DE69835646T2

DE69835646T2 - Verstärkte keramische Maskenform und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69835646T2
Application number: DE69835646T
Authority: DE
Inventors: Rajeev V. Yorktown Naik; John Yorktown Corrigan
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1997-09-23
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: US20020134526A1; US6568458B2; JPH11156483A; DE69835646D1; EP0903189A1; JP4458565B2; US20020084057A1; JP2009208152A; EP0903189B1; US20010009182A1; JP5078946B2; US6460599B1; US6364000B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstärkte keramische Feingießschalenform, welche besonders geeignet ist zum Gießen von großen Industriegasturbinen- und Luft- und Raumfahrtkomponenten, und ein Verfahren zur Herstellung derselben, derart, dass die Schalenform erhöhte Festigkeit und Kriechwiderstand bei erhöhten Gießtemperaturen aufweist, um die Gussstückdimensionskontrolle aufrechtzuerhalten.
Keramische Feingießschalenformen finden breite Verwendung beim Feingießen von Superlegierungen und anderen Metallen/Legierungen, um Gasturbinentriebwerkskomponenten, z.B. Turbinenschaufeln, und Luft- und Raumfahrtkomponenten, z.B. Flugwerkskomponenten, nettoformnahe zu erzeugen, wobei die Dimensionskontrolle des Gussstücks durch die Schalenformhohlraumdimensionen bereitgestellt wird.
Die Notwendigkeit von Industriegasturbinen (IGTs) mit verbessertem Betriebsleistungsverhalten hat den Bedarf an großen IGT-Komponenten mit gerichtet erstarrten (DS-)Mikrostrukturen, z.B. mit Stängelkorn- und Einkristall-Gussmikrostrukturen, gesteigert. Jedoch unterwirft die Herstellung von DS-Komponenten die keramische Feingießschalenform Gießparametern, z.B. erhöhten Temperaturen, metallostatischen Drücken und Zeiten, die über die Leistungsfähigkeit von derzeitigen keramischen Feingießschalenformen hinausgehen. Insbesondere sind derzeitige keramische Feingießschalenformen ausbeul- und rissanfällig während DS-Gießprozessen, insbesondere, wenn die Schalenform mit einer großen Menge an geschmolzenem Metall/Legierung gefüllt ist, bei höheren Gießtemperaturen und längeren Zeiten, die z.B. benötigt werden, um eine gerichtete Erstarrung der IGT-Komponenten zu bewirken.
Wenn die Feingießschalenform während des DS-Gießprozesses ausbeult oder durchbiegt, geht die Dimensionskontrolle verloren und es werden ungenau dimensionierte Gusskomponenten erzeugt. Ferner kann erhebliche Rissbildung der Schalenform auftreten und in Auslaufen von geschmolzenem Metall/Legierung und einem Ausschuss-Gussstück resultieren.
Die üblichsten keramischen Formmaterialien, z.B. Aluminiumoxid und Zirconoxid, die zur Herstellung von keramischen Schalenformen verwendet werden, zeigen eine Kriechverformung bei ca. 1482 °C (2700 °F), wobei die Kriechverformung mit zunehmender Temperatur und Haltezeit bei Temperatur ansteigt. Haltezeiten, die über 3 Stunden hinausgehen, und Temperaturen, die über 1538 °C (2800 °F) hinausgehen, sind beim Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten üblich. Zusammen mit dem beteiligten erhöhten metallostatischen Druck sind diese Gießparameter streng genug, dass konventionelle keramische Schalenformen bisher nicht geeignet waren für das Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten. Insbesondere resultierte die Verwendung von konventionellen keramischen Schalenformen für das Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Schaufeln in Veränderungen in der Schaufelsehnenbreite oder Veränderungen an Schaufelbogen und Versetzung – indikativ für Ausbeulen oder Durchbiegen der Form während des DS-Gießens.
Es besteht daher dringender Bedarf an robusteren keramischen Schalenformen, die diesen strengen Gießparametern standhalten und Kriechverformung, z.B. Ausbeulen und Durchbiegen, sowie Rissbildung widerstehen können, um das Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit Dimensionskontrolle zu erlauben.
