm (4 Inches) bis etwa 30,5 cm (12 Inches). Die Breite, die ebenfalls schwanken kann, liegt typischerweise bei etwa 3,8 cm (1,5 Inches) bis etwa 8,9 cm (3,5 Inches).
Dichtungen werden üblicherweise durch maschinelle Herstellung der Teile aus Blech hergestellt. Aufgrund des umfangreichen Schweißens und Lötens, das während des Herstellungsverfahrens erforderlich ist, ist eine Kontrolle der Abmessungen des Teiles schwierig. Eine wichtige Überlegung für das Gießen von Dichtungen ist z. B. die Konturkonfiguration. Wenn die Kontur nicht richtig ist, wird das Teil nicht richtig passen. Dies erzeugt Lecks von heißem Gas und verringert die Leistung des Motors. Auch die Herstellungskosten gehen nach oben, wenn die Komplexität der Teile steigt.
Überdies können solche Dichtungen nicht durch maschinelle Herstellungsverfahren hergestellt werden, da die Temperaturbeständigkeitsfähigkeit der Materialien, die verwendet werden, um die Teile herzustellen, ansteigt. Dies beruht darauf, daß solche Legierungen sich nicht für die maschinellen Herstellungsverfahren anbieten. Solche Legierungen können typischerweise z. B. nicht gewalzt oder in anderer Weise in Blechform gebracht werden, was erforderlich ist, um Teile für das maschinelle Herstellungsverfahren herzustellen. Auch ist es üblich, daß solche Legierungen nicht geschweißt werden können, weil die Legierung während des Schweißprozesses reißt.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zum Gießen von Dichtungen in einer gleichachsigen Kornstruktur zur Verfügung, wobei solche Dichtungen typischerweise eine Länge von mehr als 10,2 cm (4 Inches) haben. Die Länge ist typischerweise wenigstens das Zwanzigfache der Dicke des langen dünnen Abschnittes der Dichtung. Eine Form wird ausgebildet, die mit der Form des gewünschten Teiles übereinstimmt. Die Form definiert einen Formhohlraum mit einem langen dünnen Abschnitt, der mehr als etwa 10,2 cm (4 Inches) lang ist und der wenigstens etwa das zwanzig-Fache der Dicke des langen dünnen Abschnitts der Form ist. Der lange und dünne Abschnitt des Formhohlraumes ist frei von Einläufen entlang seiner gesamten Länge.
Die Form wird zum Vorheizen so in einen Ofen eingebracht, daß eine Längsachse des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes senkrecht ausgerichtet ist. Der Ofen ist so konstruiert, daß er die Form im wesentlichen umschließt. Der Schritt des Aufheizens der Form schließt das Aufheizen einer unteren Hälfte des Abschnittes der Form, der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes definiert, bis in einen ersten Temperaturbereich hinein ein. Eine obere Hälfte des Abschnittes der Form, der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes definiert, wird bis in einen zweiten Temperaturbereich hinein erhitzt. Die höchste Temperatur des ersten Temperaturbereiches ist nah, aber niedriger als die Solidustemperatur des Metalls. Die höchste Temperatur des zweiten Temperaturbereiches ist nahe der Liquidustemperatur des Metalles, aber niedriger.
Das geschmolzene Metall wird an einer anderen Stelle als entlang der Länge des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes in den Formhohlraum zugeführt. Das geschmolzene Metall wird in den Formhohlraum zugeführt, während die untere Hälfte des Abschnittes der Form, der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraums definiert, sich im ersten Temperaturbereich befindet und während die obere Hälfte des Abschnittes der Form, der den langen dünnen Abschnitt des Teileformhohlraumes definiert, sich im zweiten Temperaturabschnitt befindet. Danach wird das geschmolzene Metall im Teileformhohlraum mit einer gleichachsigen Kornstruktur erstarren gelassen.
Der Schritt des Erstarrenlassens des geschmolzenen Metalls in der Form schließt vorzugsweise das Zurückziehen eines Heizsystems, wie etwa eines Ofens, in einer vorbestimmten Geschwindigkeit von um wenigstens denjenigen Teil des Formhohlraumes herum, der den langen dünnen Abschnitt des Gußmetallteils definiert, ein. Natürlich wird ein Fachmann realisieren, daß der Ausdruck "Zurückziehen", oder Variationen dieses Ausdruckes, sich einfach auf das Wegbewegen des Ofens von einer Position, in der er die Form umschließt, bedeutet. Dies könnte durchgeführt werden, indem der Ofen vertikal entweder nach oben oder nach unten bewegt wird. Gegenwärtig scheint die beste Art und Weise zum Zurückziehen des Ofens zu sein, daß ein hydraulisches System verwendet wird, um den Ofen vertikal nach oben zu bewegen. Das Bewegen des Ofens anstelle der Form ist eine signifikante Abkehr von den Lehren des Standes der Technik. Verfahren nach dem Stand der Technik erforderten das Bewegen der Form aus dem Ofen heraus, statt das Bewegen des Ofens von um die Form herum. Man glaubt, daß das Bewegen der Form, während das Metall erstarrt, Defekte in den resultierenden Metallteilen erzeugt. Das Bewegen der Form stört offensichtlich das Metall in der Form, während es erstarrt.
Verfahren nach dem Stand der Technik lehrten nicht nur das Zurückziehen der Form aus dem Ofen, sondern lehrten auch, daß die Geschwindigkeiten für das Zurückziehen der Form in der Praxis schneller sein sollten als etwa 152,4 cm (60 Inches) pro Stunde. Dies erzeugte Metallteile, die für bestimmte Nickel-Chrom-Legierungen im wesentlichen frei von Defekten waren. Es hat sich herausgestellt, daß so hohe Geschwindigkeiten wie etwa 152,4 cm (60 Inches) pro Stunde unakzeptabel für die Herstellung von langen und dünnen Teilen sind, die durch die besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht werden. Als ein Ergebnis ist festgestellt worden, daß Geschwindigkeiten, die langsamer sind als etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde und vorzugsweise langsamer als 38,1 cm (15 Inches) pro Stunde und sogar noch bevorzugter langsamer als etwa 19,05 cm (7 Inches) pro Stunde überlegene Ergebnisse liefern, insbesondere für andere Legierungen als Nickel-Chrom.
Um die Erfindung leichter verständlich zu machen, werden nunmehr Ausführungsformen derselben beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Metallteil mit einem langen dünnen Abschnitt, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gegossen ist.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, im allgemeinen entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, welche die Konfiguration des langen dünnen Abschnittes des Metallteiles veranschaulicht.
Fig. 3 ist eine stark vergrößerte Ansicht, die gleichachsige Körner des Gußteiles von FIGS. 1 und 2 veranschaulicht.
Fig. 4 ist eine schematische Veranschaulichung der Art und Weise, in der eine Formstruktur zum Gießen mehrerer Teile nach FIGS. 1 und 2 auf einer Abschreckplatte in einem Ofen während des Vorheizens und Gießens von geschmolzenem Metall in die Formstruktur gehalten wird.
Fig. 5 ist eine schematisierte Querschnittsansicht eines Teileformhohlraums der Formstruktur von Fig. 4 und veranschaulicht die Art und Weise, in der geschmolzenes Metall anfänglich entlang des Großteils der Oberfläche des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes erstarrt.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, im allgemeinem ähnlich zu Fig. 5, die die Art und Weise veranschaulicht, in der das geschmolzene Metall gleichzeitig nach oben vom Boden des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes und nach innen von den Seiten des Formhohlraumes erstarrt.
Fig. 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, im allgemeinen ähnlich zu Fig. 6, die die Art und Weise veranschaulicht, in der das geschmolzene Metall im unteren Abschnitt des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes erstarrt, bevor das Metall im oberen Abschnitt des Teileformhohlraumes erstarrt.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, im allgemeinen ähnlich zu Fig. 4, die die Konstruktion einer zweiten Ausführungsform des Ofens veranschaulicht.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, im allgemeinen ähnlich zu Fig. 4, die die Konstruktion einer dritten Ausführungsform des Ofens veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

