DE69704722T2

DE69704722T2 - Erstarrung eines Anbauteils eines Körpers aus einer Schmelze unter Verwendung einer keramischen Giessform

Info

Publication number: DE69704722T2
Application number: DE69704722T
Authority: DE
Inventors: Bernard Patrick Bewlay; Wayne Alan Demo; Stephen Joseph Ferrigno; Melvin Robert Jackson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2017-01-15
Also published as: EP0785039A3; DE69704722D1; EP0785039A2; EP0785039B1; JP4191267B2; US5904201A; JPH09295104A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung einer integralen Verlängerung auf einem Ende von einem Gegenstand. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verlängerung mit einer kompatiblen Legierungszusammensetzung auf einem Ende von einem Gegenstand mit einer direktional orientierten Mikrostruktur und einer Superlegierungs-Zusammensetzung, und noch weiterhin insbesondere auf ein derartiges Verfahren, bei dem ein Ende von dem Gegenstand als ein Wachstumskeim für die gerichtete Erstarrung der Verlängerung direkt aus einer geschmolzenen Legierung verwendet wird, unter Verwendung einer keramischen Form, um die Verlängerung zu formen. Dieses Verfahren kann benutzt werden, um die Spitzen von stromlinienförmigen Schaufelteilen zu reparieren, wie beispielsweise TurbinenleitfLaufschaufeln und auch Schaufeln/Düsen und nicht-stromlinienförmigen Gegenständen, wie beispielsweise Turbinenmäntel und Brennerschindeln.
Die berichtete Technologie zum Wachsen direktional orientierter Gussstrukturen aus Superlegierungen hat sich aus Prozessen, die zum Herstellen einfacher Formen und Teile geeignet sind, und aus Prozessen entwickelt, die gegenwärtig zum Formen von Gegenständen verwendet werden, die komplexe Formen haben, wie beispielsweise die gerichtete Erstarrung von Schaufelteilen aus Ni-Basis-Superlegierung, die in den heißen Abschnitten von Gasturbinentriebwerk verwendet werden. Die publizierte Literatur, wie beispielsweise Metals Handbook, 9. Ausgabe, Band 15, Casting, ASM International (1988), Seiten 319-323, hat viele Beispiele von Verfahren zum Herstellen direktional orientierter Superlegierungs-Schaufelteile, wie beispielsweise Turbinenlauf und Leitschaufeln. Die meisten dieser Verfahren verwenden eine gewisse Form von einem Herauszieh-Vakuuminduktions-Gießofen mit Formsuszeptorerwärmung.
In der Gießtechnik zum Erzeugen direktional orientierter Superlegierungen ist ein geschmolzenes Material, wie beispielsweise ein Metall, in einem geschlossenen Behälter mit einem Strömungsmitteldruck, wie beispielsweise einem Inertgas oder Luft, beaufschlagt worden, um das geschmolzene Material nach oben durch ein Rohr zu drücken. Ein Patent, das ein derartiges Verfahren und eine zugeordnete Einrichtung beschreibt, ist das US-Patent 3,302,252, das sich auf kontinuierliches Gießen von einem Gegenstand nach oben durch ein Gießrohr in eine gekühlte Form bezieht. Der gegossene Gegenstand wird kontinuierlich aus der Form herausgezogen.
Ein anderer Teil der Gießtechnik wird gelegentlich als das "EFG" (Edge-defined, Film-fed Growth)-Verfahren bezeichnet. In diesem Verfahren wird kein äußerer Druck auf ein flüssiges Material ausgeübt, sondern es beruht auf der Kapillarwirkung in einem engen Formrohr oder Gesenk, um das flüssige Material für eine Erstarrung nach oben zu ziehen. Häufig wird ein Keimkristall in die Flüssigkeit eingeführt, um das Kristallwachstum einzuleiten. Typische Patente, die Merkmale von diesem Verfahren offenbaren, umfassen die US-Patente 3,471,266, 4,120,742 und 4,937,053.
In einigen dieser oben angegebenen Patente und an anderen Stellen in der Gießtechnik, die sich auf die Bildung von direktional erstarrten oder Einkristall-Gegenständen beziehen, sind Keimkristalle mit gewählten Kristallorientierungen (primäre und/oder sekundäre Orientierungen) verwendet worden. Diese bilden ein Mittel zum Initiieren der Erstarrung von einem Gegenstand mit einer gewünschten Kristallorientierung. Bei der Bildung von Schaufelteilen werden diese Keimkristalle auch in Verbindung mit Gießformen, wie beispielsweise keramischen Formen, verwendet, um die Form und Kristallorientierung des Teils zu definieren.
Bisher hat das Verbinden von Komponenten von Gegenständen aus Einkristall oder mit direktional erstarrtem langgestrecktem Korn, zum Beispiel Turbomaschinenschaufeln, die Verwendung von getrennt gegossenen Teilen mit gewählter Kristallorientierung beinhaltet. Derartige Teile werden über eine Grenzfläche zwischen den Teilen zu einem Gegenstand zusammengesetzt und gebondet. US-Patente 3,967,355 und 4,033,792 sind Beispiele für Patente, die sich auf diesen Typ des Bondens beziehen, und das '792 Patent beschreibt den Wunsch des Anpassens der Kristallstrukturen über der Bindungs-Grenzfläche.
Durch Verwenden der oben beschriebenen Gießtechnologie kann ein direktional orientierter Gegenstand, wie beispielsweise ein Schaufelteil, als ein Einkristall oder mit einer direktional erstarrten Kristallstruktur gebildet werden, die mehrere säulenförmige Körner aufweist. Sowohl Gegenstände aus Einkristallen als auch direktional erstarrte Gegenstände können mit bevorzugten Kristallorientierungen gebildet werden, und diese Orientierungen können in Komponenten ausgebildet werden, um so nicht-isotrope, Orientierungsbezogene physikalische und mechanische Eigenschaften entlang gewissen Richtungen innerhalb der Komponente zu erzeugen. Die gewünschte Kristallorientierung in Nickelbasis-Superlegierungen, die häufig für Turbinentriebwerkskomponenten, wie beispielsweise Schaufelteilen, verwendet werden, ist diejenige, daß die < 001> kristallografischen Richtung parallel zur Längsachse des Teils ist, um so den Elastizitätsmodul entlang der Länge des Teils zu minimieren. Es ist bekannt, dass diese Orientierung für ein gutes Gleichgewicht der Kriechfestigkeit, Duktilität und thermischen Ermüdungsbeständigkeit dieser Komponenten sorgt. Somit werden diese Teile, wie es hier beschrieben wird, so geformt, dass die < 001> Richtung die Wachsrichtung ist und der Längsachse des Teils entspricht.
Ein Beispiel für ein Schaufelteil mit einer komplexen Form der oben beschriebenen Art ist die Turbomaschinenschaufel, die in dem US-Patent 4,010,531 beschrieben ist. Ein derartiges Schaufelteil weist eine stromlinienförmige äußere Wand mit einem komplexen hohlen Innenraum auf, der mit einem Endbereich in Verbindung steht, so dass Gase von dem hohlen Innenraum durch die äußere Wand und den Endbereich hindurch zu Kühlzwecken umgewälzt werden können, wobei der Endbereich eine Spitze aufweist, die von dem Ende des Teils ausgeht.
Stromlinienförmige Schaufelteile und andere Komponenten von einem Gasturbinentriebwerk werden häufig in extremen Umgebungen verwendet, wo sie einer Vielfalt von mit den Umgebungsbedingungen in Beziehung stehenden Beschädigungs- und Verschleißmechanismen ausgesetzt sind, die umfassen: Erosion durch Aufprall von eine hohe Geschwindigkeit und/oder hohe Temperatur aufweisenden, Luft-getragenen Teilchen, eine hohe Temperatur aufweisende oxidierende und/oder korrosive Gase, Langzeit-Ermüdungsprozesse und mechanischer Abrieb, der durch Reiben gegen andere Teile bewirkt wird. Diese Mechanismen bewirken bekanntlich Rissbildung oder andere Beschädigung, insbesondere in den Endbereichen oder Spitzen der Schaufelteile. Da die Fertigungskosten für Schaufelteile üblicherweise relativ hoch sind, ist es häufig wünschenswert, sie zu reparieren anstatt sie auszutauschen, nachdem die Spitzen beschädigt oder abgenutzt worden sind. Wenn Superlegierungs-Schaufelteile oder andere Superlegierungs-Gegenstände mit einer direktional orientierten Mikrostruktur in der Spitze oder dem verlängerten Endbereich beschädigt worden sind, ob nun im Betrieb oder während der Fertigung, wird das Problem ihrer Reparatur noch komplizierter und schwieriger aufgrund der Notwendigkeit, physikalische und mechanische Eigenschaften in dem reparierten Abschnitt beizubehalten, die die gesamte Leistungsfähigkeit der Komponente nicht verschlechtern. Dieses Reparaturproblem wird besonders akut, wenn eine direktional orientierte Mikrostruktur in dem reparierten Abschnitt beibehalten werden muss, wie es häufig in direktional orientierten Gegenständen, wie beispielsweise stromlinienförmigen Abschnitten, wünschenswert ist aufgrund der Schwierigkeit, die ursprüngliche direktionale Orientierung in den Materialien nachzubilden, die zum Herstellen der Reparaturen verwendet wurden.
Ein Verfahren, das zur Reparatur von Turbinenschaufelspitzen verwendet worden ist, bestand darin, Material zu dem beschädigten oder abgenutzten Abschnitt der Spitze durch Schweißen oder ähnliche Verfahren hinzuzufügen. Ein Nachteil von diesen Verfahren besteht darin, dass die Mikrostruktur der Schweißung nicht direktional orientiert ist, und somit sind die mechanischen Eigenschaften der Spitze oder Verlängerung verschlechtert im Vergleich zu dem Rest der direktional orientierten Mikrostruktur des Gegenstandes. Außerdem sind die meisten gegenwärtigen oxidationsbeständigen Materialien schwer zu schweißen, und es ist bekannt, dass sie während des Schweißverfahrens reißen.
Ein anderes Verfahren bestand darin, getrennt geformte Spitzen zu dem Ende von einem stromlinienförmigen Abschnitt durch Löten, Schweißen, Difluisionsbonden oder ähnliche Bindeverfahren hinzuzufügen. Dieses Verfahren ist beispielsweise in den US-Patenten 3,967,355, 4,010,531 und 4,033,792 beschrieben. Bei Verwendung dieser Verfahren ist es gelegentlich wünschenswert, eine Kristallstruktur in der Spitze zu bilden, die ähnlich derjenigen von dem Rest des stromlinienförmigen Abschnittes ist, und eine Mikrostruktur in der Bindung zu entwickeln, die mit den Mikrostrukturen von sowohl der Spitze als auch dem Rest des stromlinienförmigen Abschnittes kompatibel ist.
US-Patente 5,291,937 und 5,304,039, die beide auf die Rechtsnachfolgerin dieser Erfindung übertragen sind, beschreiben auch zwei Verfahren zum Herstellen einer Verlängerung auf dem Ende von einem direktional erstarrten Gegenstand, wie beispielsweise einem Schaufelteil. Diese Verfahren verwenden beide ein Gesenk und eine Gesenkverlängerung, die aus keramischen Materialien hergestellt sind, und beinhaltet die Beaufschlagung eines Fluiddruckes, um ein geschmolzenes Material in die Gesenkverlängerung zu drücken. Das Gegenstandsende, auf dem die Verlängerung ausgebildet werden soll, wird dann in die Gesenköffnung und die Gesenkverlängerung und in Kontakt mit dem geschmolzenen Material gebracht. Das Gegenstandsende wird dann für eine ausreichende Zeit mit dem geschmolzenen Material in Kontakt gehalten, damit das Gegenstandsende mit dem geschmolzenen Material in Wechselwirkung tritt, woraufhin der Gegenstand durch die Gesenköffnung mit einer Geschwindigkeit herausgezogen wird, die eine gerichtete Erstarrung von einer Verlängerung auf dem Ende des Gegenstandes gestattet. Es wird eine Beschreibung gegeben, wie diese Verfahren verwendet werden können, um Schaufelteile zu reparieren, insbesondere deren Endbereiche und verlängerten Spitzen.
US-Patent 5,193,272 beschreibt ein Verfahren zur Reparatur von Einkristall-Schaufeln, bei dem ein fehlerfreier Abschnitt der Schaufel in einen offenen Boden von einer Gießform in Verbindung mit einer Gießkammer in der Form eingesetzt wird, die an die Form der Schaufel angepasst ist. Das geschmolzene Metall wird dann in die Form gegossen, um sich mit dem fehlerfreien Abschnitt zu vereinigen.