Es wurden verschiedene Versuche untersucht, um die Leistungsfähigkeit von keramischen Schalenformen, die mittels konventioneller Keramikmaterialien hergestellt wurden, zu erhöhen. So beinhaltete z.B. ein Versuch die Verwendung von Komposit-Schalenformen, hergestellt aus Kombinationen von Keramikmaterialien, um Kornwachstum zu minimieren und damit Kriechverformung der Form zu verringern. Das US-Reissue-Patent Nr. 34 702 beschreibt einen weiteren Versuch, wobei eine Aluminiumoxid-basierte oder Mullit-basierte keramische Faserverstärkung um die Form gewickelt wird. Diese Techniken haben zwar die Grenzen konventioneller Schalenformen weiter ausgedehnt, sind aber nicht als ausreichend befunden worden, den strengen Gießparametern, denen das Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit Dimensionskontrolle unterliegt, zu genügen.
Die EP-A-0 763 392 und die US-A-4 690 867 betreffen Materialien zur Verwendung beim Gießen von niedrigschmelzenden Metallen, wobei die Materialien Mischungen von Keramikmaterial und Carbonfasern sind, die, weil sie mit dem Keramikmaterial vermischt und gleichmäßig dispergiert sind, in den Mischungen statistisch orientiert vorliegen.
Die GB-A-1 410 634 offenbart keramische Feingießschalenformen, hergestellt durch Tauchen eines verlorenen Modells in eine Zusammensetzung, umfassend ein Keramikmaterial und Carbonfasern, und Aushärten der Schalenformen durch Erhitzen bei Temperaturen von bis zu 1500 °C. Die Carbonfasern sollen von kurzer Länge sein, vorzugsweise 1–2 mm lang, und mit dem Keramikmaterial gemischt werden, um eine frei und gleichmäßig fließende Zusammensetzung zu erhalten.
Die US-A-5 535 811 betrifft ebenfalls keramische Schalenformen, welche einer Gießtemperatur von 1655 °C (3100 °F) standhalten und hergestellt werden durch Aufbringen, z.B. durch Aufsprühen, einer Zusammensetzung vom Aufschlämmungs- oder Suspensionstyp, welche ein Keramikmaterial und Carbonfasern enthält, auf ein Modell.
Die JP-A-61 232 035 schlägt verstärkte keramische Schalenformen vor, hergestellt auf konventionelle Weise aus einer Zusammensetzung, welche geschnittenen feinen Stahldraht umfasst.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer keramischen Feingießschalenform, welche so verstärkt ist, dass sie verbesserten Widerstand gegen Kriechverformung und Rissbildung bei erhöhten Gießtemperaturen zeigt, speziell unter den im Vorstehenden erwähnten strengen Gießparametern, die das Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit Dimensionskontrolle verlangt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer keramischen Feingießschalenform, welche so verstärkt ist, dass sie verbesserten Widerstand gegen Kriechverformung und Rissbildung bei erhöhten Gießtemperaturen zeigt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit Dimensionskontrolle.
Gemäß vorliegender Erfindung werden diese Aufgaben durch die Form nach Anspruch 1, das Formherstellungsverfahren nach Anspruch 11 bzw. das Gießverfahren nach Anspruch 21 erfüllt; weitere Verbesserungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10, 12 bis 20 und 22 bis 24 definiert.
In Einklang mit der Erfindung, wie hierin verkörpert und allgemein beschrieben, wird eine keramische Feingießschalenform mit einer kohlenstoffbasierten Faserverstärkung verstärkt, die eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit aufweist, welche ausreichend ist, um die Kriechverformung der Form, z.B. Ausbeulen oder Durchbiegen, bei hohen Gießtemperaturen, insbesondere bei Temperaturen, wie sie während des Gießens von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten erfahren werden, zu vermindern. Vorzugsweise ist die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung hergestellt aus Carbonfasern oder -filamenten mit einer Zugfestigkeit von mindestens ca. 17 600 kg/cm² (250 000 psi) bei Raumtemperatur von 21 °C (70 °F) und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als der durchschnittliche thermische Ausdehnungskoeffizient der Schalenform, um eine Druckbelastung der Form bereitzustellen.
Carbonfasertau (umfassend eine große Zahl von Carbonfasern oder -filamenten) mit einer Taubruchfestigkeit von 40,8 bis 74,8 kg (90 bis 165 lbf), vorzugsweise 54,4 bis 74,8 kg (120 bis 165 lbf), bei Raumtemperatur, ist besonders bevorzugt als die Verstärkung.