A. Metallteil

Metallteile mit einem langen und dünnen Abschnitt und gegossen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind in FIGS. 1-2 veranschaulicht. Man sollte jedoch verstehen, daß die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um viele verschiedene Teile zu gießen. Man sollte auch verstehen, daß die vorliegende Erfindung insbesondere gerichtet ist auf Gußteile mit einer gleichachsigen Kornstruktur.
Das Teil 10, das in Fig. 1 veranschaulicht ist, stellt eine Dichtung zur Verwendung in Turbinenmotoren dar. Aufgrund der relativ scharfen Betriebsbedingungen, denen solche Teile ausgesetzt sind, können sie aus einer Vielzahl von Metallzusammensetzungen hergestellt werden, die besonders für diese Funktion ausgewählt sind. Solche Metallzusammensetzungen werden typischerweise ausgewählt aus der Gruppe, die aus Nickel-Chrom-Superlegierungen, Cobalt- Chrom-Superlegierungen und Eisen-Chrom-Superlegierungen besteht, bevorzugt aus der Gruppe, die aus Cobalt-Chrom-Superlegierungen und Eisen-Chrom-Superlegierungen besteht. Spezifische Beispiele für Legierungen, die tatsächlich verwendet worden sind, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu praktizieren, werden in den folgenden Listen vorgelegt. Diese Legierungen sind kommerziell erhältlich von solchen Firmen wie Certified Alloys.
Die Legierungen auf Ni-Basis schließen, ohne Einschränkung, ein: (1) 713C (74 Prozent Ni, 12.5 Prozent Cr und 0,0 Prozent Co); (2) 713LC (75 Prozent Ni, 12,0 Prozent Cr und 0,0 Co); (3) 93-1900, die einen Schmelzbereich von etwa 1273,9ºC (2325ºF) bis etwa 1301; 7ºC (2375ºF) besitzt, (60 Gewichtsprozent Ni, 8 Prozent Cr und 10 Prozent Co); (4) C-1023 (58 Prozent Ni, 15,5 Prozent Cr, 10,0 Prozent Co); (5) IN-738LC, die einen Schmelzbereich von etwa 1232,2ºC (2250ºF) bis etwa 1315,6ºC (2400ºF) besitzt, (61 Prozent Ni, 16 Prozent Cr, 8,5 Prozent Co); (6) IN-939 (48 Prozent Ni, 22,5 Prozent Co, 9,0 Prozent Co); (7) Rene 77 (58 Prozent Ni, 14,0 Cr und 15 Prozent Co); und (8) Rene 41, die eine Solidustemperatur von etwa 1315,6ºC (2400ºF) und eine Liquidustemperatur von etwa 1371,1ºC (2500ºF) besitzt, (55 Prozent Nickel, 11 Prozent Cobalt, 19 Prozent Chrom und 10 Prozent Mo).
Die Legierungen auf Cobalt-Basis schließen, ohne Einschränkung, ein: (1) FSX-414 (10 Prozent Ni, 29 Prozent Cr und 52 Prozent Co); und (2) MAR-M-509 (10 Prozent Ni, 23,5 Prozent Cr und 55 Prozent Cobalt).
Die vorstehenden Listen sollten nicht als die vorliegende Erfindung auf die bestimmten aufgelisteten Zusammensetzungen beschränkend angesehen werden. Der Zweck ist vielmehr, eine nicht abschließende Liste von Legierungszusammensetzungen bereitzustellen, die verwendet worden sind, um diese Erfindung zu praktizieren. Überdies kann ein Fachmann, unter anderen relevanten Informationen, die Zusammensetzung für jede Legierung durch Konsultation solcher Bücher wie "Superalloys", herausgegeben von Chester Simms und veröffentlicht von John Wiley & Sons (1987), bestimmen.
Es ist auch notwendig, die Liquidus- und Solidustemperaturen für die Legierungszusammensetzungen zu bestimmen, die verwendet werden, um die Metallteile zu gießen. Diese Information ist ebenfalls für die Fachleute aus verschiedenen technischen Veröffentlichungen verfügbar. In der Praxis werden die Solidus- und Liquidustemperaturen für eine bestimmte Legierungszusammensetzung jedoch typischerweise empirisch unmittelbar vor dem Gießen von Teilen aus der Zusammensetzung bestimmt. Dies wird mit einer Technik gemacht, die den Fachleuten als DTA, oder Differentialthermoanalyse, bekannt ist.
Metallteil 10 besitzt einen oberen Endabschnitt 12 und einen unteren Endabschnitt 14. Ein langer dünner Abschnitt 16 erstreckt sich dazwischen und ist als ein Stück mit dem oberen und unteren Endabschnitt gegossen. Natürlich können die Abmessungen von Teilen wie Teil 10 schwanken. Das Teil 10, das in Fig. 1 veranschaulicht ist, ist eine Dichtung mit einer Länge von ungefähr 20,96 cm (8,25 Inches). Der Abschnitt 16 von Teil 10 hat eine Länge von ungefähr 17,78 cm (sieben Inches) und eine Breite von ungefähr 6,35 cm (2,5 Inches). Somit ist der Abstand zwischen dem Kantenabschnitt 24 (Fig. 2) von Teil 10 und einem Kantenabschnitt 26, gemessen entlang einer Mittelachse 28, ungefähr 6,35 cm (2,5 Inches), obgleich dieser Abstand typischerweise entlang der Länge von Abschnitt 16 schwankt. Der Abschnitt 16 von Teil 10 hat eine maximale Dicke von ungefähr 0,30 cm (0,12 Inch) und die Dicke ist typischerweise von etwa 0,05 cm (0,02 Inch) bis etwa 0,30 cm (0,120 Inch), typischerer von etwa 0,08 cm (0,03 Inch) bis etwa 0,23 cm (0,090 Inch).
Abschnitte 12 und 14 des einstückigen Teils 10 sind beträchtlich dicker als der Abschnitt 16. So haben die Abschnitte 12 und 14 eine Breite von ungefähr 6,35 cm (zweieinhalb Inches) und eine Höhe von ungefähr 1,60 cm (fünf Achtel eines Inches). Teil 10 kann eine andere Konfiguration haben als die spezifische Konfiguration, die in FIGS. 1-2 veranschaulicht ist. Zum Beispiel könnten einer oder beide Abschnitte 12 und 14 weggelassen sein, falls gewünscht.
Obgleich Teil 10, wie veranschaulicht in FIGS. 1-2, aus einer Cobalt-Chrom-Superlegierung hergestellt ist, wird in Betracht gezogen, daß Dichtungen oder andere Teile, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gegossen werden, aus unterschiedlichen Metallen hergestellt werden können. Teile, die lang und dünn sind oder die Abschnitte haben, die lang und dünn sind, können z. B. aus Legierungen auf Cobalt-Basis oder Legierungen auf Eisen-Basis gegossen werden. Man glaubt jedoch, daß die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft beim Gießen von Dichtungen aus Cobalt-Chrom-Superlegierungen ist. Wenn Gießverfahren nach dem Stand der Technik für Cobalt-Chrom- und Eisen-Chrom-Legierungen ausprobiert wurden, zeigte sich, daß solche Verfahren unbefriedigende Teile lieferten. Mögliche Gründe dafür schließen die chemischen Unterschiede zwischen den Zusammensetzungen und die Unterschiede zwischen den Zurückziehgeschwindigkeiten der Form aus dem Ofen ein.
Die vorliegende Erfindung ist somit insbesondere gerichtet auf ein neues Verfahren zum Gießen von Superlegierungen, zusätzlich zur Nickel-Chrom-Superlegierung, die im U.S.-Patent Nr. 4,809,764 diskutiert ist. Eine Superlegierung ist eine Legierung, die relativ hohe Temperaturen aushalten kann, wie etwa mehr als 316ºC (600ºF) und typischerweise mehr als etwa 538ºC (1000ºF). Ohne Beschränkung werden die Legierungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung typischerweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Nickel-Chrom- Superlegierungen, Cobalt-Chrom-Superlegierungen und Eisen-Chrom-Superlegierungen bestellt. Die Legierungszusammensetzungen werden vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Cobalt-Chrom-Superlegierungen und Eisen-Chrom-Legierungen besteht, wobei die Cobalt-Chrom-Superlegierungen besonders bevorzugte Legierungenzusammmensetzungen sind.
Abschnitt 16 von Teil 10 ist lang und dünn. Wie hierin verwendet, bedeutet "lang" eine Länge von mehr als etwa 10,2 cm (4 Inches). Die Länge von langen Metallteilen ist typischerweise auch größer als etwa das 20-fache der Dicke des langen Abschnittes. Abschnitt 16 von Dichtung 10, wie veranschaulicht in FIGS. 1-2, hat z. B. eine Länge, die ungefähr das 87-fache der Dicke von Abschnitt 16 ist. "Dünn" bedeutet typischerweise ein Teil mit einer Dicke von etwa 0,05 cm (0,020 Inch) bis etwa 0,30 cm (0,120 Inch) und noch typischerer von etwa 0,08 cm (0,030 Inch) bis etwa 0,23 cm (0,090 Inch).
Teil 10 wird mit einer gleichachsigen Kornstruktur gegossen, wie veranschaulicht in Fig. 3. Eine gleichachsige Kornstruktur hat zahlreiche, zufällig ausgerichtete Körner, die das Ergebnis zufälliger Nukleierung und Kornwachstums während der Metallerstarrung sind. Die Oberflächenkörner haben eine maximale Abmessung von 1,27 cm (ein halbes Inch) oder weniger, möglicherweise weniger als 0,64 cm (ein Viertel eines Inches). Lange dünne Schaufeln und/oder Flügel sind mit Stängelkornstruktur oder als ein Einkristall hergestellt worden; eine gleichachsige Kornstruktur ist jedoch die wirtschaftlichste.