Es ist jedoch wünschenswert, andere Verfahren zum Ausbilden von Verlängerungen auf den Enden von direktional erstarrten Gegenständen zu entwickeln, wie beispielsweise Schaufelteilen, insbesondere Verfahren, die nicht die in den angegebenen Patenten beschriebene Einrichtung erfordern, wie beispielsweise das keramische Gesenk und die Gesenkverlängerung, und die Einrichtung zum Beaufschlagen mit Strömungsmitteldruck, um das geschmolzene Material in das Gesenk zu drücken.
Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Verlängerung auf einem Ende von einem Superlegierungs-Gegenstand mit einer direktional orientierten Mikrostruktur, wie beispielsweise einem Schaufelteil oder einer anderen Gasturbinentriebwerkskomponente oder einem anderen Superlegierungs- Gegenstand, direkt aus einem Schmelzbad aus einem kompatiblen Legierungsmaterial, vorzugsweise einem Superlegierungs-Material. Der Gegenstand kann auch innere Kanäle haben, die durch das Ende des Gegenstandes kommunizieren, auf dem die Verlängerung anzufügen ist. Eine durch dieses Verfahren gebildete Verlängerung kann eine Mikrostruktur von epiaxialen Körnern haben, eine direktional orientierte Kristallstruktur, die mehrere Körner oder einen Einkristall aufweist. Ferner kann das Verfahren verwendet werden, um für ein epitaxiales Wachstum von einer Verlängerung zu sorgen, so dass die direktional orientierte Kristallstruktur des Gegenstandes sich in die Verlängerung hinein fortsetzt. Eine durch dieses Verfahren gebildete Verlängerung wird dadurch hergestellt, dass ein Gegenstand aus einer direktional orientierten Superlegierung in ein Schmelzbad aus einer kompatiblen Legierung getaucht wird, woran sich eine Erstarrung der Verlängerung durch gesteuertes Herausziehen des Gegenstandes anschließt. Das Verfahren verwendet auch eine keramische Form auf dem eingetauchten Abschnitt von dem Gegenstand, die zum Teil zur Steuerung der Form der Verlängerung dient.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Erfindung kurz und allgemein als ein Verfahren zur Herstellung einer integralen Verlängerung auf einem Gegenstand beschrieben werden, enthaltend die Schritte: Wählen eines Gegenstandes mit einem Verlängerungsende, das eine Querschnittsform, eine Verlängerungsbindefläche und eine äußere Fläche aufweist, die durch die Querschnittsform definiert ist, wobei das Verlängerungsende auch eine Mikrostruktur hat, die eine Superlegierungszusammensetzung und eine direktional orientierte Kristallstruktur aufweist; Befestigen eines Dorns an der Verlängerungsbindefläche, wobei der Dorn eine Querschnittsform, die mit der Querschnittsform des Verlängerungsende kompatibel ist, und eine äußere Fläche hat, die mit der äußeren Fläche von dem Verlängerungsende in Verbindung steht; Formen einer keramischen Form über der äußeren Fläche von dem Dorn und wenigstens einem Teil der äußeren Fläche von dem Verlängerungsende, wobei die Form eine Formkammer mit einer Form hat, die durch den Dorn definiert ist und die in der Lage ist, die Form von einer integralen Verlängerung zu definieren, wobei die Form wenigstens eine Steuervorrichtung hat, die mit der Formkammer in Verbindung steht; Entfernen des Dornes; Tauchen des Verlängerungsendes des Gegenstandes in ein Bad von einem geschmolzenen Material mit einer Legierungszusammensetzung, die mit der Zusammensetzung der Superlegierung des Gegenstandes kompatibel ist, so daß das geschmolzene Material durch die Steuervorrichtung hindurch in die Form eintritt und mit der verlängerungsbindefläche in Kontakt kommt; Halten der Verlängerungsbindefläche in Kontakt mit dem geschmolzenen Material für eine ausreichende Zeit, damit ein Teil der Verlängerungsbindefläche von dem geschmolzenen Material erhitzt und mit dem geschmolzenen Material als ein Mikrostruktur-Wachstumskeim in Wechselwirkung treten kann; und Herausziehen des Verlängerungsendes aus dem geschmolzenen Material unter gesteuerten thermischen Bedingungen und mit einer Geschwindigkeit, die bewirkt, daß das geschmolzene Material auf dem Wachstumkeim an einer Grenzfläche zwischen ihnen als eine integrale Verlängerung erstarrt, die mit der Form der Formkammer übereinstimmt und eine Mikrostruktur hat, die mit der Mikrostruktur des Verlängerungsdendes kompatibel ist, wobei die gesteuerten thermischen Bedingungen enthalten, dass ein Temperaturgradient in dem Gegenstand so aufrecht erhalten wird, dass die Temperatur an der Grenzfläche am höchsten ist und innerhalb des Gegenstandes als eine Funktion des zunehmenden Abstandes von der Grenzfläche abnimmt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann eine vorgeformte keramische Form verwendet werden, anstatt dass die keramische Form in situ gebildet wird, was das Erfordernis zum Befestigen und Herausziehen eines Dornes eliminiert.
Eine Steuerung des Temperaturgradienten während der Erstarrung der Verlängerung gestattet eine Steuerung der entstehenden Mikrostruktur der Verlängerung. Beispielsweise zum Formen einer Mikrostruktur, die mehrere direktional erstarrte Körner oder eine Einkristall- Mikrostruktur aufweist. Eine zusätzliche Steuerung über den Temperaturgradienten während der Erstarrung kann in diesem Verfahren dadurch erreicht werden, dass die zusätzlichen Schritte des Erwärmens und/oder Kühlens des Gegenstandes während des Wachsens des Gegenstandes angewendet werden.
Es werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Fließbild ist, das das VerFahren gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 2A, 2B und 2C Schnittbilder sind, die die Schritte des Befestigens des Dorns, des Formens der keramischen Form bzw. des Herausziehens des Dorns gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellen;
Fig. 3A ein Schnittbild von einer Einrichtung ist, die zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichtet ist, und den Schritt darstellt, dass ein Gegenstand in einem Bad aus geschmolzenem Superlegierungsmaterial gehalten wird;
Fig. 3B eine Schnittansicht von der Einrichtung gemäß Fig. 3A ist und den Schritt gemäß der Erfindung zeigt, dass der Gegenstand aus der geschmolzenen Superlegierung herausgezogen wird;
Fig. 4 eine aufgeschnittene Darstellung von einer Turbinenschaufel für ein Turbinentriebwerk ist, die das Verlängerungsende oder die Schaufelspitze aufweist;
Fig. 5 eine schematische Teilansicht von einem reparierten stromlinienförmigen Abschnitt ist, der mit einer Verlängerung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet ist, mit einer Anzahl von langgestreckten Körner gezeigt ist;
Fig. 6 eine schematische Teilansicht von dem Schaufelspitzenabschnitt von einem Beispiel einer luftgekühlten Turbinenschaufel ist;
Fig. 7 eine Schnittansicht von einem Teil der Schaufelspitze gemäß Fig. 6 ist, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie 7-7 gelegt ist;
Fig. 8, 9 und 10 schematische Schnittansichten sind, die ein Ausführungsbeispiel der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen teilweise hohlen Gegenstand darstellen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein neues Verfahren, durch das eine Verlängerung direkt auf ein Ende von einem direktional orientierten Superlegierungs-Gegenstand aufgewachsen werden kann durch Erstarrung der Verlängerung aus einem geschmolzenen Bad eines Superlegierungsmaterials. Das Verfahren verwendet auch eine keramische Form, um das Formen der Form der Verlängerung zu unterstützen. Durch Verwendung des Gegenstandes selbst als ein Keim oder ein Mittel zum Einleiten des Wachstums kann das Verfahren verwendet werden, um eine Verlängerung mit einer Kristallstruktur und einer gesamten Mikrostruktur zu schaffen, die mit derjenigen des Gegenstandes kompatibel und mit dieser zusammenhängend ist, einschließlich einer Verlängerung mit einer Mikrostruktur, die von der metallurgischen Struktur des Gegenstandes, aus der die Verlängerung gewachsen ist, im allgemeinen nicht unterscheidbar ist. Das Verfahren kann verwendet werden, um neue Verlängerungen auf derartigen Gegenständen herzustellen oder bestehende Verlängerungen zu reparieren oder auszutauschen. Während es potentiell bei einer breiten Vielfalt von Gegenständen brauchbar ist, ist das Verfahren gemäß der Erfindung besonders nützlich bei der Bereitstellung einer Verlängerung auf einem Gegenstand mit einem hohlen Innenraum und Öffnungen oder Kanälen, die mit dem hohlen Innenraum durch das Ende hindurch in Verbindung stehen, auf dem die Verlängerung ausgebildet ist. Somit ist dieses Verfahren besonders brauchbar beim Formen oder Reparieren der Spitzen von stromlinienförmigen Schaufelteilen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln.
Wie er hier verwendet wird, soll der Begriff "Kristallstruktur" die gesamte Kristall-Morphologie bedeuten, wie beispielsweise Einkristall, viele langgestreckte Körner und andere Kristallformen und deren Orientierungen. Die Begriffe "direktional orientiert", "direktionale Orientierung" oder ähnliche Begriffe beziehen sich auf stark orientierte Kristallstrukturen einschließlich direktional erstarrten polykristallinen Strukturen, die eine Anzahl von langgestreckten Körnern aufweisen, und Einkristalle. Der Begriff "metallurgische Struktur", wie er hier verwendet wird, soll solche Charakteristiken einschließen, wie gesamte chemische oder Legierungszusammensetzung und die Größe, Form, Abstand und Zusammensetzung von Präzipitaten, Phasen, Einschlüssen, Dendriten usw. innerhalb der Kristallstruktur. Beispielsweise enthalten Ni-Basis- Superlegierungen, die gegossen und direktional erstarrt sind, im allgemeinen Gamma-Strich- Präzipitate, im Abstand angeordnete Dendritearme und verschiedene andere unterscheidbare Phasen, wie beispielsweise verschiedene Karbid- und Karbonnitrid-Phasen. Die Kristallstruktur und metallurgische Struktur kann durch eine Vielfalt von bekannten und breit verwendeten analytischen Techniken ermittelt und identifiziert werden einschließlich chemischer oder spektrographischer Analysen und verschiedener Röntgen-, mikroskopischer und photomikrographischer Verfahren. Der Begriff "Mikrostruktur", wie er hier verwendet wird, umfasst sowohl die Kristallstruktur als auch die metallurgische Struktur.
Wie in den Fig. 1, 2A-C und 3A-B dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer integralen Verlängerung auf einem Gegenstand, enthaltend die Schritte (siehe Fig. 1): Wählen 100 eines Gegenstandes 2, der ein Verlängerungsende 4 mit einer Querschnittsform (nicht gezeigt), einer Verlängerungsbinde- bzw. -wachstumsfläche 6 und einer äußeren Fläche 8 aufweist, die durch die Querschnittsform definiert ist, wobei das Verlängerungsende 4 auch eine Mikrostruktur hat, die eine Superlegierungs-Zusammensetzung und eine direktional orientierte Kristallstruktur 10 aufweist; Befestigen 200 eines Dorns 12 an der Verlängerungsbindefläche 6 (siehe Fig. 2A), wobei der Dorn 12 eine Querschnittsform, die mit der Querschnittsform von dem Verlängerungsende 4 kompatibel ist, und eine äußere Fläche 14 hat, die mit der äußeren Fläche 8 von dem Verlängerungsende 4 in Verbindung steht; Formen 300 einer keramischen Form 16 über der äußeren Fläche 14 von dem Dorn 12 (siehe Fig. 2B) und wenigstens einem Teil der äußeren Fläche 8 des Verlängerungsendes 4, wobei die Form 16 eine Formkammer 18 mit einer Form hat, die von dem Dorn 12 definiert und in der Lage ist, die Form der integralen Verlängerung 20 zu definieren, wobei die Form 16 wenigstens eine Steuervorrichtung 22 hat, die mit der Formkammer 18 in Verbindung steht; Herausziehen (400) des Dorns 12 (siehe Fig. 2C); Tauchen 500 des Verlängerungsendes 4 des Gegenstandes 2 in ein Bad von einem geschmolzenen Material 26 mit einer Legierungszusammensetzung, die mit der Superlegierungs-Zusammensetzung des Gegenstandes kompatibel ist, so daß das geschmolzene Material 26 durch die Steuervorrichtung 22 hindurch in die Form 16 eintritt und mit der Verlängerungsbindefläche in Kontakt kommt; Halten 600 des Verlängerungsendes in Kontakt mit geschmolzenem Material 26 für eine ausreichende Zeit, damit ein Teil von der Verlängerungsbindefläche 6 erhitzt und mit dem geschmolzenen Material 26 als ein Mikrostruktur-Wachstumskeim in Wechselwirkung treten kann (siehe Fig. 3A); und Herausziehen 700 des Verlängerungsendes 6 aus dem geschmolzenen Material 26 (siehe Fig. 3B) unter gesteuerten thermischen Bedingungen und mit einer Geschwindigkeit, die bewirkt, daß das geschmolzene Material 26 auf dem Wachstumskeim an der Grenzfläche 28 zwischen ihnen als integrale Verlängerung 20 erstarrt, die mit der Form der Formkammer 18 übereinstimmt und eine Mikrostruktur 29 hat, die mit der Mikrostruktur des Verlängerungsendes 4 kompatibel ist, wobei die gesteuerten thermischen Bedingungen umfassen, dass ein Temperaturgradient innerhalb des Gegenstandes 2 so aufrecht erhalten wird, dass die Temperatur an der Grenzfläche 28 am höchsten ist und innerhalb des Gegenstandes 2 als eine Funktion des zunehmenden Abstandes von der Grenzfläche 28 abnimmt.