Die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung ist vorzugsweise an den keramischen Aufschlämmungs-/Stuccoschichten angeordnet, welche die Zwischendicke der Schalenformwand bilden. Nur als Beispiel kann die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung um die eine Zwischendicke der Schalenformwand bildende Schalenformschicht sechs bis neun angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Modell, welches die gewünschte Gestalt der zu erzeugenden Gusskomponente aufweist, in Keramikaufschlämmung getaucht und dann mit einem relativ groben Keramikstucco versehen, wobei die Abfolge wiederholt wird, um eine Schalenformwand aufzubauen, welche sich wiederholende keramische Aufschlämmungs-/Stuccoschichten auf dem Modell umfasst. An keramischen Aufschlämmungs-/Stucco-Zwischenschichten, welche eine Schalenformwandzwischendicke definieren, wird die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung um die Schalenformwand aufgebracht, vorzugsweise durch Umwickeln der Schalenformzwischenwand in einer spiralförmigen Konfiguration, gefolgt von einer Fortsetzung der Tauch- und Stuccoaufbringungsschritte zum Aufbau der Schalenformwandgesamtdicke über der Verstärkung. Wenn verwendet, kann die spiralförmig gewickelte kohlenstoffbasierte Faserverstärkung einen Raum zwischen Folgewicklungen von ca. 0,51 bis 2,54 cm (0,2 bis 1 Inch) aufweisen.
Eine kohlenstoffbasierte gewebte oder geflochtene fasertextilartige Verstärkung kann verwendet werden, um Bereiche der Schalenform zu verstärken, bei denen sich das Wickeln der Verstärkung um die Schalenform schwierig gestaltet oder verbietet.
Ein Verfahren zum Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit Dimensionskontrolle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Vorwärmen einer keramischen Feingießschalenform wie oben beschrieben auf eine erhöhte Gießtemperatur von mehr als ca. 1538 °C (2800 °F), Einführen von geschmolzenem Metall in die vorgewärmte Schalenform und gerichtetes Erstarren des in der Schalenform befindlichen geschmolzenen Metalls durch Ausbreitung einer Erstarrungsfront durch das geschmolzene Metall über einen längeren Zeitabschnitt, um eine Stängelkorn- oder Einkristall-Mikrostruktur zu bilden. Große IGT-Komponenten beinhalten typisch die Einführung von geschmolzenem Metall in dem Bereich von ca. 18 bis ca. 136 kg (40 bis ca. 300 lb) an geschmolzenem Metall in die vorgewärmte Schalenform und Erstarrenlassen in derselben über einen Zeitabschnitt von ca. 3 bis ca. 6 Stunden.
Die obigen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Zeichnung in Verbindung mit der nachfolgenden Detailbeschreibung noch besser verdeutlicht.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Seitenansicht, wobei ein Bereich weggebrochen wurde, die eine keramische Feingießform gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, verstärkt mit einem kohlenstoffbasierten Faserverstärkungstau, mit dem sie bewickelt ist.
2 ist ein Graph, der die Aufrechterhaltung der Festigkeit in Prozent einer keramischen Form, einer Nextel 440-Faser und einer Carbonfaser mit zunehmender Temperatur zeigt.
3 ist eine perspektivische Darstellung einer keramischen Feingießform gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, verstärkt mit einem kohlenstoffbasierten Faserverstärkungstau, mit dem sie bewickelt ist.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Detail Bezug genommen auf eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die besonders geeignet ist zum Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit genauer Dimensionskontrolle, obschon die vorliegende Erfindung auch zum Gießen einer Vielzahl von anderen Komponenten unter Verwendung von Gießtechniken, die von Techniken zur gerichteten Erstarrung verschieden sind, Verwendung finden kann.