B. Gießen des Teils

Wenn man ein gleichachsiges Metallteil gießt, das lang und dünn ist oder das einen Abschnitt besitzt, der lang und dünn ist, ist es üblich, Einläufe oder Durchgänge an einer Mehrzahl von Stellen entlang der Länge des Teils vorzusehen. Diese üblichen Einläufe oder Durchlässe werden verwendet, um geschmolzenes Metall zum langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes zuzuführen, wenn der Formhohlraum mit geschmolzenem Metall gefüllt wird. Die Einläufe oder Durchlässe werden auch verwendet, um geschmolzenes Metall zum langen dünnen' Abschnitt des Formhohlraumes zuzuführen, um die Volumenabnahme des Metalls zu kompensieren, wenn es erstarrt.
Zehn bis dreiundsechzig Einläufe würden wahrscheinlich benötigt werden, wenn herkömmliche Gießpraktiken verwendet würden, um ähnliche Flügel wie Flügel 10 von FIGS. 1-2 in U.S.-Patent Nr. 4,809,764 zu gießen. Solche Einläufe würden entlang der konvexen Seite des langen dünnen Abschnitts des Formhohlraumes, in dem der Stromlinienkörperabschnitt 16 gegossen werden sollte, voneinander beabstandet angeordnet sein. Dieser besondere Flügel hatte einen langen dünnen Stromlinienkörperabschnitt mit einer Länge von 28 cm (11 Inches) und einer maximalen Dicke von 0,30 cm (0,120 Inches). Die Anzahl der Einläufe, die nach herkömmlicher Praxis verwendet werden sollten, schwankt in Abhängigkeit von der Art der Form, dem zu gießenden Metall und vielen anderen Faktoren.
Die Verwendung von Einläufen, um lange dünne Teile aus gleichachsigem Metall zu gießen, erhöht die Herstellungskosten des Teiles beträchtlich. Das Metall, das in den Einläufen erstarrt, wird zu Abfall. Im Falle teurer Legierungen trägt dies signifikant zu den Kosten des Teiles bei. Zusätzlich führen die Einläufe häufig zu Gießdefekten, wie etwa übermäßig großen Körnern, Warmrissen und/oder Verwerfung.
Wenn Einläufe mit einer gebogenen Oberfläche in einer Form verbunden sind, muß ein Nasenendabschnitt des Einlaufes sorgfältig weggeschliffen werden. Das Schleifen muß sorgfältig durchgeführt werden, um das Gußteil mit einer kontinuierlichen Oberfläche mit der gewünschten Krümmung zu versehen. Das Wegschleifen von Einlaufnasen von Hauptseitenflächen 20 und 22 des Teiles 10 wäre ein arbeitsaufwendiger, zeitraubender und teurer Prozeß.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wurden keine Einläufe entlang der Länge des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes verwendet, in dem die Teile 10 mit einer gleichachsigen Kornstruktur gegossen wurden. Eine Teileform 38 (Fig. 4) mit nur einem einzigen Einlaß an ihrem oberen Ende wurde verwendet, um Teile 10 zu gießen. Es gibt keine Einläufe entlang der Seiten der Teileform 38. Es wird jedoch in Betracht gezogen, daß ein Blindsteiger oder ein Einlauf am unteren Ende der Teileform vorgesehen werden könnte, falls gewünscht. Das Gießverfahren wurde in solcher Weise durchgeführt, daß es zu Teilen 10 mit einer feinen gleichachsigen Kornstruktur führte, ähnlich zu der Kornstruktur die in Fig. 3 dargestellt ist. Teile 10 waren frei von Schrumpfungseffekten, Warmrissen und Verwerfung.
Aus Wirtschaftlichkeitsgründen ist es bevorzugt, eine Mehrzahl von Dichtungen gleichzeitig unter Verwendung einer einstückigen Formenstruktur 42 zu gießen. Man sollte verstehen, daß obgleich nur zwei Teileformen 38 in Fig. 4 dargestellt sind, die Formenstruktur 42 acht, zwölf, sechzehn, zwanzig oder mehr Teileformen 38 aufweisen kann, die in einer ringförmigen Anordnung oder einem Cluster um eine erste Haltestange 44 herum angeordnet sind. Gegenwärtig ist die Formenstruktur 42 so konstruiert, daß sie eine kreisförmige Anordnung von zwanzig Teileformen 38 einschließt.
Ein Eingußtrichter 46 wird auf dem oberen Ende der Haltestange 44 gehalten. Eine Mehrzahl von Einläufen oder Angußverteilern 48 erstreckt sich vom Eingußtrichter 46 aus nach außen, wobei ein Angußverteiler zu jeder Teileform 38 geht. Teileformen 38 werden auf einer kreisförmigen Grundplatte 52 durch keramische Abstandsblöcke 54 mit einer Höhe von 0,97 bis 1,27 cm (drei Achtel bis eineinhalb Inches) gehalten. Die Abstandsblöcke 54 stützen die geschlossenen unteren Endabschnitte der Teileformen 38. Die Abstandsblöcke könnten weggelassen werden oder könnten andere Abmessungen haben, falls gewünscht.
Wenn die Formenstruktur 42 hergestellt werden soll, wird ein Wachsmodell zusammengebaut. Das Wachsmodell schließt eine Mehrzahl von Teilemodellen mit derselben Konfiguration wie die Konfiguration des zu gießenden Teiles, d. h. derselben Konfiguration wie Teile 10, ein. Die Teilemodelle haben keinerlei Modelle für Einläufe, die entlang der Länge der Teilemodelle angeordnet sind.
Die Wachsmodelle der Teile 10 sind mit Wachsmodellen mit einer Konfiguration verbunden, die Durchlässen in den Einläufen oder Angußverteilern 48 entsprechen. Es gibt nur ein Einlauf oder Angußverteilerdurchlaßmodell, das mit dem oberen Ende jedes Teilemodells verbunden ist. Die Angußverteilerdurchlaßmodelle sind ihrerseits mit einem Modell verbunden, das der Form der Innenseite des hohlen Eingußtrichters 46 entspricht. Ein keramischer Abstandsblock 54 ist mit einem unteren Ende jedes Teilemodells verbunden.
Die gesamte Modellbaugruppe wird wiederholt in eine Aufschlämmung aus keramischem Formmaterial eingetaucht und stukkatiert, um eine Schicht aus Formmaterial über der Modellbaugruppe aufzubauen. Wenn erst mal eine Schicht mit gewünschter Dicke über der Modellbaugruppe aufgebaut worden ist, wird die Schicht getrocknet. Das Wachsmodellmaterial wird dann geschmolzen und von der keramischen Schicht durch Verwendung von Wärme und/oder chemischen Lösungen entfernt. Das keramische Formmaterial wird anschließend gebrannt, um ihm die erforderliche Festigkeit zu geben und um das Verfahren zum Ausbilden der Formenstruktur 42 abzuschließen.
Das Verfahren der Herstellung einer Formenstruktur ähnlich zur Formenstruktur 42 durch das vorstehende Verfahren ist gut bekannt. Man sollte jedoch bemerken, daß das Wachsmodell und die resultierende Formenstruktur keinerlei Vorkehrungen für Einlaufdurchlässe zu Seitenabschnitten der Teileformen 38 besitzt. Die einzigen Durchlässe zum Zuführen von geschmolzenem Metall zu den Teileformen 38 aus dem Eingußtrichter 46 sind in den Angußverteilern 48.