Der Wählschritt 100 umfasst, dass ein Gegenstand 2 gewählt wird, auf dem eine Verlängerung ausgebildet werden soll. Dies kann Wählen 100 eines neu gefertigten Gegenstandes, der keine Verlängerung hat, oder eines Gegenstandes umfassen, der die Hinzufügung zu oder Modifizierung von einer bestehenden Verlängerung erfordert. Der Schritt kann auch beinhalten, dass ein Gegenstand mit einer bestehenden Verlängerung gewählt wird, der in einer Anwendung benutzt worden ist, wie beispielsweise einem Turbinentriebwerk, und der eine Modifikation, einen Austausch oder eine Reparatur der bestehenden Verlängerung erfordert. Ein Gegenstand 2 gemäß der vorliegenden Erfindung kann viele brauchbare Formen umfassen, aber er kann am allgemeinsten so charakterisiert werden, daß er ein Verlängerungsende 4 hat, auf dem eine integrale Verlängerung 20 mit einer Querschnittsform, einer Verlängerungsbindefläche 6 und einer äußeren Fläche 8 ausgebildet werden soll. In dem Fall von vielen brauchbaren Ausführungsbeispielen von Superlegierungs-Gegenständen 2, wie beispielsweise Gasturbinentriebwerkskomponenten, wird der Gegenstand 2 eine allgemeine longitudinale Orientierung haben, wie beispielsweise um eine Längsachse 30, wie es in den Fig. 3A, 3B und 4 gezeigt ist. Für Gegenstände 2 mit einer longitudinalen Orientierung können sie ferner in der Weise beschrieben werden, dass sie ein Basisende 32, einen Übergangsabschnitt 34 und das Verlängerungsende 4 aufweisen, wie es in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet der Gegenstand 2 einen stromlinienförmigen Abschnitt, wie beispielsweise ein Schaufelteil in der Form von einer Turbinenschaufel 42, wie es in den Fig. 4 und 6 gezeigt ist. Die Turbinenschaufel 42 weist eine Basis oder einen Fuß 44, einen stromlinienförmigen Abschnitt 46 und eine Schaufelspitze 48 auf, die dem Basisende 32, dem Übergangsabschnitt 34 bzw. dem Verlängerungsende 4 entsprechen, wie es in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist. Die Basis 44 kann viele Formen haben, aber im allgemeinen bildet sie eine Vorrichtung zum Befestigen der Schaufel 42 an anderen Abschnitten von einer Triebwerksturbine, wie beispielsweise einer Scheibe oder Schaufelscheibe (Blisk als Akronym für Schaufel und Scheibe). Wo die Schaufel 42 für eine Verwendung mit einer Turbinenscheibe eingerichtet ist, weist sie im allgemeinen Merkmale auf, wie beispielsweise einen Schaft 44A und einen Schwalbenschwanzabschnitt 44B zum Herstellen einer derartigen Befestigung. Die Basis 24 kann auch ein Mittel für eine Kommunikation mit einem hohlen Innenraum aufweisen, der innerhalb des stromlinienförmigen Abschnittes ausgebildet ist, wie beispielsweise inneren Durchlässen oder Kanälen 44C. Der stromlinienförmige Abschnitt 46 der Turbinenschaufel 42 ist gut bekannt und weist im allgemeinen eine konkave Druck-Seitenwand 46A und eine konvexe Saug- Seitenwand 46B, die eine Vorderkante 46C und eine in Sehnenrichtung im Abstand angeordnete Hinterkante 46D verbinden, und eine Schaufelspitze 48 auf, die diese Elemente am äußeren Ende der Schaufel verbindet (siehe Fig. 4 und 6). Der stromlinienförmige Abschnitt 46 hat häufig auch einen teilweise hohlen Innenraum 46E, der mit inneren Kanälen 44C in der Basis 44 in Verbindung steht, um, bei Anwendung, ein Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, aus der Basis 44 in den stromlinienförmigen Abschnitt 46 umzuwälzen. Dieser teilweise hohle Innenraum weist üblicherweise serpentinen- oder labyrintriförmige Kühlkanäle 46F auf, die mit dem Äußeren des stromlinienförmigen Abschnitts 46 durch Kanäle oder Löcher 50 in Verbindung stehen. Die Kühlkanäle 46F sind häufig auch mit einer Endwand 42 in der Form von mehreren kleinen Kanälen 74 oder Löchern durch die Endwand 62 hindurch in Verbindung. Die Kanäle 74 werden auch im Kontext der Verwendung des Gegenstandes 42 in Verbindung mit der Strömung eines Kühlmittels, wie beispielsweise Luft, verwendet. Die Schaufelspitze 48 ist am Ende von dem stromlinienförmigen Abschnitt 46 entfernt von der Basis 44. Gemäß den Fig. 4, 5 und 6 kann die Schaufelspitze 48 massiv sein (Fig. 4) oder sie kann eine Endwand 62 und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rand 58 aufweisen, wobei der Rand 58 üblicherweise in der Größenordnung von 0,51-3,8 mm (0,02-0,15 Zoll) dick ist und sich 0,51- 6,35 mm (0,02-0,25 Zoll) über die äußere Oberfläche von der Endwand 62 hinaus erstreckt, wobei die Dicke und Länge der Verlängerung von mehreren Faktoren abhängt, einschließlich der Gesamtgröße der Schaufel 42 (Gasturbinenschaufeln sind im allgemeinen viel länger als Strahltriebwerksschaufeln) und der Lage der Schaufel 42 innerhalb eines Triebwerks. Größere Schaufeln haben üblicherweise dickere Ränder als diejenigen von kleineren Schaufeln. Die Schaufelspitzen 48 werden häufig im Betrieb abgenutzt oder beschädigt, wie es hier beschrieben wird. Somit kann das Verfahren gemäß dieser Erfindung verwendet werden, um ein Verlängerungsende 4 allgemein oder die Schaufelspitze 48 im Falle der Turbinenschaufel 48 zu reparieren, indem eine integrale Verlängerung 20 hinzugefügt wird, sei es in der Form einer massiven Verlängerung oder der Verlängerung von nur einem in Umfangsrichtung verlaufenden Rand.
In einem gewählten Gegenstand 2 hat das Verlängerungsende 4 eine Querschnittsform, die irgendeine brauchbare Querschnittsform sein kann. Wie es beschrieben wird, ist die Querschnittsform jedoch vorzugsweise diejenige von einem stromlinienförmigen Abschnitt, wie beispielsweise einer Turbinenlauf oder -leitschaufel, wie es durch die perspektivischen Ansichten des in den Fig. 4-6 gezeigten Verlängerungsendes 4 dargestellt ist. Das Verlängerungsende 4 kann auch eine Verlängerungsbinde- oder Wachstumsfläche 6 aufweisen. Diese Fläche ist die Fläche, von der die integrale Verlängerung 20 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgewachsen wird. Die Verlängerungsbindefläche 6 kann irgendeine geeignete Form oder Größe haben, einschließlich planarer oder nicht-planerer Formen, was von der gewünschten Form und Größe der erforderlichen Verlängerung abhängt. Da dieses Verfahren zum Aufwachsen integraler Verlängerungen 20 auf stromlinienförmigen Schaufelteilen bevorzugt ist, würde eine bevorzugte Form im allgemeinen die stromlinienförmige Querschnittsform aufweisen, die durch den Rand 58 von der Schaufelspitze 48 dargestellt ist, von der Beispiele in den Fig. 4-6 gezeigt sind. Das Verlängerungsende 4 weist auch die äußere Fläche 8 auf, die irgendeine geeignete Form und Größe haben kann. Für stromlinienförmige Schaufelteile entspricht die äußere Fläche 8 der stromlinienförmigen Fläche 53, die der im allgemeinen komplexen Oberfläche der Krümmung entspricht, die durch die Druck-Seitenwand 46A und die konvexe Saug-Seitenwand 46B beschrieben wird, die die Vorderkante 46C und die in Sehnenrichtung im Abstand angeordnete Hinterkante 46D verbinden.
Ein gewählter Gegenstand 2 hat auch eine Superlegierungs-Zusammensetzung und eine direktional orientierte Kristallstruktur 10. Wie er hier verwendet wird, ist der Begriff "Superlegierung" definiert als irgendeine hitzebeständige Metalllegierung, die für eine Verwendung über 540ºC geeignet ist und die prozessiert werden kann, um eine direktional orientierte Kristallstruktur zu bilden. Diese umfasst Ni-Basis-, Fe-Basis- oder Co-Basis-Superlegierungen, die allgemein bekannt und beispielsweise beschrieben sind in Metals Handbook, 10. Auflage, Band 1, Properties and Selection: Irons, Steels; and High-Performance Alloys, ASM International (1990), Seiten 981-994 und 995-1006, das viele gießbare Superlegierungen und speziell Ni-Basis-Superlegierungen beschreibt, die direktional erstarrt oder als Einkristalle geformt sein können. Diese Superlegierungen werden gegenwärtig in breitem Umfang in Schaufelteilanwendungen verwendet. Jedoch würden akzeptable Superlegierungen auch Hochtemperatur- Legierungen umfassen, die gegenwärtig nicht als Superlegierungen bezeichnet werden und die nicht in breiter kommerzieller Anwendung sind für Schaufelteilanwendungen, wie beispielsweise Nb-Basis- und Ti-Basis-Legierungen einschließlich Nb-Ti-Legierungen und Ti-Al- Legierungen und auch Ni-Al-Legierungen. Superlegierungen in diesem Kontext können auch solche Legierungen umfassen, die intrinsisch oder extrinsisch gebildete Verstärkungsmittel enthalten, wie beispielsweise Zusammensetzungen von Superlegierungen, die extrinsisch geformte keramische Zwischenphasen- oder andere Fasern enthalten, wie beispielsweise Ni- Basis-Legierungen, die Aluminiumoxidfasern enthalten, oder Nb-Basis-Verbundlegierungen, die eine intrinsisch geformte Nb-Si-Zwischenphase enthalten.
Für gewählte Gegenstände, die bestehende Verlängerungen haben, wie beispielsweise abgenutzte, oxidierte oder beschädigte Turbinenschaufeln, kann der Gegenstand 2 optional einen Abschnitt des Verlängerungsendes 4 oder der Schaufelspitze 48 haben, der entfernt ist, um die Hinzufügung von neuem Material gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erleichtern. Dies ist in Fig. 1 durch den optionalen Schritt des Entfernens 150 eines Teils des Verlängerungsendes 8 vor dem Tauchen 500 der Verlängerung 4 in geschmolzenes Material 26 dargestellt. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, stark oxidierte Abschnitte von einer Turbinenschaufelspitze zu entfernen, um die Wechselwirkung mit dem geschmolzenen Material in den nachfolgenden Verfahrensschritten zu verbessern. Wo das Verlängerungsende 8 die Schaufelspitze 48 ist, kann es auch wünschenswert sein, einen Teil der Schaufelspitze 48 zu entfernen, um dem Rest der Spitze eine gleichförmigere Länge oder Querschnitt zu geben und dadurch beispielsweise eine ebene Oberfläche am Ende von einer Turbinenschaufelspitze auszubilden, wenn die Spitze in das geschmolzene Material eingesetzt wird, und somit eine gleichförmigere Oberfläche auszubilden, auf der das Material erstarren soll, das die Verlängerung bilden soll. Material könnte auch von einem bestehenden Gegenstand, wie beispielsweise einer Turbinenschaufelspitze, in einer Art und Weise entfernt werden, um eine nicht-ebene Fläche (z. B. Sägezahnmuster, gestufte Muster oder andere nicht-ebene Flächen) am Ende der Schaufelspitze auszubilden und somit eine nicht-gleichförmige Oberfläche auszubilden, auf der das Material erstarren soll, das die neue Spitze bildet. Es kann irgendein geeignetes Materialentfernungsverfahren verwendet werden, wie beispielsweise Schleifen, Sägen, maschinelles Bearbeiten, Ätzen oder andere geeignete Materialentfernungsverfahren, vorausgesetzt, dass eine mechanische Beschädigung vermieden wird, die eine Kernbildung von einer neuen Kornstruktur während des Erhitzens des Endes von dem Gegenstand fördern könnte. Dieser Schritt kann zu irgendeiner Zeit vor dem Tauchen 500 getan werden, es ist aber bevorzugt, das Entfernen 150 vor dem Befestigen 200 des Dorns 12 durchzuführen, wo mechanische oder physikalische Entfernungsverfahren verwendet werden sollen, um so eine Beschädigung an der Form 16 zu vermeiden.