Ein verlorenes Modell, welches die Gestalt der gewünschten, zu erzeugenden Gusskomponente aufweist, wird bereitgestellt. Das Modell kann hergestellt sein aus Wachs, Kunststoff, Schaumstoff oder einem anderen geeigneten Modellmaterial zur Verwendung in dem sogenannten Verfahren nach dem "verlorenen Wachsmodell". Das Verfahren nach dem "verlorenen Wachsmodell" ist wohlbekannt und umfasst das Tauchen des Modells in eine Keramikaufschlämmung, umfassend Keramikpulver oder -mehl in einem Binder, zur Bildung einer Aufschlämmungsschicht auf dem Modell, Ablaufenlassen von überschüssiger Aufschlämmung und dann Aufbringen einer Stuccoschicht von relativ groben, trockenen Keramikstuccopartikeln (z.B. Aluminiumoxidpartikel mit 120 mesh oder gröber). Nach Trocknen der Aufschlämmungs-/Stuccoschichten wird die Abfolge von Tauchen/Ablaufenlassen/Stuccoaufbringung wiederholt, um die gewünschte Schalenformwanddicke aufzubauen. Der anfänglich auf das Modell aufgebrachte Aufschlämmungsüberzug oder -schicht bildet eine sogenannte Frontschicht, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt und ein hochrefraktäres Keramikmaterial und einen Binder umfasst. Hierzu kann die Keramikaufschlämmung Siliciumoxid-, Aluminiumoxid-, Zirconoxid- oder andere geeignete Keramikpulver oder -mehle in einem geeigneten Binder (z.B. kolloidales Siliciumoxid) in Abhängigkeit von dem in der Schalenform zu vergießenden Metall umfassen.
Für die praktische Umsetzung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Tauch-/Stuccoaufbringungsschritte über der Frontschicht typisch wiederholt, um eine Zwischendicke der Schalenformwand aufzubauen, die kleiner ist als die finale, gesamte Formwanddicke. Die verwendete Zwischendicke der Wand kann variiert werden in Abhängigkeit von der gewünschten Formwandenddicke. Typisch kann die Schalenformzwischendicke aufgebaut werden durch sechs- bis neunmaliges Wiederholen des Tauchschritts und des Stuccoaufbringungsschritts. Jegliche an der Schalenform gebildete scharte Kanten und Ecken werden in der Zwischenstufe des Schalenaufbaus abgerundet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine kohlenstoffbasierte Faserverstärkung 12 um die Schalenformzwischendicke der Schalenform in einem verstärkungsbedürftigen Bereich angeordnet. Beispielsweise ist in 1 die Verstärkung 12 um die Schalenformzwischendicke in einem Tragflächenspitzenbereich R1 der Form 11 zur Herstellung einer großen Industriegasturbinenschaufel angeordnet. Der Tragflächenspitzenbereich der Schalenform 11 ist mit einer Formbasis B verbunden, die ihrerseits auf einer Abschreckplatte (nicht gezeigt) einer DS-Gießvorrichtung aufliegt, wie hinreichend bekannt. Die Verstärkung 12 kann um die ganze Schalenform oder einen verstärkungsbedürftigen Bereich derselben angeordnet sein. Die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung weist eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit auf, die mit der Formtemperatur in dem Bereich der DS-Gießtemperaturen, wo konventionelle Keramikmaterialien schwach sind, ansteigt, und weist ferner einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der durchschnittliche thermische Ausdehnungskoeffizient der Schalenform, um eine Druckbelastung der Schalenform bei Gießtemperatur bereitzustellen. Der durchschnittliche thermische Ausdehnungskoeffizient der Schalenform basiert auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramikmaterialien, umfassend die keramischen Aufschlämmungspulver und den keramischen Stucco.
Die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung 12 umfasst bevorzugt mehr ein PAN-basiertes Material von Polyacrylnitril als ein pechbasiertes Material von teer-basiertem Material. Hierzu umfasst die Verstärkung 12 vorzugsweise PAN-basierte Carbonfasern oder -filamente mit einer Zugfestigkeit von mindestens ca. 17 600 kg/cm² (250 000 psi) bei Raumtemperatur und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei 1482 °C (2700 °F), der ca. 1/4 des durchschnittlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schalenform beträgt. Derartige Carbonfasern und -filamente sind kommerziell erhältlich von Amoco Corporation, Greenville, South Carolina, und Hecules Corporation, Wilmington, Delaware. Die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung weist typisch eine kontinuierliche Länge auf, die ausreichend ist, um nach Bedarf um die Schalenformwandzwischendicke gewickelt zu werden, z.B. wie in 1 für eine IGT-Tragfläche dargestellt.