C. Erste Ausführungsform für das Zurückziehen Form-Ofen

Wenn Teile 10 gegossen werden sollen, wird die Formenstruktur 42 auf eine kreisförmige wassergekühlte Kupfer-Abschreckplatte 60 gestellt. Obgleich die geschlossenen unteren Enden der Teileformen nahe der Abschreckplatte 60 sind, sind sie von der Abschreckplatte durch 0,97 bis 3,81 cm (drei Achtel bis eineinhalb Inches) keramischen Materials getrennt. Die Längsmittelachsen der Teileformhohlräume in den Teileformen 38 stehen senkrecht zur horizontalen Oberfläche 62 der Abschreckplatte 60.
Ein Motor (nicht dargestellt) bewegt dann eine zylindrische Haltestange 64 für die Abschreckplatte 60 vertikal nach oben. Wenn die Abschreckplatte 60 sich nach oben bewegt, tritt die Formenstruktur 42 in eine Kammer oder Gehäuse (nicht dargestellt) ein, die einen Ofen 68 umschließt. Die Fortsetzung der Bewegung der Abkühlplatte 60 nach oben bewegt die Formenstruktur 42 in eine zylindrische Ofenkammer 72 hinein. Das Gehäuse, das den Ofen 68 umschließt, wird dann evakuiert und die Formenstruktur 42 wird vorgeheizt.
Der Ofen heizt die Formenstruktur 42 in einer nicht-gleichförmigen Weise vor. Somit gibt es einen Temperaturgradienten, der von einer niedrigen Temperatur am unteren Ende der Teileformen 38 bis zu einer höheren Temperatur an den oberen Enden der Formen 38 ansteigt. Eine imaginäre horizontale Ebene 76 erstreckt sich durch die Mittelpunkte der langen dünnen Abschnitte der Formen 38 und teilt die langen dünnen Abschnitte der Formen 38 in eine untere Hälfte 82 und eine obere Hälfte 84.
Die untere Hälfte 82 der langen dünnen Abschnitte von jeder der Teileformen 38 wird bis in einen ersten Temperaturbereich hinein erhitzt. Die höchste Temperatur in diesem ersten Temperaturbereich ist nahe der Solidustemperatur des Metalls von Teil 10, aber niedriger. Die obere Hälfte der langen dünnen Abschnitte von jeder der Teileformen 38 wird bis in einen zweiten Temperaturbereich hinein erhitzt, in dem die Temperaturen höher sind als die Temperaturen im ersten Temperaturbereich. Da die oberen und unteren Hälften 82 und 84 der langen dünnen Abschnitte der Teileformen 38 nur durch eine imaginäre Ebene 76 getrennt sind, wird die unterste Temperatur im zweiten Temperaturbereich, in den hinein die obere Hälfte 84 erhitzt wird, dieselbe sein, wie die höchste Temperatur des Temperaturbereichs, in den hinein die untere Hälfte 82 erhitzt wird. Es ist überraschenderweise festgestellt worden, daß überlegene Gießergebnisse erzielt werden, wenn die höchste Temperatur des zweiten Temperaturbereichs in den hinein die obere Hälfte 84 eines langen dünnen Abschnittes von Form 38 erhitzt wird, nahe der Liquidustemperatur des geschmolzenen Metalls von Teil 10 ist. Wie hierin verwendet, wird der Ausdruck "nahe" zunächst durch Berücksichtigung der spezifischen Zusammensetzung und Konfiguration des bestimmten Teiles, das gegossen wird, bestimmt. Im allgemeinen sollte die obere Hälfte 84 eines langen dünnen Abschnittes von Form 38 um so näher an die Liquidustemperatur des Metalles heran erhitzt werden, je länger und dünner das Teil ist. Ein Fachmann wird daher realisieren, daß die genauen Temperaturen, auf die die Form erhitzt wird, schwanken können. Die besten Gießergebnisse werden jedoch erzielt, wenn die Temperaturen und insbesondere die zweiten Temperaturen innerhalb von 83,3ºC (150ºF), vorzugsweise innerhalb von etwa 55,6ºC (100ºF), noch bevorzugter innerhalb von etwa 27,8ºC (50ºF) und noch bevorzugter innerhalb von etwa 13,9ºC (250F) der Solidus- und Liquidustemperaturen liegen. Nichtsdestoweniger ist die höchste Temperatur, auf die die obere Hälfte 84 eines langen dünnen Abschnittes einer Teileform 38 erhitzt wird, signifikant höher als die Solidustemperatur des Metalls von Teil 10, was im Gegensatz zu den Lehren von U.S.-Patent Nr. 4,809,764 steht.
Aufgrund vieler verschiedener Faktoren wird der vertikale Temperaturgradient entlang der Form 38 möglicherweise nicht in einer exakt gleichförmigen Weise vom unteren Ende einer Teileform 38 zum oberen Ende der Teileform ansteigen. Der Temperaturgradient wird möglicherweise jedoch ähnlich zu einem gleichförmigen Temperaturgradienten sein. Man sollte verstehen, daß das untere Ende der Teileform 38 auf die unterste Temperatur vorerhitzt wird und das obere Ende der Teileform auf die höchste Temperatur vorerhitzt wird.
Das Vorerhitzen der unteren Hälfte 82 auf eine Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur der oberen Hälfte 84, wird dadurch erleichtert, daß die Formenstruktur 42 von der Abschreckplatte 60 abgestützt wird. Der in Fig. 4 veranschaulichte Ofen schließt mehrfache spiralförmige Heizelemente 90, 92 und 94 ein, obgleich eine erste alternative Ausführungsform des Ofens (Fig. 8) nur zwei spiralförmige Heizelemente 90a und 92a einschließt und eine zweite alternative Ausführungsform des Ofens (Fig. 9) nur ein kontinuierliches spiralförmiges Heizelement 90b einschließt, das den gewünschten Temperaturgradienten fördert. Wenn mehrfache Heizwicklungen verwendet werden, kann die Menge an elektrischer Energie, die solchen Wicklungen zugeführt wird (z. B. Wicklungen 90, 92, 94) zu einem Unterschied in der Wärmeenergie führen, die durch einen Graphit-Suszeptor 96 zu den Teileformen 38 überführt wird.
Obgleich es bevorzugt ist, den Temperaturgradienten zwischen den oberen und unteren Enden der Teileformen 38 durch die kombinierte Wirkung der Abschreckplatte 60 und der Heizwicklungen aufzubauen, könnte der Temperaturgradient auch durch die Verwendung von Ablenkplatten aufgebaut werden. So könnte eine zylindrische Ablenkplatte um den unteren Abschnitt der kreisförmigen Anordnung der Teileformen 38 vorgesehen sein. Zusätzlich könnten sich eine oder mehrere ringförmige Ablenkplatten vom zylindrischen Suszeptor 96 radial nach innen erstrecken, um den Aufbau des Temperaturgradienten zu fördern. Andere Ablenkplattenanordnungen könnten verwendet werden, falls gewünscht.
Im Ofen von Fig. 4 sind die Wicklungen 90, 92 und 94 von einer zylindrischen Ofenwand 98 umgeben. Ein ringförmiger keramischer Ring 100 ist benachbart zum unteren Ende der Ofenwand 98 angeordnet. Der Suszeptor 96 sitzt auf dem keramischen Ring 100 und wird von diesem gehalten. Der Ofen 68 könnte natürlich eine Konstruktion haben, die verschieden ist von den spezifischen Konstruktionen, die in FIGS. 4 und 9 dargestellt sind.
Ungeachtet der Art und Weise, wie der Temperaturgradient aufgebaut wird, ist das obere Ende einer vorgeheizten Teileform 38 heißer als das untere Ende der Teileform. Die Temperatur des oberen Endes des langen dünnen Abschnittes einer vorgeheizten Teileform 38 ist nahe der Liquidustemperatur des Metalls von Teil 10. Das untere Ende des langen dünnen Abschnittes der vorgeheizten Teileform 38 liegt bei einer Temperatur, die ungefähr 27,8 bis 277,8ºC (50 bis 500ºF) niedriger ist als die Temperatur des oberen Endes des langen dünnen Abschnittes der Teileform.
Wen die Teileformen 38 erst einmal in der vorstehenden Art und Weise vorerhitzt worden sind, wird geschmolzenes Metall durch eine Öffnung 102 in einer kreisförmigen oberen Deckwand 104 des Ofens 68 in den Eingußtrichter 46 gegossen. Zum Zeitpunkt des Gießens ist das geschmolzene Metall typischerweise überhitzt. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff "überhitzt" ein Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur, die um von etwa 27,8 bis etwa 222,2ºC (50ºF bis etwa 400ºF) höher ist als die Liquidustemperatur. Das Gießen des geschmolzenen Metalles tritt in der Vakuumkammer oder dem Gehäuse auf, das den Ofen 68 umgibt. Obgleich es bevorzugt ist, den Teileformhohlraum von nur einem einzigen Angußverteiler oder Einlauf 48 zu füllen, der in Fließverbindung zu dem oberen Ende des Teileformhohlraumes steht, könnte ein zweiter Angußverteiler oder Einlauf mit dem unteren Ende des Teileformhohlraums verbunden sein, falls gewünscht.
Da siebzig bis einhundert Prozent der Länge von jedem der langen dünnen Abschnitte der Teileformen 38 unterhalb der Liquidustemperatur des geschmolzenen Metalles liegen, tritt zufällige Nukleierung über fast die gesamte Oberfläche jedes Teileformhohlraumes auf, wenn das geschmolzene Metall in die Teileformen gegossen wird. Obgleich das genaue Ausmaß der Nukleierung auf den Oberflächen der Teilformhohlräume nicht bekannt ist, glaubt man, daß die Nukleierung und daher Einleitung der Erstarrung des geschmolzenen Metalles an Stellen auftritt, die entlang wenigstens der unteren achzig bis neunzig Prozent des langen dünnen Abschnittes von jedem Teileformhohlraum angeordnet sind. Diese Nukleierung kann durch das Vorhandensein eines Impfmittels im geschmolzenen Metall gefördert werden.
Bei früheren Erfindungen wurde die Form, wenn die Teileformen 38 erst einmal mit geschmolzenem Metall gefüllt waren, langsam aus dem Ofen zurückgezogen. Man glaubt jedoch, daß dies das geschmolzene Metall im Teil stört, wenn es erstarrt, was Defekte in die erstarrten Teile 10 einbringt. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 kann das Heizsystem, statt die Form innerhalb des Formenheizers mit feststehender Position nach oben und unten zu bewegen, um die Form herum vertikal bewegt werden, wenn die Form in der richtigen Gießposition angeordnet ist. Das Heizsystem kann mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Mittel angehoben oder abgesenkt werden. Die Ausführungsform des in Fig. 9 veranschaulichten Heizsystems verwendet jedoch ein hydraulisches System 130, um das Heizsystem anzuheben. Dieser anscheinend geringfüge Unterschied bietet eine stark verbesserte Wiederholbarkeit bei der Positionierung der schwereren Form relativ zum Heizer während des Heiz- und Abkühlzyklus, ohne einen entsprechenden Anstieg der Größe und Komplexität der Bewegungsund Steuerungsmechanismen. So umfaßt ein bevorzugtes Verfahren der praktischen Umsetzung der Heiz- und Abkühlzyklen der vorliegenden Erfindung das Bewegen des Heizsystems, wie etwa eines Formenofens, während die Formen 38 feststehend gehalten werden.
Sobald die Teileformen 38 mit geschmolzenem Metall gefüllt sind, beginnt das Zurückziehen des Ofens 68 von um die Formenstruktur 42 herum (oder umgekehrt). Die Geschwindigkeit des Zurückziehens des Ofens 68 von um die Formenstruktur 42 herum ist signifikant langsamer als die Zurückziehgeschwindigkeiten, die durch U.S.-Patent Nr. 4,809,764 gelehrt werden. Dieses Patent lehrt Zurückziehgeschwindigkeiten die nur so niedrig sind wie etwa 152,4 bis 304,8 cm (60 bis 120 Inches) pro Stunde. Signifikant langsamere Formenzurückziehgeschwindigkeiten haben sich jedoch als notwendig erwiesen, um Teile mit im wesentlichen keinen Defekten für bestimmte Metalllegierungszusammensetzungen und für bestimmte Teilekonfigurationen herzustellen. Obgleich die Zurückziehgeschwindigkeit des Ofens 68 variieren kann, ist überraschenderweise festgestellt worden, daß so niedrige Zurückziehgeschwindigkeiten wie etwa 0,25 cm (0,10 Inch) pro Minute bis 1,27 cm (0,50 Inch) pro Minute oder 17,8 cm (7,0 Inches) pro Stunde bis etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde sehr viel bessere Erstarrungsergebnisse liefert, bestimmt durch radiographische Analyse des Gußmetallteiles.
Wenn Ofen 68 von um eine Teileform 38 herum zurückgezogen wird, erstarrt eine dünne, diskontinuierliche Schicht oder Haut 110 (Fig. 5) aus gleichachsigem Metall über einen Großteil einer Innenfläche 112 des langen dünnen Abschnittes eines Teileformhohlraumes 114. Obgleich nur hypothetisiert werden kann, und daher ohne Beschränkung der Erfindung auf eine Arbeitstheorie, glaubt man, daß die dünne Schicht 110 sich über die gesamte Innenfläche 112, mit Ausnahme der oberen zwei bis zehn Prozent, des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 erstreckt. Die Metallschicht 110 hat eine gleichachsige Kornstruktur (Fig. 3) mit einer maximalen Kornabmessung von 1,27 cm (ein halbes Inch) oder weniger. Die Innenfläche 112 des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 und die Metallschicht 110 haben natürlich ein Konfiguration, die der Konfiguration des langen dünnen Abschnittes des zu gießenden Teils entspricht, d. h. des Abschnittes 16 der Dichtungen 10.
Wenn der Ofen 68 von um die Formenstruktur 42 herum zurückgezogen wird (Fig. 4) wachsen von der dünnen Haut 110, die sich über die Seitenfläche 112 (Fig. 5) des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes 114 erstreckt, Dendriten nach innen und oben. Die dünne Haut oder Schicht 110 erstreckt sich jedoch anfänglich nicht über den einzigen Einlaß zum Teileformhohlraum 114. Daher kann geschmolzenes Metall von einem Angußverteiler 48 einem Teileformhohlraum 114 zugeführt werden. Dendriten scheinen von der dünnen Haut 110 mit einer schnelleren Geschwindigkeit nach oben zu wachsen, als sie von der dünnen Haut 110 nach innen wachsen.
Wenn Ofen 68 von um die Teileform 38 herum vertikal nach oben zurückgezogen wird, erstarrt das geschmolzene Metall in der unteren Hälfte 82 des langen dünnen Abschnittes der Teileform schneller als in der oberen Hälfte 84 des langen dünnen Abschnittes der Teileform. Dies würde sich natürlich umkehren, wenn der Ofen vertikal nach unten zurückgezogen würde. Diese schnellere Metallerstarrung in der unteren Hälfte 82 des langen dünnen Abschnittes der Teileform beruht auf den kombinierten Wirkungen von: (1) Vorerhitzen der unteren Hälfte 82 auf eine niedrigere Temperatur als die obere Hälfte 84; (2) Positionieren des geschlossenen unteren Endes der Teileform benachbart zur Abschreckplatte 60; und (3) Zurückziehen von Ofen 68 von um den unteren Abschnitt der Teileform 38 herum und Aussetzen dieses Abschnittes der Form gegenüber der relativ kühlen Umgebung der Vakuumkammer, die den Ofen 68 umgibt. Daher erstarrt das geschmolzene Metall im Teileformhohlraum 114, mit einer gleichachsigen Kornstruktur, vom Boden des Formhohlraumes nach oben mit einer größeren Geschwindigkeit, als es von den senkrechten Seiten des Teileformhohlraumes nach innen erstarrt.
Wenn das geschmolzene Metall im langen dünnen Abschnitt des Teileformhohlraumes 114 erstarrt (Fig. 6), wird eine feste Zone 116 am unteren Ende und entlang der Seiten des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes gebildet. Eine breiige Zone 118 (Fig. 6) aus teilweise geschmolzenem, teilweise erstarrtem Metall ist nach innen von der breiigen Zone 118 angeordnet und ist entlang der Mittelachse des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 angeordnet. Die flüssige Zone 120 erstreckt sich nach oben zur Öffnung zu einem Angußverteiler oder Einlauf 48.
Obgleich Dendriten sich von der sich verdickenden Schicht aus erstarrtem Metall auf den senkrechten Seiten des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 in die breiige Zone 118 erstrecken werden, kann geschmolzenes Metall von einem Angußverteiler 48 in die breiige Zone zugeführt werden, um die Schrumpfung zu kompensieren, wenn das geschmolzene Metall im Formhohlraum erstarrt. Wenn die Erstarrung fortschreitet, nimmt die Größe der breiigen Zone 118 ab (Fig. 7) und die Menge an erstarrtem geschmolzenem Metall in der unteren Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 nimmt zu. Aufgrund der Wirkung des relativ kalten Abschreckplatte 60, des relativ heißen geschmolzenem Metalls im Eingußtrichter 46 und Angußverteiler 48 und des während des Vorheizens der Form aufgebauten Temperaturgradienten wandert die schrumpfende breiige Zone 118 entlang der vertikalen Längsmittelachse des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 nach oben.
Wenn Ofen 68 weiter von um die Teileform 38 herum zurückgezogen wird, wird die breiige Zone 118 mit einer größeren Geschwindigkeit nach oben wandern, als sie von den senkrechten Seiten des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 nach innen wandert. Dies ermöglicht es, daß das geschmolzene Metall im Teileformhohlraum ohne die Bildung von Blasen oder anderen Defekten erstarrt. Wenn die Erstarrung des geschmolzenen Metalls in der unteren Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes abgeschlossen ist, wird die Erstarrung des geschmolzenen Metalls in der oberen Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes noch nicht abgeschlossen sein. Wenn die Erstarrung des geschmolzenen Metalls in der unteren Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teilefonnhohlraumes abgeschlossen ist, wird der Großteil des geschmolzenen Metalls in der oberen Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes jedoch erstarrt sein. Es wird geschätzt, daß, wenn die Erstarrung des geschmolzenen Metalls in der oberen Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes abgeschlossen ist, ungefähr siebzig bis fünfundachtzig Prozent des geschmolzenen Metalls in der oberen Hälfte des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes erstarrt sein werden.
Die Erstarrung schreitet vom unteren Ende des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes 114 zum oberen Ende dieses Abschnittes des Formhohlraumes fort. Die Zuführung von geschmolzenem Metall, um Schrumpfung zu kompensieren, tritt entlang der Mittelachse des Teiles ein, wenn das Metall erstarrt. Diese Technik steuert die Erstarrung so, daß sie einen zentralen Kanal 120 innerhalb des erstarrten Metalls 116 offen hält, durch den geschmolzenes Metall von den oberen Angußverteilern 48 zugeführt werden kann, um die Erstarrungskontraktion zu kompensieren, die in weiter entfernten unteren Abschnitten eintritt.
Diese Technik fördert auch aktiv die Verfügbarkeit von querlaufenden sekundären interdendritischen Kanälen für die erforderliche Querzuführung zu sich verfestigenden Abschnitten. Querverlaufende interdendritische Zuführung hängt primär von der Länge der interdendritischen Kanäle ab, die im allgemeinen durch die Abmessungen der breiigen Zone 118 bestimmt sind. Da die Breite der breiigen Zone 118 in umgekehrten Verhältnis zu den vorherrschenden Temperaturgradienten steht, verringern die positiven Temperaturgradienten kontinuierlich die Breite der breiigen Zone in den sich verfestigenden Abschnitten und fördern dadurch effektive interdendritische Querzuführung.
Nachdem der Ofen 68 vollständig von um die Formenstruktur 42 herum zurückgezogen ist, ist die Abkühlung der Formenstruktur und des Metalles darin abgeschlossen. Das keramische Material der Form wird danach von dem erstarrten Metall entfernt. Das Metall, das in den Teileformen 38 erstarrt ist, wird eine gleichachsige Kornstruktur besitzen und eine Gesamtkonfiguration, die der Konfiguration der Teile 10 entspricht. Da es keine Einläufe gibt, um geschmolzenes Metall zum Teileformhohlraum 114 an Stellen entlang der Längsmittelachse des Teileformhohlraumes zuzuführen, wird der lange dünne Abschnitt 16 der gegossenen Teile 10 frei von Einlgufstellenmaterial sein. Natürlich können andere lange dünne Metallteile als die Teile 10 durch Verwendung des vorstehenden Verfahrens mit einer gleichachsigen Kornstruktur gegossen werden.