Nach dem Wählen 100 und irgendeinem optionalen Entfernen 150 ist der nächste Schritt der Schritt des Befestigens 200 des Dorns 12 an der Verlängerungsbindefläche 6. Der Dorn 12 kann jedes Material aufweisen, das mit der Verlängerungsbindefläche 6 kompatibel ist. Mit Kompatibilität ist gemeint, dass der Dorn 12 so eingerichtet sein muss, dass das Befestigen 200 keine Wechselwirkung mit der Superlegierung des Gegenstandes 2 bewirkt, insbesondere in dem Bereich der Verlängerungsbindefläche 6, was die anderen Schritte des Verfahrens stören würde, und insbesondere mit der Wechselwirkung der Verlängerungsbindefläche 6 als ein Mikrostruktur-Wachstumskeim im geschmolzenen Material 26. Weiterhin erfordert Kompatibilität, dass der Dorn 12 aus einem Material geformt ist, das an der Verlängerungsbindefläche 6 befestigt werden kann, und dass das Mittel, das zum Herstellen der Befestigung verwendet wird, ausreichend dauerhaft ist, um dem Formschritt 300 zu widerstehen. Der Dorn 12 kann Materialien, wie beispielsweise reine Metalle, Metalllegierungen, Polymere, Wachse oder Salze aufweisen. Das Befestigen 200 kann eine Befestigung von einem vorgeformten Dorn unter Verwendung eines Befestigungsmittels, wie beispielsweise eines Klebemittels, oder eines Bindeverfahrens aufweisen, wie beispielsweise eines Diffusionsbindeverfahrens des vorgeformten Legierungsdorns. Weiterhin kann ausreichend Material für den Dorn 12 zu der Verlängerungsbindefläche 6 in einer groben Form hinzugefügt werden und dann kann der Dorn 12 aus der groben Form unter Verwendung bekannter Materialentfernungsmittel geformt werden, die für das Entfernen des verwendeten Dornmaterials geeignet sind. Als ein Beispiel des Befestigens 200 kann, wenn der Dorn 12 Wachs aufweist, das Wachs vorgeformt und mit der Verlängerungsbindefläche 6 gebondet werden, indem einfach diese Oberfläche erwärmt wird, um das Wachs ausreichend zu erweichen oder zu schmelzen, um ein Bonden mit der Oberfläche hervorzurufen, worauf ein Pressen des Wachsdorns 12 auf die Verlängerungsbindefläche folgt. Wenn, als ein weiteres Beispiel des Befestigens 200, das Material für den Dorn Metall oder eine Metalllegierung aufweist, kann das Material durch Sprühen auf der Verlängerungsbindefläche 6 geformt werden, wobei bekannte Mittel verwendet werden, um eine grobe Form herzustellen, die zum Formen des Dorns 12 ausreicht. Der Dorn 12 kann dann aus der groben Form unter Verwendung geeigneter bekannter Materialentfernungsmittel geformt werden. Das zum Formen des Dorns verwendete Material kann irgendein Material sein, das mit dem Formen 300 der keramischen Form und auch irgendwelcher anderer Schritte des Verfahrens kompatibel ist, für das der Dorn 12 verwendet werden kann. Der Dorn 12 hat eine Querschnittsform, die mit der Querschnittsform von dem Verlängerungsende 4 kompatibel ist, wie es in den Fig. 4 und 6 gezeigt ist. Im allgemeinen kann eine kompatible Querschnittsform die gleiche Querschnittsform aufweisen wie diejenige des Verlängerungsendes. In dem Fall, wo der Gegenstand 2 ein stromlinienförmiger Abschnitt ist, kann die Querschnittsform des Dorns 12 eine stromlinienförmige Form der gleichen Größe sein. Es kann jedoch wünschenswert sein, dass der Dorn 12 einen Querschnitt hat, der die gleiche allgemeine Form hat wie diejenige des Verlängerungsendes 4, aber eine größere Größe hat, um eine größere Keramikform während des Formens 300 zu bilden. Ein übergroßer Dorn 12 würde eine übergroße Keramikform 16 erzeugen, die ihrerseits eine übergroße Verlängerung zur Folge haben würde. Eine derartige Übergrößen- Konfiguration könnte verwendet werden, wenn es wünschenswert ist, eine Materialentfernung oder Oberflächenendbearbeitung auf der Verlängerung 20 auszuführen. Umgekehrt könnte der Dorn 12 die gleiche allgemeine Form haben wie das Verlängerungsende 4, aber unterbemessen, um eine unterbemessene Verlängerung zu erzeugen. Eine derartige Konfiguration kann wünschenswert sein zum Hinzufügen von Materialien, wie beispielsweise Überzugsschichten, zu der äußeren Oberfläche von der Verlängerung 20, während eine Querschnittsform beibehalten wird, die die gleiche ist wie diejenige des Verlängerungsendes 4. Weiterhin ist es zwar bevorzugt, dass der Dorn 12 die gleiche allgemeine Querschnittsform wie das Verlängerungsende 4 hat, aber es kann jeder kompatible Querschnitt verwendet werden, wobei die Kompatibilität der Querschnittsform letztlich dadurch bestimmt wird, ob die Querschnittsform des Dorns 12 die gewünschte Form für die Verlängerung 20 erzeugt. Als ein Beispiel kann im Kontext von Dornen für Schaufelspitzen 48 die Querschnittsform diejenige von einer massiven Spitze 48 (Fig. 4) oder diejenige von einem Rand 58 (Fig. 6) sein. Der Dorn 12 hat auch eine äußere Oberfläche 14, die mit der äußeren Oberfläche 8 von dem Verlängerungsende 4 in Verbindung steht. Diese Verbindung kann so sein, dass die äußere Oberfläche 14 und die äußere Oberfläche 8 zusammen eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Oberfläche bilden oder es kann eine Diskontinuität zwischen den Oberflächen bestehen, beispielsweise wo der Dorn 12 eine andere Querschnittsform oder Größe hat als diejenige des Verlängerungsendes 4, wie es oben beschrieben ist. Im Falle einer Diskontinuität zwischen diesen Elementen ist die äußere Oberfläche 14 des Dorns 12 immer noch mit der äußeren Oberfläche 8 von dem Verlängerungsende 4 in Verbindung, obgleich durch ein Oberflächenmerkmal mit einer unterschiedlichen Geometrie, wie beispielsweise eine Schulter, einen eingeschnürten Bereich oder eine andere Fläche, die diese Flächen miteinander verbindet oder vereinigt. Der Dorn 12 hat auch eine Länge (L), wie es in den Fig. 2A-2C gezeigt ist. Für Dorne, die zum Bilden von Verlängerungen auf stromlinienförmigen Abschnitten verwendet werden, wie beispielsweise Leit- oder Laufschaufeln, wird die Dornlänge üblicherweise in dem Bereich von etwa 0,51-6,35 mm (0,02-0,25 Zoll) liegen, was dem typischen Längenbereich von Leit/Laufschaufelspitzen entspricht.
Nach dem Befestigen 200 des Dorns 12 ist der nächste Schritt der Schritt des Formens 300 der keramischen Form 16 über einer äußeren Fläche 14 des Dorns 12 und wenigstens einem Teil der äußeren Fläche 8 des Verlängerungsendes 4, wie es in den Fig. 2A-2C gezeigt ist. Die keramische Form 16 kann durch jedes Verfahren geformt werden, das mit dem Dorn 12 und dem Verlängerungsende 4 kompatibel ist. Die keramische Form 16 sollte über einem ausreichenden Abschnitt von dem Verlängerungsende 4 geformt werden, um sicherzustellen, dass sich die Form 16 nicht von dem Verlängerungsende 4 während des Einsetzens der Form 16 in das geschmolzene Material 26, wie es hier beschrieben wird, löst. Bekannte Verfahren umfassen das Formen 300 der keramischen Form aus einem Brei oder aus einem thermischen Spruhformen. Die keramische Form 16 kann aus einem Brei geformt werden, indem der Dorn 12 und das Verlängerungsende 4 in einen Brei eingetaucht und herausgezogen werden oder indem ein Brei über sie gesprüht wird. Keramische Formen, die aus einem Brei gebildet worden sind, bestehen in einem grünen Zustand, und es ist bevorzugt, einen optionalen Schritt des Sinterns 250 derartiger Formen vor dem Tauchen 500 einzufügen, um die Dichte und mechanische Festigkeit der Form zu vergrößern. Das Formen 300 kann auch ein thermisches Sprühformen unter Verwendung bekannter Verfahren, wie beispielsweise Plasmasprühen, aufweisen. Formen, die durch thermisches Sprühformen gebildet worden sind, können üblicherweise auch gesintert werden, aber üblicherweise würden derartige Materialien eine ausreichende Festigkeit zur Verwendung als eine Form haben. Keramiken, die zum Formen der Form 16 verwendet werden können, umfassen Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumoxid/Siliziumoxidmischungen, Kalziumoxid und Zirkonoxid. Die Auswahl des keramischen Materials wird so vorgenommen, dass die Kompatibilität der Form 16 mit der Superlegierung des Gegenstands 2 und des geschmolzenen Materials 26 sichergestellt ist, insbesondere um so eine Kontamination des geschmolzenen Materials 26 oder der Verlängerung 20 zu verhindern. Die Sicherstellung von Kompatibilität wird auch versuchen, ein ausreichendes Anhaften des keramischen Materials an dem Verlängerungsende während des Tauchens 400, Haltens 500 und Herausziehens 600 sicherzustellen, zusätzlich dazu, dass eine ausreichende mechanische Festigkeit der Form während jedes dieser Schritte sichergestellt wird, und es kann auch andere Kompatibilitätsüberlegungen beinhalten. Die Form 16 hat eine Formkammer 18 mit einer Form, die von dem Dorn 12 definiert ist und zunächst von diesem eingenommen wird, wie es hier beschrieben ist. Die Form der Formkammer 18 definiert die Form der integralen Verlängerung 20. Die Form 16 kann als ein durchgehendes Stück oder aus einer Anzahl von Stücken bestehen, was von der Form des Dorns 16 und davon abhängt, wie das keramische Material während des Formens 300 aufgebracht wird. Die Form 12 hat auch wenigstens eine Steuervorrichtung 22, die mit der Formkammer in Verbindung steht. Die Steuervorrichtung 22 gestattet, dass geschmolzenes Material 26 in die Kammer 16 eintritt und mit der Verlängerungsbindefläche 6 in Kontakt kommt. In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 22 einfach eine Öffnung in dem Ende der Form 16 sein, die im allgemeinen die gleiche Form wie die Querschnittsform des Verlängerungsendes 4 hat, wie es in den Fig. 2A-2C gezeigt ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 22 eine verengte Öffnung sein, die zum Steuern oder Richten der Strömung von geschmolzenem Material 26 in die Formkammer 18 dient, ähnlich einer Steuervorrichtung, die in verschiedenen Gießtechniken verwendet wird. Die Steuervorrichtung 22 kann während des Formens 300 geformt werden, wie beispielsweise durch Anpassen des Dorns 12 vor dem Formen, um so eine derartige Vorrichtung während des Formens bereitzustellen. Beispielsweise könnte der Dorn ein Merkmal enthalten, das während des Formens 300 die Steuervorrichtung 22 bilden würde, oder es könnte ein Teil zu dem Dorn hinzugefügt werden, um die Steuervorrichtung 22 während des Formens auszubilden. Die Steuervorrichtung 22 kann auch dadurch gebildet werden, dass ein Materialentfernungsschritt als Teil des Formens 300 eingefügt wird, um so einen Kanal in den Dorn hinein zu öffnen, nachdem das keramische Material auf den Dorn 12 und das Verlängerungsende 4 aufgebracht ist, oder durch Hinzufügen eines Teils. Die Form 16 kann vorzugsweise eine Verunreinigungsabführvorrichtung 36 aufweisen. Die Verunreinigungsabführvorrichtung 36 kann den Einschluss von Verunreinigungen bzw. Kontaminationen in der Form 16 während der Schritte des Tauchens 500, Haltens 600 oder Herausziehens 700 verhindern. Verunreinigungen können eingeschlossene Gase, Oxide der Legierungsbestandteile oder gelöste Teilchen der Keramikform 16 umfassen. Die Verunreinigungsabführvorrichtung 36 kann auch in der Lage sein, dabei zu helfen, den Fluss des geschmolzenen Materials 26 in der Form 26 zu richten. Die Verunreinigungsabführvorrichtung 36 kann einen einzigen Kanal, durch den Kontaminationen aus der Form 16 entfernt werden können, wenn sie mit geschmolzenem Material 26 gefüllt ist, wie es in Fig. 2C gezeigt ist, oder sie kann mehrere derartige Merkmale aufweisen. Derartige Vorrichtungen können durch ähnliche Verfahren wie diejenigen gebildet werden, die zum Herstellen der Steuervorrichtung 22 verwendet werden.