Eine bevorzugte längliche kohlenstoffbasierte Faserverstärkung umfasst ein Carbonfasertau mit einer Taubruchfestigkeit von 40,8 bis 74,8 kg (90 bis 165 lbf), vorzugsweise 54,4 bis 74,8 kg (120 bis 165 lbf). Ein derartiges Carbonfasertau umfasst typisch 12 000 bis 24 000 geflochtene Fasern oder Filamente, welche das Tau bilden. Ein gedrehtes Fasertau ist vorteilhaft im Sinne günstiger Handhabbarkeit und Umwicklung der Formwandzwischendicke. Die Fasern oder Filamente weisen typisch Einzeldurchmesser im Bereich von 0,25 bis 0,51 mm (10 μm bis 20 μm) auf.
Die Bruchfestigkeit des Carbonfasertaus ist abhängig von seinem Gesamtdurchmesser, der seinerseits von der Zahl der Carbonfasern oder -filamente in dem Tau sowie den Einzelfaserdurchmessern abhängt. Eine repräsentative Bruchfestigkeit eines Carbonfasertaus, welches einen Durchmesser von 0,86 mm (0,034 Inch) aufweist und 12 000 Filamente mit einem Durchmesser von 0,30 mm (12 μm) enthält, beträgt ca. 40,8 kg (90 lbf), während diejenige für ein Tau, welches einen Durchmesser von 1,83 mm (0,072 Inch) aufweist und 24 000 Filamente des gleichen Durchmessers enthält, ca. 74,8 kg (165 lbf) beträgt. Ein Carbonfasertau dieses Typs ist kommerziell erhältlich von der Firma Fiber Materials Inc., Biddeford, Maine.
2 illustriert die Aufrechterhaltung der Raumtemperaturfestigkeit in Prozent bei erhöhten Temperaturen für eine für die Umsetzung der Erfindung geeignete Carbonverstärkungsfaser vom Polyacrylnitril-Typ, Mullit-basierte Keramikfasern vom Typ Nextel 440 und ein keramisches Schalenformmaterial (Aluminiumoxid-basierte Aufschlämmungs-/Stuccoschichten).
Anders als die anderen in 2 gezeigten Materialien verliert die Carbonverstärkungsfaser nicht ihre Zugfestigkeit mit zunehmenden Temperaturen in dem Bereich typischer Gießtemperaturen von 1510 bis 1566 °C (2750 bis 2850 °F) für DS-Gießprozesse. Die Zugfestigkeit der Carbonverstärkungsfaser steigt mit zunehmender Temperatur in dem DS-Gießtemperaturbereich von 1510 bis 1566 °C (2750 bis 2850 °F) und, genereller, von 1371 °C bis 2205 °C (2500 bis 4000 °F).
Obschon eine mit Nextel 440 verstärkte Schalenform gemäß U.S.-Reissue Nr. 34 702 relativ gut funktioniert bis zu Temperaturen von 1510 °C (2750 °F), solange die Haltezeit kurz ist (z.B. 2 Stunden) und der metallostatische Druck niedrig ist, führt eine Erhöhung der Gießtemperatur über 1538 °C (2800 °F) hinaus dazu, dass die mit Nextel 440-Faser verstärkte Schalenform Kriechverformung infolge der Erweichung der Nextel-Fasern zeigt, wie in 2 illustriert.
Eine carbonfaserverstärkte Schalenform gemäß vorliegender Erfindung vermindert oder vermeidet ein derartiges Kriechen als eine Folge der mit der Temperatur zunehmenden Zugfestigkeit und Kriechwiderstand der Carbonfasern, wie in 2 illustriert. Eine derartige erhöhte Zugfestigkeit und Kriechwiderstand der Schalenform ist für die großen keramischen Schalenformen erforderlich, die zum Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten mit Dimensionskontrolle verwendet werden.
Die Verstärkung 12 ist um die Schalenformzwischendicke mit ausreichender Spannung angeordnet, so dass sie während sich anschließender Handhabung, Tauch- und Stuccoaufbringungsschritte, die erforderlich sind, um die Schalenform auf ihre Gesamtdicke aufzubauen, fix bleibt. Falls gewünscht, kann ein keramischer Adhäsiv- oder Tauchüberzug verwendet werden zum lokalen Befestigen der freien Enden und Zwischenbereiche der Faserverstärkung an der Schalenform, was eine günstige Handhabung ergibt.