D. Ofen - Zweite Ausführungform

Die Ausführungsform des Ofens 68, wie in Fig. 4 veranschaulicht ist, schließt Wicklungen 90, 92 und 94 ein, um sowohl das Erhitzen der Form 42 zu steuern als auch zu helfen, Temperaturgradienten in der Form zu erzeugen, wenn Ofen 68 zurückgezogen wird. In der Ausführungsform des Ofens, die in Fig. 8 veranschaulicht ist, werden zwei Wicklungen 90a und 92a, verwendet. Da die Ausführungsformen des Ofens, die in den FIGS. 8 und 9 veranschaulicht sind, im allgemeinen ähnlich zu der Ausführungsform des Ofens sind, die in Fig. 4 veranschaulicht ist, werden gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Komponenten zu bezeichnen. Um Verwirrung zu vermeiden, ist der Suffix-Buchstabe "a" mit den Bezugszeichen in Fig. 8 assoziiert und das Suffix "b" ist mit den Bezugszeichen in Fig. 9 assoziiert.
Wie veranschaulicht in Fig. 8, wird Ofen 68a während des Erhitzens einer Formenstruktur 42a verwendet. Der Ofen 68a besitzt eine obere Wicklung 90a und eine untere Wicklung 92a. Der Suszeptor 96a endet unmittelbar unterhalb der unteren Wicklung 92a. Ein zylindrischer keramischer Abstandsblock 124 ist unterhalb der Wicklung 92a in der Position vorgesehen, die in der Ausführungsform des Ofens, die in Fig. 4 veranschaulicht ist, von der Wicklung 94 eingenommen wird. Das Weglassen der unteren Wicklung und das Ersetzen durch einen keramischen Abstandsblock 124 macht es leichter, die Formenbaugruppe 42a zu erhitzen und einen Temperaturgradienten zu erzielen, der sich von der relativ kalten unteren Hälfte 82a einer Teileform 38a zu einer relativ heißen oberen Hälfte 84a der Teileform erstreckt.
Das Weglassen der unteren Wicklung, die der Wicklung 94 von Fig. 4 entspricht, führt dazu, daß die Induktionswicklungen 90a und 92a nur etwa 50 Prozent der Länge des Abschnittes der Teileform 38a, in der der Teilformhohlraum angeordnet ist, umschließen. Somit umschließen die Wicklungen 90a und 92a nur den Teil der Formenstruktur 42a, der oberhalb der Ebene 76a liegt. Daher sind weniger als 75% des Teileformhohlraumes von Induktionswicklungen umgeben. Die untere Hälfte des Teileformhohlraumes ist von dem ringförmigen keramischen Abstandsblock 124 umschlossen.