Nachdem die keramische Form 16 geformt worden ist, ist der nächste Schritt der Schritt des Entfernens des Dorns 12. Es kann jedes geeignete Entfernungsverfahren benutzt werden. Verfahren beinhalten zum Beispiel Schmelzen des Dorns 12 und Giessen der Schmelze aus der Form 16, Auflösen oder Ätzen des Dorns 12, Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Dornen und verschieden mechanische Entfernungsverfahren. In dem Fall, wo ein optionaler Sinterschritt 250 verwendet wird, kann das Entfernen 400 entweder vor, während oder nach dem Sintern getan werden, was von dem Material abhängt, das für den Dorn 12 verwendet wurde. Die Anmelder nehmen jedoch an, daß es für relativ niedrig schmelzende Materialien bevorzugt ist, den Dorn 12 vor dem Sintern zu entfernen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung können die Schritte des des Befestigens 200, des Formens 300 und des Entfernens 400 durch einen Schritt des Befestigens einer vorgeformten keramischen Form 16' über wenigstens einem Teil der äußeren Fläche 8 des Verlängerungsendes 4 ersetzt werden, wobei die vorgeformte Form 16' eine Formkammer 18' hat, die wenigstens teilweise die Verlängerungsbindefläche 6 einschließt und in der Lage ist, die Form der integralen Verlängerung 20 zu definieren, wie es in den Fig. 9, 10 und 11 dargestellt ist. Die Form 16' wird vorzugsweise eine voll dichte, gesinterte Keramik sein. Die Anforderungen an die Vorform-Keramikform 16' sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen für in situ gebildete Formen und wie sie hier beschrieben sind, und diese Formen 16' können aus den gleichen keramischen Materialien hergestellt sein. Die Vorform 16' wird ebenfalls wenigstens eine Steuervorrichtung haben, die mit der Formkammer 18' in Verbindung steht. Derartige Formen können ebenfalls Merkmale, wie beispielsweise eine Verunreinigungsabführvorrichtung 36' enthalten. Die Form 16' kann unter Verwendung gut bekannter Keramikverfahren und -einrichtugnen geformt werden. Die Vorform 16' kann an dem Verlängerungsende 4 unter Verwendung geeigneter Befestigungsmittel befestigt sein, wie beispielsweise einem Festsitz, irgendeiner Anzahl von mechanischen Befestigungsvorrichtungen, der Verwendung keramischer Binder, Breie, Zemente und ähnlicher Materialien oder irgendeiner Kombination davon, was von den Eigenschaften der Keramik und dem metallischen Gegenstand abhängt. Derartige Befestigungsmittel sind allgemein bekannt.
Das Verfahren gemäß dieser Erfindung enthält Merkmale, die in hiermit in Beziehung stehenden Verfahren zum Formen von Superlegierungsverlängerungen nicht gefunden werden, wie beispielsweise diejenigen, die in den US-Patenten 5,291,937 und 5,304, 039 beschrieben sind, das unerwartete Vorteile gegenüber dem bekannten Verfahren erzielte. Beispielsweise erfordert das Verfahren zum Formen der Form keine separate Fertigung von Formen und Gesenken für jede unterschiedliche Größe und Form der gewünschten Verlängerung. Somit bietet dieses Verfahren Flexibilität, um sich einfach an Änderungen in der Gestalt der gewünschten Verlängerung anzupassen. Ferner gestattet dieses Verfahren, dass die Formkammer und somit die Verlängerung an die Verlängerungsbindefläche indexiert wird, indem die Größe und Form des Dorns eingestellt wird, und wie sie relativ zu der Verlängerungsbindefläche angeordnet wird. Ferner ist es möglich, die Form so auszubilden, dass die Form Merkmale einschließt, wie beispielsweise Kanäle, die durch das Verlängerungsende hindurch mit dem Innenraum von einem hohlen Gegenstand, wie beispielsweise einer Schaufel, in Verbindung stehen, was die Notwendigkeit der Verwendung von Opfer- oder Trennmaterial während der Formung der Verlängerung vermeidet. Zusätzlich ist es unter Verwendung dieser Erfindung möglich, den Eintritt des geschmolzenen Materials in die Form durch die Steuervorrichtung zu steuern, wodurch ein Mittel geschaffen wird, um die Art und Weise, in der das geschmolzene Material in die Verlängerungsbindefläche eingeführt wird, und somit die Wechselwirkung des geschmolzenen Materials und der Verlängerungsbindefläche als ein Mikrostruktur-Wachstumskeim zu steuern. Weiterhin kann die Form gemäß der Erfindung optional eine Verunreinigungsabführvorrichtung enthalten, um den Einschluß von Gasen oder anderen Verunreinigungen in der Form und der entstehenden Verlängerung zu verhindern, was ein Vorteil ist, der in bekannten Verfahren nicht berichtet ist.
Es wird nun wieder auf die Fig. 1, 3A und 3B Bezug genommen; nach dem Schritt des Entfernens 400 und irgendeinem optionalen Schritt des Sinterns 250 sind die nächsten Schritte die Schritte des Tauchens 500, Haltens 600 (siehe Fig. 3A) und Herausziehens 700 (siehe Fig. 3B). Das Tauchen 500 beinhaltet, dass das Verlängerungsende 4 des Gegenstandes 2 in das Bad 24 aus geschmolzenem Material 26 mit einer Legierungszusammensetzung eingebracht wird, die mit der Superlegierungszusammensetzung des Gegenstandes 2 kompatibel ist, so dass geschmolzenes Material 26 in die Form 16 durch die Steuervorrichtung 22 hindurch eintritt und mit der Verlängerungsbindefläche 6 in Kontakt kommt. Das Tauchen 500 bildet einen innigen Kontakt zwischen dem Verlängerungsende 4 und dem geschmolzenen Material 26 aus, so dass verschiedene bekannte Wärmeübertragungsmechanismen auftreten, und die Temperatur des Gegenstandes 2 und insbesondere des Verlängerungsendes 4 beginnt rasch anzusteigen, um sich der Temperatur des geschmolzenen Materials 26 anzunähern. Das Tauchen 500 wird erreicht, indem der Gegenstand 2 an dem Verlängerungsende 4 in das geschmolzene Material 26 bis zu einer gewünschten Tiefe eingetaucht wird, die in Abhängigkeit von zahlreichen Faktoren variiert einschließlich: der Natur des Gegenstandes, wie beispielsweise seiner Größe und Legierungszusammensetzung, der Temperatur des geschmolzenen Materials 26 und der Konfiguration des Verlängerungsendes 4 (z. B. ein ebenes gegenüber einem abgestuften Ende), wobei die maximale Tiefe des geschmolzenen Materials 26 im allgemeinen durch die Größe der Rückschmelze begrenzt wird, die auf dem Verlängerungsende 4 gewünscht wird, wobei Faktoren wie die oben erwähnten berücksichtigt werden. Das Tauchen 500 kann in irgendeiner gewünschten Art und Weise erfolgen, entweder durch schrittweises, praktisch augenblickliches Eintauchen in die gewünschte Tiefe oder durch langsames Steigern der Absenkgeschwindigkeit oder irgendein anderes geeignetes Tauchverfahren 500, einschließlich Kombinationen der beschriebenen Verfahren.
Das geschmolzene Material 26 muss eine Legierungszusammensetzung haben, die mit der Superlegierungszusammensetzung des Gegenstandes kompatibel ist. Das geschmolzene Material 26 kann unter Verwendung irgendeiner Anzahl bekannter Verfahren geliefert werden, wie beispielsweise Widerstandsheizung, Induktionsheizung, Elektronenstrahlheizung, Laserheizung oder andere geeignete Verfahren. Die Erhitzung kann in irgendeiner geeigneten Einrichtung durchgeführt werden, wie beispielsweise einem keramischen, wassergekühlten kupfernen (wie in Fig. 3A und 3B dargestellt) oder hochwarmfesten Tiegel. Eine derartige Erhitzung wird für die meisten Superlegierungen bevorzugt in einer Schutzatmosphäre, wie beispielsweise Argon, oder in Vakuum ausgeführt. Das bevorzugte Verfahren der Lieferung von geschmolzenem Material 26 aus Ni-Basis-Superlegierungen besteht darin, eine bekannte Induktionsheizvorrichtung 13 und einen wassergekühlten Kupfertiegel 15 oder einen Tiegel auf Keramikbasis zum Erhitzen zu verwenden, und dieses Erhitzen in einer geschlossenen Kammer in einer Argon- Atmosphäre auszuführen, wie es in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist. Diese Einrichtung hat den Vorteil, dass eine mögliche Kontamination der Schmelze mit Keramik aus einem keramischen Tiegel vermieden wird, und sie vermeidet auch die Reaktion von geschmolzenem Material 26 mit atmosphärischen Bestandteilen, wie beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff. Die Legierungszusammensetzung des geschmolzenen Materials 26 muss nur mit der Superlegierungszusammensetzung des Gegenstandes kompatibel sein, so dass die übrigen Schritte des Verfahrens für eine integrale Verlängerung 20 auf dem Gegenstand 2 sorgen, wie es nachfolgend beschrieben wird. Im allgemeinen bedeutet Kompatibilität im Kontext dieser Erfindung eine gewisse Kontinuität oder Ähnlichkeit der Kristallstruktur, der metallurgischen Struktur oder beides zwischen dem Gegenstand und der Verlängerung, die aus dem geschmolzenen Material erstarrt ist. Kompatibilität impliziert auch, dass keine Legierung die andere nachteilig beeinflusst, sei es durch Verarmung an legierenden Elementen, Kontamination, Flüssigmetall- Versprödung, Bildung spröder Phasen an der Erstarrungs-Grenzfläche 28 oder anderes. Kompatibilität kann auch eine gewisse Einschränkung für Diskontinuitäten in mechanischen und physikalischen Eigenschaften und der metallurgischen Struktur zwischen dem Gegenstand 2 und der Verlängerung 20 implizieren. Letztendlich muss Kompatibilität durch Leistungsfähigkeit bzw. Performance gemessen werden. Wenn eine Verlängerung 20 aus der einen Legierung wiederholt auf einem Gegenstand 2 einer anderen Legierung aufgewachsen werden kann, wenn der Gegenstand 2 mit der darauf gewachsenen Verlängerung 20 zugänglich ist für nachfolgende Fertigungsoperationen und wenn der Gegenstand 2 mit der Verlängerung 20 im Einsatz zufriedenstellend arbeitet, wenn er fertig ist, dann muss geschlossen werden, dass die zwei Legierungen kompatibel sind, wobei Ausnahmen von den vorstehenden Verallgemeinerungen nicht ausgeschlossen sind. Wie sie hier verwendet wird, soll die Phrase "geschmolzenes Material kompatibel mit....." ein Material oder eine Legierung, die den vorstehenden Kompatibilitätsstandard erfüllt, bedeuten, die in ihrer flüssigen Form vorhanden ist. Da sowohl die Kristallstruktur als auch die metallurgische Struktur der Verlängerung 20 von derjenigen des Gegenstandes 2 unterschiedlich sein kann, ist eine große Breite von kompatiblen geschmolzenen Materialien für einen gegebenen Gegenstand 2 möglich, was von dem erforderlichen Kompatibilitätsgrad zwischen dem Gegenstand und der Verlängerung abhängt. Für einige Anwendungsfälle, wo es wünschenswert ist, dass die Kristallstruktur und die metallurgische Struktur der Verlängerung 20 eng an den Gegenstand 2 angepasst sind (z. B. Fälle, wo ein epitaxiales Aufwachsen gewünscht ist oder wo die Verlängerung 20 auch eine direktional orientierte Kristallstruktur haben muss), wird die Breite im allgemeinen schmaler sein, so dass es am wünschenswertesten ist, dass die Legierungszusammensetzung des geschmolzenen Materials 26 die gleiche oder sehr ähnlich derjenigen des Gegenstandes 2 ist. Für andere Anwendungsfälle, wo es nicht notwendig ist, dass entweder die Kristallstruktur und die metallurgische Struktur der Verlängerung an den Gegenstand angepasst ist (z. B. Fälle, wo eine gleichachsige Kristallstruktur oder andere nicht direktional orientierte Kristallstruktur ausreichend ist), wird die Breite im allgemeinen breiter sein, so dass die Legierungszusammensetzung der geschmolzenen Legierung 26 von derjenigen des Gegenstandes 2 recht unterschiedlich sein kann. Weiterhin kann es in einigen Anwendungsfällen wünschenswert sein, eine Kristallstruktur und/oder metallurgische Struktur zu entwickeln, die sich von derjenigen des Gegenstandes wesentlich unterscheidet, um unterschiedliche Eigenschaften zu entwickeln, die auf unterschiedliche Anforderungen gerichtet sind. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, einen kleineren Modul und erhöhte Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit in dem Gegenstand zu haben im Vergleich zu der Verlängerung, und in der Verlängerung höhere Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit zu haben. Wie durch die Schraffierung in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, kann die Zusammensetzung der Superlegierung des Gegenstandes von derjenigen der Verlängerung unterschiedlich sein, die auf dem Gegenstand aus dem geschmolzenen Material aufgewachsen ist. Wie jedoch in den angegebenen Patenten berichtet ist, sollten unterschiedliche Legierungszusammensetzungen so gewählt sein, dass die Kristallstruktur der Verlängerung integral mit und kontinuierlich aus derjenigen des Gegenstandes wächst, trotz ihrer Unterschiede in der Zusammensetzung. Diese Wachstumsart wird gelegentlich epitaxiales Wachsen genannt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung würde dies auch einen im allgemeinen hohen Kompatibilitätsgrad zwischen der Legierung des Gegenstandes 2 und derjenigen der Verlängerung 20 beschreiben. Weiterhin ist erkannt worden, dass die Kristallstruktur oder die metallurgische Struktur des Gegenstandes oder beides vom Basisende 32 zum Verlängerungsende 8 variieren können und dass hier gemachte Bezugnahmen auf die Kompatibilität zwischen dem Gegenstand und der Verlängerung sich prinzipiell auf die Kompatibilität der Verlängerung 20 mit dem Verlängerungsende 8 des Gegenstandes 2 beziehen.