Die Verstärkung 12 ist typisch in einer im Wesentlichen kontinuierlichen spiralförmigen Konfiguration um die Zwischendicke der Schalenform gewickelt mit einem Raum 13 zwischen Folgewicklungen oder -spiralen. Der Raum zwischen Folgespiralwicklungen wird bereitgestellt, um einen geeigneten Schalenaufbau um die Verstärkung 12 zu erlauben, um die Verstärkung konstruktiv mit der Schalenform zu verbinden. Hierzu kann der Raum zwischen Folgespiralwicklungen der Verstärkung 12 ca. 5,1 bis 25,4 mm (0,2 bis 1 Inch) für die Carbonfaserverstärkung 12 betragen.
Nach erfolgter Anordnung der Verstärkung 12 um die Formwandzwischendicke werden die übrigen keramischen Aufschlämmungs- und Stuccoschichten aufgebracht, um die Formwand W auf die gewünschte finale Gesamtdicke aufzubauen. Die grüne Schalenform wird dann getrocknet, einem Modellentfernungsvorgang unterworfen, z.B. einem konventionellen Entwachsungsvorgang für ein Wachsmodell, und konventionell bei erhöhter Temperatur (z.B. 982 °C (1800 °F)) gebrannt, um ausreichend Formfestigkeit für das Gießen zu entwickeln.
Alternativ kann ein aus einer kohlenstoffbasierten Faser hergestelltes, lose gewebtes oder geflochtenes Fasergewebe oder -textil 14 verwendet werden zum lokalen Verstärken von Bereichen der Schalenform, die nicht zugänglich sind für eine Spiralbewicklung mit der Verstärkung 12. Beispielsweise ist in 1 ein lose gewebtes oder geflochtenes Fasertextil 14 um einen Bereich R2 der Formwandzwischendicke positioniert, der eine Plattform der Schalenform 11 zur Herstellung einer großen Industriegasturbinenschaufel definiert.
An Stelle der oben beschriebenen Spiralbewicklung kann die Verstärkung in anderen Mustern um die Form herum aufgebracht werden, wie etwa – nur als Beispiel – in 3 gezeigt, wobei die Verstärkung 12' kreuzweise um einen Tragflächenbereich R1' einer Form angeordnet ist, die vergrößerte Plattform-Typ-Endbereiche R2' aufweist.
Die Erfindung kann realisiert werden, um praktisch jede verstärkte keramische Feingießschalenform bereitzustellen, und ist besonders geeignet und vorteilhaft für verstärkte keramische Feingießschalenformen zum Gießen von großen gerichtet erstarrten IGT-Komponenten (z.B. ca. 18,1 bis 136 kg (40 bis ca. 300 lb) pro Gussstück) mit genauer Dimensionskontrolle als eine Folge der Reduzierung oder Eliminierung von Kriechverformung, z.B. Ausbeulen oder Durchbiegen der Form, unter DS-Erstarrungsprozessbedingungen. Der DS-Erstarrungsprozess kann nach der wohlbekannten Formabzugstechnik durchgeführt werden, umfassend das Vorwärmen der auf einer Abschreckplatte in einem Gießofen befindlichen Schalenform auf eine gewählte erhöhte Gießtemperatur, Einführen von Schmelze in die vorgewärmte Form und allmähliches Abziehen der schmelzegefüllten, auf der Abschreckplatte befindlichen Form aus einem Gießofen über einen längeren Zeitabschnitt, um eine Stängelkorn- oder Einkristall-Mikrostruktur in dem Gussstück zu bilden. Ferner können die wohlbekannte Leistungsabschaltungstechnik sowie andere DS-Gießtechniken, die einen unidirektionalen Wärmeentzug aus dem geschmolzenen Metall in der Schalenform herstellen, verwendet werden.
Als eine Folge davon, dass die Carbonfaserverstärkung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der durchschnittliche thermische Ausdehnungskoeffizient der keramischen Materialien, welche die Schalenform bilden, übt die Verstärkung 12 eine Druckbelastung auf die Bereiche der Schalenform aus, auf denen sie angeordnet ist. Diese Druckbelastung dient dazu, die Grünfestigkeit (Festigkeit vor dem Brand), die Festigkeit nach dem Brand und die Heißgießfestigkeit der Schalenform zu erhöhen. Die durch die Verstärkung ausgeübte Druckbelastung steigt mit zunehmender Temperatur und hilft dabei, das Wachstum und die Ausbreitung jeglicher Risse, die sich durch vorausgehende Entwachsungsvorgänge gebildet haben können, zu minimieren.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung noch näher erläutern, ohne sie zu begrenzen.