E. Gießen eines Metallteiles

Teil 10 von FIGS. 1-2 kann aus einer Vielzahl von Metalllegierungszusammensetzungen hergestellt werden. Der Erstarrungsprozeß kann für jedes Verfahren anders sein. U.S.-Patent Nr. 4,809,764 lehrt die Herstellung von Flügeln, die andere Konfigurationen und Anforderungen an die thermische Beständigkeit als Dichtungen haben. Der im '764-Patent diskutierte Flügel wurde hergestellt aus einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie etwa IN-713C oder Rene 77, mit einer Solidustemperatur von mehr als 1232,2ºC (2250ºF). Das '764-Patent lehrt das Erhitzen von Teileformen 38, so daß die untere Hälfte 82 des langen dünnen Abschnittes jeder Teileform 38 eine mittlere Temperatur von weniger als 1232,2ºC (2250ºF) aufweist. Die obere Hälfte 84 des langen dünnen Abschnittes jeder Teileform 38 wird auf eine mittlere Temperatur von nahe der Solidustemperatur des Metalls oder geringfügig darüber erhitzt. Die geschmolzenen Nickel-Chrom-Superlegierung wird auf eine Temperatur oberhalb von 1315,6ºC (2400ºF) erhitzt, bevor sie gegossen wird.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht werden. Diese Beispiele werden zu Zwecken der Veranschaulichung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung vorgelegt und sollten nicht als die Erfindung auf die spezifischen darin beschriebenen Merkmale beschränkend angesehen werden.

BEISPIEL 1

Dieses Beispiel beschreibt ein Verfahren nach dem Stand der Technik nach U.S.-Patent Nr. 4,809,764. Das Verfahren wurde verwendet, um einen Flügel aus einer Nickel-Chrom- Legierung herzustellen. In einem spezifischen Fall, der vom '764-Patent gelehrt wird, wurde der Flügel aus Rene 77 mit einer Liquidustemperatur von 1343,3ºC (2450ºF) und einer Solidustemperatur von 1265,6ºC (2310ºF) hergestellt. Die Formenstruktur 42 wurde erhitzt, so daß die geschlossenen unteren Enden der Teileformen 38 bei einer Temperatur von ungefähr 1010ºC (1850ºF) lagen und die oberen Enden der Teileformen bei einer Temperatur von ungefähr 1232,2ºC (2250ºF) lagen. Daher liegt, in dem spezifischen Beispiel, der in dem '764- Patent vorgelegt ist, die höchste Temperatur im zweiten Temperaturbereich unterhalb der Solidustemperatur des Metalles.
Das geschmolzene Rene 77 wurde bei einer Temperatur von 1454,4ºC (2650ºF) gegossen. Die Formenoberflächenschicht enthielt 10 Gew.-% Cobalt-Aluminat-Impfmittel, um die Nukleierung zu fördern. Wenn die Form erhitzt worden war, um einen Temperaturgradienten anzunehmen, der von 1010ºC (1850ºF) an den unteren Enden der langen dünnen Abschnitte der Teileformen 38 bis 1232,2ºC (2250ºF) an den oberen Enden der langen dünnen Abschnitte der Teileformen reichte, wurde das geschmolzene Metall in den Eingußtrichter 46 gegossen.
Das geschmolzene Metall lief durch die Angußverteiler 48 in die Teileformhohlräume 38. Wenn die Teileformen 38 mit geschmolzenem Metall gefüllt waren, nimmt man an, daß die Nukleierung an verschiedenen Stellen entlang ungefähr 95% der Längserstreckung des langen dünnen Abschnittes des Teileformhohlraumes eintrat. Sobald die Teileformhohlräume 38 mit geschmolzenem Metall gefüllt waren, wurde die Abschreckplatte 60 abgesenkt, um das Zurückziehen der Formenstruktur 42 aus dem Ofen 68 mit einer Geschwindigkeit von 152,4 cm (60 Inches) pro Stunde zu beginnen: Wenn begonnen wurde, die Formenstruktur 42 aus dem Ofen 68 zurückzuziehen, wurde die Zuführung der elektrischen Energie zu den Wicklungen 90, 92 und 94 unterbrochen.
Der Flügel 10 wurde ohne Einlaufstellen entlang der Längserstreckung des Teileformhohlraumes gegossen. Der Flügel 10 hatte eine gleichachsige Kornstruktur, die ähnlich war zu der Kornstruktur, die in Fig. 3 dargestellt ist, und war frei von Defekten. Dieser spezifische Flügel hatte eine Korngröße, die grober war als eine ASTM-Korn-Standardkorngröße Nr. 1, aber nahe dazu. Keiner der Oberflächenkörner hatte eine maximale Abmessung von mehr als 0,64 cm (ein Viertel eines Inches).

BEISPIEL 2

Dieses Beispiel beschreibt Bemühungen, die langen dünnen Teile, die von der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, aus einer Cobalt-Chrom-Legierung herzustellen. Ofenzurückziehgeschwindigkeiten, die signifikant langsamer waren als diejenigen, die von dem '764- Patent gelehrt werden, wurden verwendet. Nichtsdestoweniger enthielt das Metallteil immer noch Defekte.
Genauer gesagt wurde eine Cobalt-Chrom-Legierung, die vom Lieferanten mit MAR-M-509 bezeichnet wird, ausgewählt. Die Hauptbestandteile dieser Legierung sind Nickel (10 Gewichtsprozent), Chrom (23,5 Gewichtsprozent) und Cobalt (55 Gewichtsprozent). Diese Zusammensetzung besitzt eine Solidustemperatur von etwa 1305ºC (2381ºF) und eine Liquidustemperatur von etwa 1419,4ºC (2587ºF). Die Cobalt-Chrom-Zusammensetzung wurde auf eine Gießtemperatur von etwa 1510ºC (2750ºF) erhitzt.
Die Formenstruktur 42 wurde in einem Ofen erhitzt, wie etwa demjenigen, der in Fig. 9 dargestellt ist, so daß die Formentemperatur am oberen Ende der Form etwa 1357,2ºC (2475ºF) betrug und die Temperatur am Boden der Form etwa 1252,2ºC (2286ºF) betrug. Für das vorliegende Beispiel wurde ein Impfmittel verwendet, um die Nukleierung zu fördern. Das geschmolzene Metall lief durch die Angußverteiler 48 und in die Formhohlräume 38 hinein. Sobald die Teileformhohlräume 38 mit geschmolzenem Metall gefüllt waren, wurde der Ofen von um die Form herum mit einer anfänglichen Zurückziehgeschwindigkeit von etwa 0,64 cm (0,25 Inch) pro Minute oder 38,1 cm (15 Inches) pro Stunde zurückgezogen. Die Zurückziehgeschwindigkeit wurde für einen Zeitraum von etwa 16 Minuten aufrechterhalten. Danach wurde die Zurückziehgeschwindigkeit auf etwa 1,27 cm (0,50 Inch) pro Minute oder 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde erhöht und diese Geschwindigkeit wurde für einen Zeitraum von etwa 10 Minuten aufrechterhalten. Somit betrug die schnellste Zurückziehgeschwindigkeit, die für dieses Beispiel praktiziert wurde, nur etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde, verglichen mit den 152,4 cm (60 Inches) pro Stunde, die vom '764-Patent gelehrt werden. Das Teil wurde ohne Verwendung irgendwelcher Einläufe entlang der gesamten Länge des langen dünnen Abschnittes des Teiles gegossen.
Als das Metall vollständig erstarrt war, wurde das Teil einer radiographischen Analyse unterzogen. Diese Analyse zeigte, daß die Haltbarkeitsanforderungen für sehr dünnwandige gegossene Formen, die für leichtgewichtige, treibstoffeffiziente Gasturbinenmotoren mit konkurrenzfähigem Preis benötigt werden, von dem Gußprodukt nicht erfüllt wurden.