Der Schritt des Haltens 600 für eine ausreichende Zeit, um zu gestatten, dass ein Teil des Verlängerungsendes durch und in Wechselwirkung mit dem geschmolzenen Material als ein Mikrostruktur-Wachstumskeim erhitzt wird, ist ein wichtiger und höchst variabler Schritt in dem Verfahren gemäß der Erfindung, weil die Größe der Wechselwirkung und der Grad oder das Ausmaß, bis zu dem die Verlängerung als ein Wachstumskeim dienen soll, gemäß diesem Verfahren, wie es hier beschrieben wird, beträchtlich variieren kann. Für einige Kombinationen von Materialien, Einrichtungen und Verfahrensbedingungen kann eine ausreichende Zeit zum Halten 600 im wesentlichen Null sein, wie es beispielsweise der Fall sein kann, wo eine relativ kleine Größe an Wechselwirkung zwischen dem Gegenstand 2 und dem geschmolzenen Material 26 notwendig ist, um eine kontinuierliche, integrale Verlängerung 20 mit einer Mikrostruktur zu erzeugen, die mit derjenigen des Gegenstandes 2 kompatibel und ausreichend ist, um die Anforderungen ihrer beabsichtigten Verwendung zu erfüllen. Für Anwendungsfälle, wo eine umfangreichere Wechselwirkung wünschenswert ist, wie beispielsweise das Wachsen epitaxialer Verlängerungen 20, wird angenommen, dass eine ausreichende Zeit zum Ausgleich für die meisten Kombinationen von Gegenständen und geschmolzenen Materialien länger sein wird, vielleicht sogar 30 Minuten. Für Anwendungsfälle, wo längere Zeiten erwartet werden, können Schätzungen für die erforderliche Zeit gemacht werden, indem die Zeit berechnet wird, die zum Rückschmelzen des gewünschten Abschnittes des Verlängerungsendes 4 notwendig ist, wobei bekannte oder gemessene Wärmeübertragungsinformation für den Gegenstand 2 und das geschmolzene Material 26 verwendet wird. Die Zulänglichkeit der Zeit zum Halten 600 wird auch durch das Verfahren, das zum Tauchen 500 benutzt wird, und die Zeit beeinflusst, die während dieses Schrittes benutzt wird.
Es kann wünschenswert sein, Mittel anzuwenden, um die Wechselwirkung des Gegenstandes und des geschmolzenen Materials während des Tauchens 500, Haltens 600 oder beides zu verstärken und zu steuern, wie beispielsweise die Verwendung einer zusätzlichen Erwärmung, Kühlung oder beides, wie es hier beschrieben wird. Zusätzlich kann es wünschenswert sein, für andere bekannte Mittel zu sorgen, wie beispielsweise Rühren oder andere Bewegung innerhalb des geschmolzenen Materials oder Bewegung des Gegenstandes, wie beispielsweise durch Ultraschallbewegung.
Herausziehen 700 ist der Schritt, während dem die Verlängerung 20 geformt oder auf dem Verlängerungsende 4 aufgewachsen wird. Gemäß den Fig. 3A und 3B beinhaltet das Herausziehen 700, daß das Verlängerungsende 4 aus dem geschmolzenen Material 26 mit einer Geschwindigkeit herausgezogen wird, die bewirkt, dass das geschmolzene Material 26 auf dem Wachstumskeim an der Grenzfläche 28 zwischen ihnen als integrale Verlängerung 20 mit einer Mikrostruktur 29 erstarrt, die mit der direktional orientierten Mikrostruktur 10 des Gegenstandes 2 kompatibel ist, wodurch während des Herausziehschrittes 700 der Gegenstand 2 einen derartigen Temperaturgradienten hat, dass die Temperatur zwischen der Grenzfläche 28 und dem Basisende 32 abnimmt. Herausziehen 700 kann mit jeder Geschwindigkeit, entweder fest oder variabel, erfolgen, die die gewünschten mikrostrukturellen Charakteristiken der Verlängerung 20 erzeugt, wie es hier weiter erläutert wird. Die Geschwindigkeit des Herausziehens 700 hängt von den Erstarrungscharakteristiken des geschmolzenen Materials 26 auf dem Gegenstand 2 ab und ist abhängig von der Legierungszusammensetzung von beiden, der Temperatur des geschmolzenen Materials 26, dem Temperaturgradienten innerhalb des Gegenstandes 2, der Temperatur der Grenzfläche 28 und von anderen Faktoren. Wenn die integrale Verlängerung 20 an der Grenzfläche 28 gebildet wird, nimmt sie im allgemeinen die Form der Formkammer 18 an, abgesehen von Schrumpfeffekten und einem Wegziehen von der Formkammer, was während der Erstarrung und Abkühlung der Verlängerung auftreten kann.
Es ist bevorzugt, dass die Schritte des Tauchens 500, Haltens 600 und Herausziehens 700 unter Verwendung der gleichen Einrichtung gemacht werden. Diese Schritte können unter Verwendung von irgendeiner Anzahl von bekannten Tauch-, Halte- und Herausziehvorrichtungen getan werden. Eine geeignete Tauch-, Halte- und Ziehvorrichtung wird üblicherweise eine Einrichtung (nicht gezeigt) zum Halten oder Greifen des Gegenstandes 2, eine Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) zum Tauchen und Herausziehen des Gegenstandes 2 in bzw. aus dem geschmolzenen Material 26, die mit der Haltevorrichtung verbunden ist, und eine Einrichtung zum Steuern (nicht gezeigt) der Bewegung der Antriebseinrichtung während dieser Schritte aufweisen. Der Gegenstand 2 kann unter Verwendung irgendwelcher geeigneter Mittel zum Greifen des Gegenstandes gehalten werden, wie beispielsweise bekannte Greifhalterungen oder Klemmmechanismen. Vorzugsweise wird das Tauchen 500, Halten 600 und Herausziehen 700 unter Verwendung einer automatisierten, programmierbaren, Computergesteuerten Antriebseinrichtung ähnlich denjenigen gemacht, die in der Technik des Kristallziehens bekannt sind, wie beispielsweise diejenigen, die zum Ausführen der Czochralski oder Bridgman- Erstarrungsprozesse verwendet werden. Es ist auch wünschenswert, dass die Einrichtung, die dazu verwendet wird, das geschmolzene Material einzuschließen, in einem möglichst weiten Umfang von einer unkontrollierten mechanischen Schwingung isoliert ist. Es kann auch wünschenswert sein, dass die Steuermittel auch in der Lage sind, die Bewegung der Antriebsvorrichtung auf der Basis anderer berechneter oder gemessener Faktoren, entweder fest oder variabel, einzustellen, wie beispielsweise dem Temperaturgradienten innerhalb des Gegenstandes, der Temperatur des Schmelzbades, der Temperatur an der Gegenstand/Bad-Grenzfläche oder anderen Faktoren. Die Schritte des Tauchens 500 und Herausziehens 700 erfordern eine relative Bewegung zwischen dem Gegenstand 2 und dem geschmolzenen Material 26. Für Zwecke dieses Verfahrens können entweder der Gegenstand 2, das geschmolzene Material 26 oder beide bewegt werden, um diese Relativbewegung zu erreichen, obwohl die Anmelder annehmen, daß es im allgemeinen bevorzugt ist, den Gegenstand 2 zu bewegen und das geschmolzene Material 26 stationär zu halten.
Eine Darstellung von einem der möglichen Ergebnisse der Praxis von einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß dieser Erfindung ist auf dem stromlinienförmigen Abschnitt 46 des in den Fig. 4 und 5 gezeigten Typs als Verlängerung 56 gezeigt. Die Verlängerung 56 geht von der gestrichelten Linie 52 aus, die die Grenzfläche 28 innerhalb der ursprünglichen Schaufelspitze 48 bezeichnet, von der aus die Verlängerung 56, die die neue Schaufelspitze 48 bildet, aufgewachsen wurde, aufgrund des Rückschmelzens, das während dieser Schritte auftritt. Wie in der schematischen Teilansicht gemäß Fig. 5 zu sehen ist, hat die Verwendung der Schaufelspitze 48 als ein Wachstumskeim eine massive Verlängerung 56 mit einer kompatiblen Mikrostruktur zur Folge, die in diesem Beispiel viele langgestreckte Körner aufweist, die eine Fortsetzung von und einstückig mit denjenigen der Hauptschaufelspitze 48 sind.
Eine andere Form des Spitzenabschnittes von einer luftgekühlten Schaufel eines Gasturbinentriebwerks ist in der Teilansicht gemäß Fig. 6 und der Schnittansicht gemäß Fig. 7 nach einem Schnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 6 gezeigt. Dieser Typ einer Spitze wird gelegentlich als eine "pfeifende Spitze" bezeichnet, weil sie unter gewissen Betriebsbedingungen mit einem gegenüberliegenden Teil in Eingriff kommen oder reiben kann, um sich einem spaltlosen Zustand zu nähern. Als eine Folge eines derartigen Eingriffes kann der Umfangsrand 58 der Schaufelspitze 48 abgerieben oder beschädigt werden. Selbst ohne einen derartigen Reibzustand können in der Luft mitgetragene Teilchen und Oxidation, über eine gewisse Betriebsperiode, abschleifen und zu der Beschädigung des Randes 58 beitragen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um eine derartige Beschädigung zu reparieren, indem eine Verlängerung in der oben beschriebenen Art und Weise ausgebildet wird, außer dass die Verlängerung 56 (oder Verlängerung 20, wenn man die allgemeinere Beschreibung des Verfahrens betrachtet), in diesem Fall eine Verlängerung von nur demjenigen Teil der Schaufelspitze 48 ist, die den Umfangsrand 58 bildet, anstelle der massiven Verlängerung 56. Um die Verlängerung nur auf dem Rand 58 auszubilden, sollte ein Kontakt des geschmolzenen Materials mit der Endwand 62 vermieden werden.
Wenn der Rand 58 schmal ist oder eine Beschädigung sich nahe bis zur Endwand 62 erstreckt, sollte eine Wechselwirkung des Randes 58 mit dem geschmolzenen Material 26 eingeschränkt sein und sorgfältig gesteuert werden, um eine Beschädigung an der Endwand 62 zu vermeiden, insbesondere wenn die Endwand 62 Merkmale, wie beispielsweise Kanäle 74 oder Löcher, enthält, die mit einem teilweise hohlen Innenraum in Verbindung stehen, wie es hier beschrieben ist. Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für ein Formen der Form 16, um derartige Merkmale zu überdecken und zu schützen, wie es in den Fig. 7-10 gezeigt ist. Die Kante oder die Oberfläche 66 des Randes 58 ist in Fig. 7 als erodiert, beschädigt und reparaturbedürftig dargestellt.