BEISPIEL 1
Eine einkristalline Schalenform mit einer Länge von 40,64 cm (16 Inch) und einer Breite von 25,4 cm (10 Inch) wurde mit Carbonfasertauverstärkung an dem siebten Aufschlämmungstauchüberzug oder -schicht spiralförmig bewickelt. Die Formhöhlung war zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel ausgestaltet. Das Carbonfasertau war von der Firma Fiber Materials, Inc. erhältlich und wies einen Durchmesser von 1,91 mm (0,075 Inch) und 24 000 Carbonfilamente mit einem Einzelfilamentdurchmesser von 0,30 mm (12 μm) auf. Das Tau wurde mit insgesamt 7 Umwindungen spiralförmig um die Schalenformzwischenwanddicke aufgebracht, wie in 1 gezeigt, mit einem Raum zwischen Folgespiralwicklungen von 1,27 cm (1/2 Inch). Nach Bewicklung mit der Verstärkung wurde die Schalenform weiteren Tauch- und Stuccoaufbringungsschritten unterworfen, um 7 zusätzliche Schichten aufzubringen und die Schalenformwanddicke auf eine finale Wanddicke von 1,27 cm (1/2 Inch) zu bringen. Die keramische Aufschlämmung für die Tauchüberzüge umfasste eine Aluminiumoxidaufschlämmung, während der keramische Stucco einen Aluminiumoxidstucco umfasste.
Insgesamt wurden fünf solcher Schalenformen hergestellt. Jede Form wurde auf 1538 °C (2800 °F) vorgewärmt und mit 20,4 kg (45 lb) einer N5-Nickelbasis-Superlegierung bei einer Schmelzetemperatur von 1549 °C (2820 °F) vergossen, gefolgt von gerichteter Erstarrung nach der wohlbekannten Formabzugstechnik für einen Zeitabschnitt von 4 Stunden, um eine Erstarrungsfront durch die geschmolzene Legierung auszubreiten und ein einkristallines Gussstück in den Schalenformen zu bilden. Die Schalenformen hielten das geschmolzene Metall und erzeugten dimensional akzeptable Gussstücke.
BEISPIEL 2
Eine IGT-Schaufel-Schalenform mit einer Länge von 51 cm (20 Inch) und einer Breite von 15,2 cm (6 Inch) wurde mit Carbonfasertauverstärkung an dem achten getauchten Aufschlämmungsüberzug oder -schicht spiralförmig bewickelt. Das Carbonfasertau war von der Firma Fiber Materials, Inc. erhältlich und wies einen Durchmesser von 1,91 mm (0,075 Inch) und 24 000 Carbonfilamente mit einem Einzelfilamentdurchmesser von 0,30 mm (12 μm) auf.
Das Tau wurde mit insgesamt 8 Umwindungen spiralförmig um die Schalenformzwischenwand aufgebracht, wie in 1 gezeigt, mit einem Raum zwischen Folgespiralwicklungen von 16 mm (5/8 Inch). Nach Bewicklung mit der Verstärkung wurde die Schalenform weiteren Tauch- und Stuccoaufbringungsschritten unterworfen, um 7 zusätzliche Schichten aufzubringen und die Schalenformwanddicke auf eine finale Wanddicke von 1,27 cm (1/2 Inch) zu bringen. Die keramische Aufschlämmung für die Tauchüberzüge umfasste eine Aluminiumoxidaufschlämmung, während der keramische Stucco einen Aluminiumoxidstucco umfasste.