BEISPIEL 3

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung einer Dichtung, wie etwa Dichtung 10, aus der mit MAR-M-509 bezeichneten Cobalt-Chrom-Legierung. Dies ist dieselbe Legierung, wie verwendet in Beispiel 2, die eine ungefähre Solidustemperatur von etwa 1305ºC (2381ºF) und eine ungefähre Liquidustemperatur von etwa 1419,4ºC (2587ºF) besitzt. Die MAR-M-509- Zusammensetzung wurde auf eine Gießtemperatur von 1510ºC (2750ºF) erhitzt.
Die Formenstruktur 42 wurde in einem Ofen vorerhitzt, wie etwa demjenigen, der in Fig. 9 dargestellt ist, so daß die Formentemperatur am oberen Ende der Form etwa 1357,2ºC (2475ºF) betrug und die Temperatur am Boden der Form etwa 1252,2ºC (2286ºF) betrug. Für das vorliegende Beispiel wurde ein Impfmittel verwendet, um die Nukleierung zu fördern. Das geschmolzene Metall lief durch die Angußverteiler 48 und in die Formhohlräume 38 hinein. Sobald die Teileformhohlräume 38 mit geschmolzenem Metall gefüllt waren, wurde der Ofen von um die Form herum mit einer Zurückziehgeschwindigkeit von etwa 0,64 (0,25 Inch) pro Minute oder 38,1 cm (15 Inches) pro Stunde zurückgezogen. Diese Zurückziehgeschwindigkeit würde für einen Zeitraum von mehr als 40 Minuten aufrechterhalten. Das Teil wurde ohne Verwendung irgendwelcher Einläufen entlang der gesamten Länge des langen und dünnen Abschnittes des Teiles gegossen.
Als das Metall vollständig erstarrt war, wurde das Teil einer radiographischen Analyse unterzogen. Diese Analyse zeigte, daß die Haltbarkeitsanforderungen für sehr dünnwandige gegossene Formen, die für leichtgewichtige, treibstoffeffiziente Gasturbinenmotoren mit konkurrenzfähigem Preis erforderlich sind, von dem Gußprodukt erfüllt wurden. Ein möglicher Grund hierfür ist, daß die Formenzurückziehgeschwindigkeit wenigstens so niedrig wie 0,64 cm (0,25 Inch) pro Minute während des gesamten Erstarrungsprozeßes war. Bei Beispiel 2 schloß der Erstarrungsprozeß einen Zeitraum ein, während der die Formenzurückziehgeschwindigkeit so hoch wie etwa 1,27 cm (0,5 Inch) pro Minute war.

BEISPIEL 4

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung einer Dichtung unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Die für dieses Beispiel verwendete Legierung war eine Ni-Cr- Legierung, die als IN 738 bezeichnet wird. Diese Legierung hat einen Schmelzbereich von etwa 1232,2ºC (2250ºF) bis etwa 1315,6ºC (2400ºF). Die Zusammensetzung dieser Legierung, in Gewichtsprozent, beträgt etwa 61 Prozent Ni, 16 Prozent Cr und 8,5 Prozent Co. Die allgemeinen Verfahren, die oben in Beispiel 2 beschrieben sind, wurden in diesem Beispiel verwendet. Die Gießtemperatur betrug etwa 1426,7ºC (2600ºF). Die Formentemperatur der oberen Hälfte des langen Abschnittes der Form hat eine Temperatur von wenigstens etwa 1301,7ºC (2375ºF).
In diesem Beispiel wurde die Ofenzurückziehgeschwindigkeit jedoch so verringert, daß sie etwa 0,32 cm (0,125 Inch) pro Minute oder 19,05 cm (7,5 Inches) pro Stunde betrug. Das Zurückziehen des Ofens wurde mit dieser Geschwindigkeit für einen Zeitraum von etwa 40 Minuten fortgesetzt. Als der Gießprozeß abgeschlossen war, wurde das gegossene Metallteil einer radiographischen Analyse unterzogen. Diese Analyse zeigte, daß das Metallteil im wesentlichen frei von Defekten war.
Somit sind die Formzurückziehgeschwindigkeiten, die von '764-Patent gelehrt werden, auf der Basis der hierin vorgelegten Beispiele, eindeutig zu schnell, wenn man Materialien aus anderen Legierungszusammensetzungen gießt als denjenigen, die spezifisch von dem Patent gelehrt werden. Genauer gesagt scheint es, daß eine Zurückziehgeschwindigkeit von weniger als etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde, vorzugsweise weniger als etwa 38,1 cm (15 Inches) pro Stunde für einen überlegenen Gießprozeß sorgt, wenigstens für bestimmte Zusammensetzungen, verglichen mit dem vom '764-Patent gelehrten Verfahren.

BEISPIEL 5

Dieses Beispiel beschreibt die mögliche Herstellung eines Teils unter Verwendung einer Ofenzurückziehgeschwindigkeit, die so schnell ist wie etwa 1,27 cm (0,50 Inch) pro Minute oder 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde. Um dieses Beispiel zu praktizieren, könnte jede für die Erfindung geeignete Superlegierung ausgewählt werden, wie etwa Rene 41. Rene 41 hat eine Solidustemperatur von etwa 1315,6ºC (2400ºF) und eine Liquidustemperatur von etwa 1371,1ºC (2500ºF). Die Zusammensetzung dieser Legierung ist etwa 55 Prozent Nickel, 11 Prozent Cobalt, 19 Prozent Chrom und 10 Prozent Mo. Die Vorgehensweisen für die Herstellung der Form und für das Erhitzen der Form im Ofen sind oben beschrieben.
Rene 41 würde wahrscheinlich bei einer überhitzten Temperatur von mehr als etwa 1398,9ºC (2550ºF) gegossen werden. Die Form würde in einem Ofen erhitzt werden, wie etwa demjenigen, der in Fig. 9 veranschaulicht ist, so daß die obere Hälfte des Abschnittes der Form, der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes definiert, auf so nah wie möglich an der Liquidustemperatur erhitzt wird, wie etwa Erhitzen dieses Abschnittes der Form auf eine Temperatur von mehr als etwa 1343,3ºC (2450ºF). Das geschmolzene Rene 41 würde dann in die Form gegossen werden. Danach könnte die Form aus dem Ofen mit einer Geschwindigkeit zurückgezogen werden, die annähernd etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde beträgt. Diese Vorgehensweise sollte immer noch ein Teil liefern, das im wesentlichen frei von Defekten ist, bestimmt durch radiographische Analyse. Eine Schlüsselüberlegung bei der Erhöhung der Zurückziehgeschwindigkeit der Form auf Geschwindigkeiten, die annähernd 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde betragen, scheint das Erhitzen der oberen Hälfte des Abschnittes der Form, der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes definiert, auf eine Temperatur, die nahe der Liquidustemperatur ist, oder weniger als etwa 27,8ºC (50ºF) weniger als die Liquidustemperatur, zu sein.

F. Bestimmung der G/R-Verhältnisse

Das Verhältnis des Temperaturgradienten (G) zur Erstarrungsgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit der Ofenzurückziehung (R) [G/R-Verhältnis] liefert einen wichtigen Indikator zur Bestimmung einer annehmbaren Erstarrungsgeschwindigkeit zum Gießen einer bestimmten Metallzusammensetzung. Das Konzept des G/R-Verhältnisses ist den Fachleuten bekannt und auch in U.S.-Patent Nr. 4,724,891, das hierin durch Bezugnahme miteinbezogen ist, kurz beschrieben. Das '891-Patent liefert jedoch keine spezifische Bezugsstelle für das Gießen von langen und dünnen Metalldichtungen. Es ist nunmehr bestimmt worden, daß das Gießen von Metallteilen gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erleichtert wird, daß das Metallteil in solcher Weise gegossen wird, daß sichergestellt ist, daß das G/R-Verhältnis von etwa 100 bis etwa 11000 liegt und bevorzugter von etwa 450 bis etwa 11000.

BEISPIEL 6

Dieses Beispiel beschreibt ein Verfahren, das verwendet wurde, um das G/R-Verhältnis zu messen. Eine Form wurde zunächst hergestellt, wie oben beschrieben, die in der Form einer gewünschten Dichtung konfiguriert war, wie etwa Dichtung 10. Thermoelemente wurden innerhalb der Form in verschiedenen Höhen angeordnet. Die Thermoelemente wurden mit einer Kontrolleinheit verbunden, die die Temperatur jedes Thermoelements in Ein-Sekunden- Intervallen registriert. Diese Temperaturen wurden während des Ofenzurückziehungsvorganges aufgezeichnet.
Die Form wurde vorgeheizt, wie oben beschrieben, und anschließend wurde eine überhitzte Cobalt-Chrom-Legierung, MAR-M-509 (10 Prozent Ni, 23,5 Prozent Cr und 55 Prozent Cobalt), aus dem Eingußtrichter zur Form zugegeben. MAR-M-509 hat eine Solidustemperatur von etwa 1305ºC (2381ºF) und eine Liquidustemperatur von etwa 1419,4ºC (2587ºF). Nachdem das Metall gegossen war, wurde der Ofen von um die Form herum unter Verwendung einer Ofenzurückziehungsgeschwindigkeit von etwa 0,64 cm (0,25 Inch) pro Minute zurückgezogen. Die Form begann danach abzukühlen und Ablesungen von den Thermoelementen wurden aufgezeichnet. Diese Ablesungen wurden während des gesamten Erstarrungsprozesses fortgesetzt. Wenn das Metall erst einmal zu erstarren beginnt, d. h. wenn die Temperatur des Metalles beginnt, sich der Solidustemperatur zu nähern, dann wird das Kontrollieren des G/R-Verhältnisses wichtiger, um eine gegossene Metalldichtung zu erhalten, die im wesentlichen frei von Defekten ist.
Für das vorliegende Beispiel ist die Solidustemperatur etwa 1289,9ºC (2370ºF). Wenn man sich dieser Temperatur annähert, wurden die Temperaturen für jedes der Thermoelemente in Ein-Sekunden-Intervallen aufgezeichnet. Wenn diese Daten erst einmal gesammelt worden sind, wurden die G/R-Verhältnisse berechnet. Diese Berechnung ist den Fachleuten bekannt.
Durch Einsatz der Vorgehensweise, die in Beispiel 4 beschrieben ist, um Metallteile zugießen, ist bestimmt worden, daß ein G/R-Verhältnis von mehr als etwa 100, vorzugsweise mehr als etwa 450 und typischerweise von etwa 450 bis 11000, ein gegossenes Metallteil liefert, das im wesentlichen frei von Defekten ist, bestimmt durch radiographische Analyse. Fachleute werden verstehen, daß die Erstarrungsgeschwindigkeit durch die Zurückziehgeschwindigkeit des Ofens (oder alternativ die Zurückziehgeschwindigkeit der Form aus dem Ofen) beeinflußt wird. Somit sinkt, wenn die Zurückziehgeschwindigkeit sinkt, auch der Wert für R, was den Wert des G/R-Verhältnisses erhöht. Wenn jedoch erst einmal ein bestimmtes G/R- Verhältnis überschritten ist, wird das Metall unerwünschterweise in einer Stängelkornstruktur erstarren statt in einer gleichachsigen Kornstruktur. Obgleich dieses bestimmte G/R- Verhältnis auf der Grundlage von z. B. der Legierungszusammensetzung und der Konfiguration des gegossenen Metallteiles variieren kann, ist festgestellt worden, daß das Gießen langer und dünner Metallteile mit einer gleichachsigen Kornstruktur durch Maximieren des G/R- Verhältnisses unterhalb eines Wertes von etwa 11000 erleichtert wird.