Die Darstellung der Fig. 9-11, die schematisch im Schnitt gezeigt sind, zeigt eine Abfolge der Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung und stellt die Reparatur der Schaufel 42 mit einem hohen Innenraum dar, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Beispielsweise kann ein derartiger Innenraum serpentinen- oder labyrintriförmige Kanäle 70 in einer Strömungsmittel-gekühlten Turbinenleit- oder -laufschaufel 42 sein. Der Zweckmäßigkeit halber sind einige der Bezugszahlen die gleichen, wie sie hier zuvor verwendet worden sind. Fig. 8 zeigt den Rand 58 in Kontakt mit und teilweise zurückgeschmolzen durch geschmolzenes Material 26 von der ursprünglichen Randkante, die durch die gestrichelte Linie 66 gezeigt ist. In Fig. 9 hat sich das Rückschmelzen weiter fortgesetzt in den Rand 58 hinein bis zur Rückschmelzlinie 68, die ausreicht, damit der übrige Abschnitt des Randes 58 als ein Wachstumskeim für die Erstarrung des geschmolzenen Materials 26 wirkt. Dann wird die Schaufel 42 nach oben bewegt, wie es durch den Pfeil 54 in Fig. 10 gezeigt ist, während sie mit dem geschmolzenen Material 26 in Kontakt ist, bis die Verlängerung 56, die aus dem Teil des Abschnittes oberhalb der gestrichelten Linie 72 besteht, auf dem Rand 58 durch Erstarrung von der Schmelzlinie 68 aufgewachsen ist durch fortgesetzte Erstarrung an der Grenzfläche 28, wie es oben beschrieben ist. Wenn die Schaufelverlängerung 56 in einem gewissen Teil massiv ist und zusätzliche Löcher gewünscht sind, um eine Verbindung mit dem hohlen Innenraum zu gestatten, wie es hier beschrieben und in den Fig. 6-10 dargestellt ist, können sie unter Verwendung bekannter Verfahren gebildet werden. Beispielsweise können diese Löcher durch Bohren mit einem Laser, elektrochemische oder Elektro-Entladungsverfahren gebildet werden, die gut bekannt sind und in der Technik der Materialentfernung im breiten Rahmen angewendet werden. Es ist durch das Verfahren gemäß dieser Erfindung möglich, dass, wenn ein geschmolzenes Material einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als denjenigen des Gegenstandsendes, das als ein Wachstumskeim wirkt, die Wechselwirkung zwischen dem geschmolzenen Material und dem Wachstumskeim kein vollständiges Schmelzen des Gegenstandsendes als Wachstumskeim aufweisen muss. Alles was nötig ist, ist, dass ein Zustand an der Grenzfläche besteht, um ein Kristallstrukturwachstum über die Grenzfläche und in das geschmolzene Material hinein zu gestatten.
Es wird nun wieder auf die Fig. 1, 3A und 3B Bezug genommen; die Schritte des Tauchens 500, Haltens 600 und Herausziehens 700 des Verlängerungsendes 4 aus dem geschmolzenen Material 26 bildet einen Temperaturgradienten innerhalb des Gegenstandes 2 aus, der als ein Gradient zwischen der Grenzfläche 28 und dem Basisende 4 betrachtet werden kann, wobei die Temperatur an einer gegebenen Stelle innerhalb des Gegenstandes 2 von der Grenzfläche 28 zum Basisende 4 abnimmt. Der Temperaturgradient innerhalb eines gegebenen Gegenstandes 2 wird eine Funktion der Temperatur des geschmolzenen Material 26, der thermischen Leitfähigkeit des Gegenstandes 2, der Konfiguration einschließlich innerer Kanäle in dem Gegenstand 2, der Geschwindigkeit des Herausziehens des Gegenstandes 2 und anderer Faktoren sein einschließlich der Konfiguration der Einrichtung, die zum Ausführen dieses Verfahrens verwendet wird, und der Gegenwart von äußeren Quellen des Erhitzens oder Kühlens, die während dieser Schritte auf den Gegenstand 2 ausgeübt werden. Wie in der Technik der Erstarrung von geschmolzenen Materialien, wie beispielsweise Superlegierungen, gut bekannt ist, beeinflusst der thermische Gradient an der Grenzfläche, wo eine Erstarrung auftritt, die Mikrostruktur des entstehenden Gegenstandes. Für Superlegierungen haben relativ flache thermische Gradienten, in der Größenordnung von 10ºC/cm, die Tendenz, weniger direktionale Orientierung und mehr gleichachsige Kornstrukturen zu erzeugen aufgrund von Schwankungen, die einen nichtunidirektionalen Wärmefluss zur Folge haben. Steilere thermische Gradienten von beispielsweise 25-150ºC/cm haben die Tendenz, Bedingungen an der Grenzfläche zu erzeugen, die die dendritische Erstarrung von geschmolzenem Material 26 an der Grenzfläche 28 fördern. Der Temperaturgradient innerhalb des Gegenstandes 2 und insbesondere an dem Verlängerungsende und in der Nähe der Grenzfläche 28 beeinflusst auch die Natur des dendritischen Wachstums einschließlich des Abstandes in den primären und sekundären Dendriten. Eine Steuerung des Temperaturgradienten an der Grenzfläche 28 ist besonders wichtig, wenn es wünschenswert ist, bestimmte direktionale Morphologien und Orientierungen, entweder polykristalline direktionale Erstarrung oder Einkristallwachstum, innerhalb der Verlängerung zu erzeugen. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch die Verwendung optionaler Schritte enthalten, um den Temperaturgradienten innerhalb des Gegenstandes 2 zu ändern. Diese Schritte können enthalten: Erhitzen 800 des Verlängerungsendes des Gegenstandes mit einer externen (anderen als durch Leitung aus dem geschmolzenen Material 26) Heizeinrichtung, Wärmeabfuhr 900 von dem Gegenstand unter Verwendung einer externen Vorrichtung zum Kühlen des Gegenstandes oder gleichzeitiges Erwärmen des Verlängerungsendes des Gegenstandes mit einer externen Heizeinrichtung, während der Gegenstand auch einer Kühlung 1000 mit einer externen Kühlvorrichtung an einer anderen Stelle als dem Verlängerungsende ausgesetzt wird. Diese optionalen Schritte können mit irgendwelchen oder allen hier beschriebenen Schritten des Tauchens 500, Haltens 600 und Herausziehens 700 verwendet werden. Externe Mittel zum Heizen sind gut bekannt, wie beispielsweise die Verwendung von einer getrennten Induktionsspule, die so angeordnet ist, dass sie das Verlängerungsende des Gegenstandes erwärmt. Externe Kühlmittel sind ebenfalls gut bekannt in der Technik der Erstarrung, einschließlich der Verwendung von Kokillen, wie beispielsweise wassergekühlten Kokillen, metallischen Kokillenplatten oder anderen Mitteln. Derartige Kühlmittel würden üblicherweise an dem Basisende 32 oder dem Übergangsabschnitt 34 des Gegenstandes 2 befestigt, jedoch kann eine Kokille bei Umständen, wo eine Heizvorrichtung auf diesem Abschnitt des Gegenstandes nicht verwendet wird, an dem Verlängerungsende befestigt werden. Die Verwendung dieser Schritte kann benutzt werden, um den Temperaturgradienten sowohl an der Grenzfläche als auch innerhalb des Gegenstandes zu steuern.
Es kann für einige Konfigurationen des Gegenstandes 2 und Kombinationen der Schritte gemäß diesem Verfahren wünschenswert sein, die Schritte des Tauchens 500, des Haltens 600 und des Herausziehens 700 des Gegenstandes 2 mit dem gleichen geschmolzenen Material oder einer unterschiedlichen Legierungszusammensetzung zu wiederholen zusätzlich zu der Wiederholung der optionalen Schritte, die für die Materialentfernung und/oder das Erwärmen oder Kühlen in Verbindung mit diesen Schritten angegeben wurden.
Wenn wieder auf die Fig. 3A und 3B Bezug genommen wird, so wird für den Fachmann in der Technik der Erstarrung aus einem geschmolzenen Material deutlich, dass die Oberflächen von einer Verlängerung, die unter Verwendung dieses Verfahrens gebildet worden ist, im allgemeinen in einer unfertigen Form sein werden und deshalb häufig die Verwendung von zusätzlichen Materialentfernungs-, Oberflächenendbehandlungsschritten erforderh werden, wie beispielsweise Schleifen, maschinelles Bearbeiten, Polieren oder andere Materialbeseitigungs- und/oder Oberflächenendbehandlungsschritte oder Sprühformen von einem keramischen Überzug, um eine fertige Verlängerung zu erzeugen.

Beispiel 1

Ein existierendes Schaufelteil in der Form einer Turbinenschaufel, die aus einer Legierungszusammensetzung von Ni-13,7 Al-7,9 Cr-12,3 Co-2,1 Ta-0,1 B-0,9 Mo-1,6 W-0,9 Re-0,6 C-0,5 Hf, abgesehen von Verunreinigungen, in Atomprozent wurde als ein Gegenstand zum Formen einer Verlängerung gemäß dem Verfahren nach dieser Erfindung verwendet. Bei dieser Auswertung war es gewünscht, eine Verlängerung zu dem stromlinienförmige Abschnitt von einer Turbinenschaufel hinzuzufügen, um die Reparatur von einer Spitze, wie sie in den Fig. 3- 10 gezeigt und hier beschrieben ist, zu simulieren. Die Mikrostruktur von dieser gegossenen Schaufel wies eine Anzahl direktional erstarrter Körner auf in der Orientierung ähnlich denjenigen, die in Fig. 4 dargestellt sind. Das Material, das als das geschmolzene Material verwendet war, hatte nominell die gleiche Legierungschemie wie diejenige der Schaufel. Eine Charge dieser Ni-Basis-Superlegierung wurde in einen wassergekühlten Schmelztiegel aus Kupfer eingebracht, der in einer Kammer angeordnet wurde, die mit Argongas gefüllt werden konnte. Die Kammer wurde mit Argon gefüllt und die Legierung wurde in dem Schmelztiegel geschmolzen. Die Superlegierungs-Charge wurde in dem Schmelztiegel durch Verwendung einer Induktionsheizeinrichtung geschmolzen und auf eine Temperatur von 1400ºC erhitzt. Der Gegenstand wurde in einer Halteeinrichtung angeordnet, die einen Bolzen aufwies, an dem der Gegenstand angeschweißt wurde, der seinerseits an einer Antriebseinrichtung befestigt wurde, die einen Gewindeantriebsstab mit einem digitalen Kodierer zum Tauchen, Halten und Herausziehen des Gegenstandes aufwies. Die Antriebseinrichtung wurde mit einer Einrichtung zum Steuern der Bewegung der Antriebseinrichtung verbunden, die eine Computer-basierte Steuerung enthielt, die die Tiefe des Einführens des Gegenstandes in das Verlängerungsende des geschmolzenen Materials, die Haltezeit und die Geschwindigkeit des Herausziehens steuern konnte. Die Schaufel wurde dann in das Schmelzbad bis zu einer Tiefe von etwa 1-5 mm abgesenkt und für S Minuten gehalten. Während dieser Periode trat die Schaufel mit der Schmelze in Wechselwirkung, indem der eingesetzte Abschnitt zurückgeschmolzen wurde. Ferner wirkte die Schaufel dann als ein orientierter Wachstumskeim zum Verfestigen der Verlängerung aus der Superlegierungsschmelze. Die Schaufel wurde dann herausgezogen, indem sie mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/Min. aus der Schmelze herausbewegt wurde. Das Herausziehen und die direktionale Erstarrung wurden fortgesetzt, bis eine Verlängerung von etwa 6 mm/Min. verfestigt worden war. Dies gestattete, dass eine Verlängerung mit der gleichen polykristallinen, direktional erstarrten Kristallstruktur wie die Schaufel verfestigt wurde. Die Verlängerung war kontinuierlich und einstückig mit dem Verlängerungsende des Gegenstandes.
Der Gegenstand, der aus der Ausführung dieser Erfindung erzeugt wurde, enthielt eine Basis und einen teilweise hohlen stromlinienförmigen Abschnitt mit einem äußeren Querschnitt. Er enthielt nur deshalb keine Schaufelspitze des hier beschriebenen Typs, weil er keine Endwand hatte. Jedoch war die Konfiguration so, dass die Wände des stromlinienförmigen Abschnittes eine Dicke von etwa 6 mm hatten, was dem Umfangsrand in einer typischen Turbinenschaufel mit einer Endwand, wie sie hier beschrieben ist, stark angenähert ist. Deshalb werden die Mikrostruktur und Geometrie von typischen Turbinenschaufelspitzen von diesem Beispiel stark angenähert, und es dient dazu, das Verfahren dieser Erfindung für das Aufwachsen oder Reparieren derartiger Spitzen zu demonstrieren. Der verwendete Gegenstand hatte eine erste Kristallstruktur in dem stromlinienförmigen Abschnitt, der mehrere direktional orientierte, langgestreckte Körner aufwies, und eine erste metallurgische Struktur auf der Basis der Legierungszusammensetzung des Gegenstandes. Einstückig und kontinuierlich mit dem stromlinienförmigen Abschnitt war eine Verlängerung mit einer zweiten Kristallstruktur als eine Fortsetzung von und kompatibel mit der ersten Kristallstruktur des stromlinienförmigen Abschnitts, und sie hatte auch eine zweite metallurgische Struktur, die ebenfalls kontinuierlich und kompatibel mit, aber etwas unterscheidbar von der ersten metallurgischen Struktur war aufgrund eines leicht unterschiedlichen Dendritearmabstandes, der aus unterschiedlichen thermischen Gradienten resultierte, die zum Aufwachsen des ursprünglichen Gegenstandes und des neuen Schaufelendes verwendet wurden. Dieses Beispiel enthielt zwar nicht die Verwendung einer keramischen Form, aber der in diesem Beispiel beschriebene Erstarrungsprozess ist beispielhaft für Erstarrungsprozesse, die auftreten, wenn eine keramische Form verwendet wird. Die keramische Form definiert die Form der erstarrten Verlängerung.