G. Schlußfolgerung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges und verbessertes Verfahren zum Gießen eines Metallteils, das lang und dünn ist, oder das einen langen dünnen Abschnitt aufweist, und eine gleichachsige Kornstruktur. Das Teil wird in einem Formhohlraum mit einer Konfiguration gegossen, die der Konfiguration des Teiles entspricht. Der Teileformhohlraum ist frei von Einläufen und Steigern zwischen gegenüberliegenden Enden des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes. Somit gibt es keine Einläufe oder Steiger entlang der Länge des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes.
Die Form wird so vorgeheizt, daß eine untere Hälfte des Abschnittes der Teileform, in der der lange dünne Abschnitt des Teils gegossen wird, bei einer Temperatur liegt, die nahe der Solidustemperatur des Metalls des Teiles ist, aber niedriger. Die obere Hälfte des Teiles der Form, in dem der lange dünne Abschnitt des Teiles gegossen wird, wird auf eine Temperatur erhitzt, die nahe der Liquidustemperatur des Metalles liegt. Geschmolzenes Metall wird in dem Teileformhohlraum durch einen Einlaß von einem Einlauf oder Angußverteiler am oberen Ende des Teileformhohlraums zugeführt und erstarrt mit einer gleichachsigen Kornstruktur (Fig. 3). Falls gewünscht, könnte ein zweiter Einlauf am unteren Ende der Teileform vorgesehen sein.
Das geschmolzene Metall in der unteren Hälfte des Abschnittes des Formhohlraumes, in dem der lange dünne Abschnitt des Teiles gegossen wird, ist vollständig erstarrt, bevor das geschmolzene Metall in der oberen Hälfte des Abschnittes des Formhohlraumes vollständig erstarrt ist. G/R-Verhältnisse von mehr als etwa 100, vorzugsweise mehr als etwa 450, erleichtern das Erhalten eines gegossenen Metallteils, das im wesentlichen frei von Defekten ist. G/R-Verhältnisse innerhalb dieses Bereiches werden durch Verwendung von Ofenzurückziehgeschwindigkeiten von etwa 19,05 cm (7,5 Inches) pro Stunde bis etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde erzielt. Während des Erstarrens des geschmolzenen Metalls mit einer gleichachsigen Kornstruktur werden Verringerungen im Volumen des Metalls dadurch kompensiert, daß das Metall zum langen dünnen Abschnitt des Teileformhohlraumes durch den Einlaß zugeführt wird, durch den am Anfang geschmolzenes Metall zum langen dünnen Abschnitt des Teileformhohlraumes zugeführt wurde.
Obgleich die Prinzipien der Erfindung in mehreren bevorzugten Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, sollte den Fachleuten klar sein, daß die Erfindung in Anordnung und Detail modifiziert werden kann, ohne von den Ansprüchen abzuweichen. Wir beanspruchen alle Modifikationen, die in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Verfahren zum Gießen eines Metallteiles (10), welches die Schritte umfaßt: Herstellen einer Form (38) mit einem Formhohlraum, wobei der Formhohlraum einen langen dünnen Abschnitt aufweist, der eine Länge von mehr als etwa 0,1 m (4 Inches) besitzt und der wenigstens das Zwanzigfache seiner Dicke ist, wobei der lange Abschnitt des Formhohlraumes entlang seiner Länge frei von Einläufen ist; Positionieren der Form in einem Ofen (68), so daß der Ofen (68) die Form (38) im wesentlichen umschließt und eine Längsachse des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes senkrecht ausgerichtet ist; Erhitzen der Form (38) mit dem Ofen (68), wobei der Schritt des Erhitzens der Form (38) das Erhitzen einer unteren Hälfte (82) des Abschnittes der Form (38), der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes definiert, bis in einen ersten Temperaturbereich hinein und das Erhitzen einer oberen Hälfte (84) des Abschnittes der Form (38), der den langen dünnen Abschnitt der Form (38) definiert, bis in einen zweiten Temperaturbereich hinein einschließt, wobei die höchste Temperatur des ersten Temperaturbereiches nahe der Solidustemperatur des Metalles liegt, aber niedriger; Zuführen von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum an einer anderen Stelle (48) als entlang der Länge des langen dünnen Abschnittes des Formhohlraumes, während die untere Hälfte (82) des Abschnittes der Form (38), der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes definiert, sich im ersten Temperaturbereich befindet und während die obere Hälfte (84) des Abschnittes der Form (38), der den langen dünnen Abschnitt des Teileformhohlraumes definiert, sich im zweiten Temperaturbereich befindet; Erstarrenlassen des geschmolzenen Metalls im Teileformhohlraum mit einer gleichachsigen Kornstruktur; und dadurch gekennzeichnet, daß die höchste Temperatur des zweiten Temperaturbereiches innerhalb von 83, 3ºC (150ºF) der Liquidustemperatur des Metalles liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Superlegierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Nickel-Chrom-Superlegierungen, Cobalt-Chrom-Superlegierungen und Eisen-Chrom-Superlegierungen besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Cobalt-Chrom- Superlegierung ist und das Teil eine Dichtung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die höchste mittlere Temperatur im ersten Bereich niedriger als etwa 1260ºC (2300ºF) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalllegierung eine Cobalt-Chrom-Superlegierung mit von etwa 45 bis 75 Gewichtsprozent Cobalt und einer Liquidustemperatur von etwa 1416ºC (2580ºF) ist, wobei der Schritt des Erhitzens der Form (42) bis in einen zweiten Temperaturbereich hinein das Erhitzen der Form (42) auf eine Temperatur von etwa 1357ºC (2475ºF) umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erstarrenlassens des Metalls das Zurückziehen des Ofens (68) von um wenigstens denjenigen Teil der Form (42) herum, der den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Formhohlraumes (38) definiert, mit einer Geschwindigkeit, die niedriger ist als 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde, einschließt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erstarrenlassens des Metalls das Zurückziehen des Ofens (68) von um wenigstens denjenigen Teil der Form (42) herum, der den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Formhohlraumes (38) definiert, mit einer Geschwindigkeit, die niedriger ist als 38,1 cm (15 Inches) pro Stunde, einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erstarrenlassens des Metalls das Zurückziehen des Ofens (68) von um den gesamten Abschnitt der Form (42) herum, der den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Formhohlraumes (38) definiert, mit einer Geschwindigkeit, die von etwa 17,8 cm (7 Inches) pro Stunde bis etwa 76,2 cm (30 Inches) pro Stunde beträgt, einschließt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Cobalt-Chrom- Superlegierung mit einer Solidustemperatur von etwa 1299ºC (2370ºF) und einer Liquidustemperatur von etwa 1416ºC (2580ºF) ist, wobei der Schritt des Zuführens von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum (38) das Zuführen einer überhitzten geschmolzenen Cobalt-Chrom-Superlegierung in den Formhohlraum (38) einschließt, der Schritt des Erhitzens einer unteren Hälfte (82) des Abschnittes der Form (42), der den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Formhohlraums (38) definiert, das Erhitzen der unteren Hälfte (82) des Abschnittes der Form (42), der den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Formhohlraumes (38) definiert, einschließlich des Erhitzens der unteren Hälfte (82) des Abschnittes (42), der den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Teileformhohlraums (38) definiert, auf eine mittlere Temperatur von weniger als 1260ºC (2300ºF) einschließt und das Erhitzen einer oberen Hälfte (84) des Abschnittes der Form (42), der den langen dünnen Abschnitt des Formhohlraumes (38) definiert, auf eine mittlere Temperatur von etwa 1357ºC (2475ºF).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erstarrenlassens des Metalls den Schritt des Zurückziehens des Ofens (68) von um die Form (42) herum mit einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 38,1 cm (15 Inches) pro Stunde einschließt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum (38) das Zuführen von geschmolzenem Metall in den langen dünnen Abschnitt (82, 84) des Formhohlraumes (38) an nur einem Ende des langen dünnen Abschnittes (82, 84) des Formhohlraumes (38) einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erstarrenlassens des Metalls den Schritt des Zurückziehens des Ofens (68) mit einer Geschwindigkeit einschließt, die so ausgewählt ist, daß sie ein G/R-Verhältnis von mehr als etwa 450 bereitstellt.