Der Grenzflächenteil zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt und der Verlängerung ist unterschiedlich von denjenigen, die für bekannte Verfahren berichtet werden, wie beispielsweise das Diffusionsbonden von angepassten, getrennt erzeugten, selbständigen Teilen. Er war in einigen Beziehungen ähnlich zu der Grenzfläche, die in den zum Stand der Technik angegebenen Patenten beschrieben ist, die das kontinuierliche Gießen von Schaufelspitzen beschreiben. Es ist jedoch keine Einrichtung notwendig, um in dem Verfahren gemäß dieser Erfindung das geschmolzene Material mit einem Fluiddruck zu beaufschlagen. Der Hauptunterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und einem Großteil des Standes der Technik liegt an der Grenzfläche. In dem vorliegenden Beispiel kann die Verlängerung epitaxial aufgewachsen werden, indem eine Schicht von Atomen nach der anderen aus dem geschmolzenen Material niedergelegt wird, das für die Verlängerung auf die Oberfläche des Gegenstandes gewählt ist. Somit können die Körner der Verlängerung zusammenhängend mit denjenigen des Gegenstandes über der Grenzfläche zwischen ihnen sein. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet ferner, dass die sekundäre Korn(Dendrit)-Orientierung aufgewachsen wird, anders als die bekannten Grenzflächen-Bindetechniken, für die diese sekundäre Kornorientierung in der Querrichtung schwer anzupassen ist. Es kann ein epitaxial gewachsener Bereich oder eine reparierte Fläche gebildet werden, die an die ursprüngliche metallurgische Kornstruktur oder Orientierung des Gegenstandes nicht nur in der primären, sondern auch der sekundären Richtung angepasst ist. Der Vorteil gegenüber den meisten hiermit in Beziehung stehenden Reparaturverfahren, die gleichachsige Körner an der Grenzfläche und in der reparierten Fläche haben, ist signifikant hinsichtlich der mechanischen und metallurgischen Eigenschaften, da die metallurgische Kornstruktur des ursprünglichen Gegenstandes bei Verwendung der meisten hiermit in Beziehung stehenden Verfahren nicht an die Verlängerung oder reparierte Fläche angepasst ist. Selbst wo unterschiedliche Legierungen für den Körper und die Verlängerung gewählt werden, ist anzunehmen, dass es im allgemeinen eine Abstufung in der metallurgischen Struktur in dem Grenzflächenbereich als ein Ergebnis des raschen Mischens von Atomarten in der Flüssigkeit neben der erstarrten Struktur gibt. Selbst wenn die meisten hiermit in Beziehung stehenden Verfahren mit großer Sorgfalt ausgeführt werden, besteht eine große Wahrscheinlichkeit für lokale Oberflächenunregelmäßigkeiten und kleine Fehlausrichtungen zwischen dem Körper und einer separaten Verlängerung, was eine gewisse Art einer einen kleinen Winkel aufweisenden Grenze zwischen den zwei Teilen zur Folge haben kann. In ähnlicher Weise gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass verunreinigende Materie auf einem der Teile in der Grenzfläche eingeschlossen wird, wodurch die Verbindung geschwächt wird. Zusätzlich verschließen die bekannten Praktiken zum Reparieren eines derartigen Gegenstandes gewöhnlich und in nachteiliger Weise die Kanäle, wenn das geschmolzene Metall in diese fließt und erstarrt. Dann sind zusätzliche Bearbeitungsvorgänge erforderlich, um die Kanäle wieder zu öffnen.
Das vorstehende Beispiel demonstrierte, dass ein gesteuertes Wachstum von Verlängerungen des Typs, der bei der Reparatur einer stromlinienförmigen Schaufelspitze mit einem ähnlichen Querschnitt wie der stromlinienförmige Hauptabschnitt erforderlich sein würde, erreicht werden kann. Aus wenn dieses Beispiel nur eine Verlängerung enthielt, so sollte verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung ausgedehnt werden kann, um das gleichzeitige Wachsen von vielen Verlängerungen zu umfassen, wie beispielsweise Vielfach-Turbinenschaufelspitzen. Die vorliegende Erfindung kann auch verwendet werden zur Reparatur von anderen direktional orientierten Gegenständen mit Kanälen, wie beispielsweise stromlinienförmigen Leitschaufeln.
Wie auch in den bezogenen Patenten angegeben ist, ist zwar zu folgern, dass die Kristallstruktur der Verlängerung im wesentlichen die gleiche sein sollte wie diejenige des existierenden Gegenstandes, es wurde aber unerwarteterweise gefunden, dass eine wesentliche Abweichung in der metallurgischen Struktur, insbesondere der Legierungszusammensetzung, zwischen der Verlängerung und dem bestehenden Gegenstand zulässig ist und in einigen Fällen sogar bevorzugt sein kann. Dieses Ergebnis kann auch auf die Nutzung des Verfahrens gemäß der Erfindung der Anmelder angewendet werden.
Das Verfahren gemäß dieser Erfindung hat in verschiedenen Hinsichten unerwartete Vorteile gegenüber bekannten Verfahren zur Herstellung von Verlängerungen für Gegenstände, wie beispielsweise stromlinienförmige Abschnitte. Geschweißte Verlängerungen müssen Zusammensetzungen, Schmelzcharakteristiken, Fließcharakteristiken und möglicherweise andere Eigenschaften haben, die die Verwendung der Schweißverfahren, die zu ihrer Bildung verwendet werden, erleichtern, und somit haben sie häufig Zusammensetzungen, die sich von den Zusammensetzungen der Gegenstände unterscheiden, zu denen sie hinzugefügt werden. Weiterhin haben geschweißte Verlängerungen üblicherweise eine gleichachsige Mikrostruktur aufgrund der Natur der Schweißverfahren, die zu ihrer Bildung verwendet werden, und somit bilden sie nicht die direktional orientierten Mikrostrukturen, die mit dem Verfahren gemäß dieser Erfindung möglich sind. Es ist bekannt, dass durch Diffusion gebundene oder andere gebundene Verlängerungen Grenzflächen haben, die häufig Defekte enthalten, wie beispielsweise Fehlstellen und/oder einen kleinen Winkel bildende Korngrenzen, wie es hier beschrieben ist. Somit kann die Grenzfläche zwischen der Verlängerung und dem Gegenstand schwächer sein als es ihr gewisse Anwendungen wünschenswert ist. Bekannte Verfahren zum Gießen von Verlängerungen, auf die hier auch Bezug genommen ist, verwenden unterschiedliche Formverfahren, die die Verwendung von zusätzlichen Vorrichtungen erfordern, wie beispielsweise keramische Gesenke, Gesenkverlängerungen und Mittel zur Druckbeaufschlagung des geschmolzenen Bades, aus dem sie gebildet werden, die für die Benutzung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind. Die Tatsache, dass Verlängerungen, die die hier beschriebenen, wünschenswerten mikrostrukturellen Merkmale haben, ohne die Verwendung von solchen zusätzlichen Vorrichtungen geformt werden können, wodurch Kosten zum Formen derartiger Verlängerungen gesenkt und die Gefahr für eine Kontamination durch derartige Vorrichtungen vermieden wird, ist ein signifikanter und unerwarteter Vorteil gegenüber diesen bekannten Verfahren zum Gießen von Verlängerungen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer integralen Verlängerung auf einem Gegenstand, enthaltend die Schritte:

Wählen eines Gegenstandes mit einem Verlängerungsende, das eine Querschnittsform, eine Verlängerungsbindefläche und eine äussere Fläche aufweist, die durch die Querschnittsform definiert ist, wobei das Verlängerungsende auch eine Mikrostruktur hat, die eine Superlegierungszusammensetzung und eine direktional orientierte Kristallstruktur aufweist;

Befestigen eines Dorns (12) an der Verlängerungsbindefläche, wobei der Dorn eine Querschnittsform, die mit der Querschnittsform des Verlängerungsendes kompatibel ist, und eine äussere Fläche hat, die mit der äusseren Fläche von dem Verlängerungsende in Verbindung steht;

Formen einer keramischen Form (16) über der äusseren Fläche von dem Dorn und wenigstens einem Teil der äusseren Fläche von dem Verlängerungsende, wobei die Form eine Formkammer mit einer Form hat, die durch den Dorn definiert und geeignet ist, die Form von einer integralen Verlängerung zu definieren, wobei die Form wenigstens eine Steuervorrichtung hat, die mit der Formkammer in Verbindung steht;

Entfernen des Dorns;

Tauchen des Verlängerungsendes des Gegenstandes in ein Bad von einem geschmolzenen Material mit einer Legierungszusammensetzung, die mit der Superlegierungszusammensetzung des Gegenstandes kompatibel ist, so daß das geschmolzene Material durch die Steuervorrichtung in die Form eintritt und den Dorn kontaktiert;

Halten des Verlängerungsendes in Kontakt mit dem geschmolzenen Material für eine ausreichende Zeit, um zu gestatten, daß ein Teil von der Verlängerungsbindefläche erhitzt wird durch und mit dem geschmolzenen Material als ein Wachstumskeim der Mikrostruktur in Wechselwirkung tritt; und

Herausziehen des Verlängerungsendes aus dem geschmolzenen Material unter gesteuerten thermischen Bedingungen und mit einer Geschwindigkeit, die bewirkt, daß das geschmolzene Material auf dem Wachstumskeim an einer Grenzfläche zwischen ihnen als eine integrale Verlängerung erstarrt, die mit der Form der Formkammer übereinstimmt und eine Mikrostruktur hat, die mit der Mikrostruktur des Verlängerungsendes kompatibel ist, wobei die gesteuerten thermischen Bedingungen, daß ein Temperaturgradient in dem Gegenstand so aufrecht erhalten wird, daß die Temperatur an der Grenzfläche am höchsten ist und innerhalb des Gegenstandes als eine Funktion des zunehmenden Abstandes von der Grenzfläche abnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand ein Schaufelteil ist, der eine Längsachse, einen Fuss, eine Spitze mit einem stromlinienförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse, eine Spitzenbindefläche und eine stromlinienförmige Spitzenfläche und einen stromlinienförmigen Abschnitt aufweist, der den Fuss und die Spitze verbindet, und wobei die Spitze dem Verlängerungsende entspricht, die Spitzenbindefläche der Verlängerungsbindefläche entspricht, die stromlinienförmige Spitzenfläche der äusseren Fläche entspricht und der stromlinienförmige Querschnitt der Querschnittsform entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dorn ein Material aufweist, das aus der aus reinen Metallen, Metalllegierungen, Polymeren, Wachsen und Salzen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die keramische Form auch wenigstens eine Verunreinigungs-Abgabevorrichtung aufweist, die mit der Formkammer in Verbindung steht und geeignet ist, das Mitreißen von Verunreinigungen während des Tauchschrittes zu verhindern.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner der Schritt vorgesehen ist, daß das Verlängerungsende des Gegenstandes mit einer externen Vorrichtung erhitzt wird zum Erhitzen während eines der Schritte des Tauchens, Haltens oder Herausziehens, um den Temperaturgradienten an der Grenzfläche und innerhalb des Gegenstandes zu steuern.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner ein Schritt des Kühlens des Gegenstandes mit einer externen Vorrichtung vorgesehen ist zum Kühlen während eines der Schritte des Tauchens, Haltens oder Herausziehens, um den Temperaturgradienten an der Grenzfläche und innerhalb des Gegenstandes zu steuern.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner der Schritt, daß das Verlängerungsende des Gegenstandes erhitzt wird mit einer externen Vorrichtung zum Erhitzen und auch der Schritt vorgesehen ist, daß der Gegenstand an einer anderen Stelle als dem Verlängerungsende des Gegenstandes mit einer externen Vorrichtung gekühlt wird zum Kühlen während eines der Schritte des Tauchens, Haltens oder Herausziehens, wobei beide Schritte durchgeführt werden, um den Temperaturgradienten an der Grenzfläche und innerhalb des Gegenstandes zu steuern.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die integrale Verlängerung eine direktional orientierte Mikrostruktur hat.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die direktional orientierte Mikrostruktur der integralen Verlängerung im wesentlichen eine epitaxiale Verlängerung der direktional orientierten Mikrostruktur des Verlängerungsendes des Gegenstandes ist.