Die Schalenform wurde auf 1510 °C (2750 °F) vorgewärmt und mit 18,1 kg (40 lb) einer GTD-111-Nickelbasis-Superlegierung bei einer Schmelzetemperatur von 1510 °C (2750 °F) vergossen, gefolgt von gerichteter Erstarrung nach der wohlbekannten Formabzugstechnik für 4 Stunden, um eine Erstarrungsfront durch die geschmolzene Legierung auszubreiten und ein einkristallines Gussstück zu bilden. Die Schalenform hielt das geschmolzene Metall ohne Formleckage. Das Schaufelgussteil wurde dimensional beurteilt und als akzeptabel befunden bezogen auf Blaupausenspezifikationen und zeigte keine Zunahme der Schaufelsehnenbreite oder Veränderungen an Schaufelbogen und Versetzung, was das Nichtvorhandensein von Ausbeulen oder Durchbiegen der Form anzeigt.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht hierauf begrenzt, sondern allein durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

Keramische Feingießschalenform, welche eine mit einer Faserverstärkung verstärkte Formwand aufweist und einer Gießtemperatur von mindestens 1482 °C (2700 °F) standhält, wobei die Verstärkung eine kohlenstoffbasierte Faserverstärkung (a) in Form von einer Filamentwicklung, eines Fasertaus, gewebten Fasern und/oder geflochtenen Fasern ist und wenigstens um einen Bereich der Form angeordnet ist, und (b) aufweist: (i) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, mit dem sich bei der Gießtemperatur eine Druckbelastung in dem Bereich der Form, in dem die Verstärkung angeordnet ist, bereitstellen lässt, dadurch, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der durchschnittliche thermische Ausdehnungskoeffizient der Form, und (ii) ausreichend Zugfestigkeit bei der Gießtemperatur um die Kriechverformung der Form bei der Gießtemperatur zu vermindern.
Form nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung eine Mehrzahl von Carbonfasern oder -filamenten umfasst, welche eine Zugfestigkeit von mindestens ca. 17 600 kg/cm² (250 000 psi) bei Raumtemperatur aufweisen.
Form nach Anspruch 2, wobei die Carbonfasern oder -filamente einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der etwa 1/4 des durchschnittlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schalenform bei Raumtemperatur beträgt.
Form nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung ein Carbonfasertau mit einer Taubruchfestigkeit von ca. 40,8 bis 74,8 kg (90 bis ca. 165 lbf) umfasst.
Form nach Anspruch 4, wobei die Carbonfaserverstärkung ein gewebtes Carbonfasergarn umfasst.
Form nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung ein netzartiges Carbonfasergewebe oder -geflecht umfasst.
Form nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung an den wiederholten keramischen Aufschlämmungs-/Stuccoschichten angeordnet ist, welche die Zwischendicke der Schalenformwand bilden.
Form nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung um die eine Zwischendicke der Schalenformwand bildende Schalenformschicht sechs bis neun angeordnet ist.
Form nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung in einer spiraligen Konfiguration um die Schalenform gewickelt ist, mit einem Raum zwischen Folgewicklungen.
Form nach Anspruch 9, wobei die spiralige kohlenstoffbasierte Faserverstärkung einen Raum zwischen Folgewicklungen der Verstärkung von ca. 0,51 bis 2,54 cm (0,2 bis 1 Inch) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer keramischen Feingießschalenform nach Anspruch 1, umfassend das Überziehen eines Modells, welches die gewünschte Gestalt der Gusskomponente aufweist, mit Keramikaufschlämmung und dann mit Keramikstucco, wobei die Abfolge wiederholt wird, um eine Schalenformwand aufzubauen, und das Positionieren einer kohlenstoffbasierten Faserverstärkung in der Formwand in Form von einer Filamentwicklung, eines Fasertaus, gewebten Fasern und/oder geflochtenen Fasern, welche wenigstens um einen Bereich der Formwand angeordnet wird und aufweist: (i) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, mit dem sich bei der Gießtemperatur eine Druckbelastung in dem Bereich der Form, in dem die Verstärkung angeordnet ist, bereitstellen lässt, dadurch, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der durchschnittliche thermische Ausdehnungskoeffizient der Form, und (ii) ausreichend Zugfestigkeit bei der Gießtemperatur um die Kriechverformung der Form bei der Gießtemperatur zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend das Positionieren der kohlenstoffbasierten Faserverstärkung an einer Formwandzwischendicke.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung um die die Zwischendicke der Schalenformwand bildende Schalenformschicht sechs bis neun positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung in einer spiraligen Konfiguration auf die Schalenformzwischendicke gewickelt wird, mit einem Raum zwischen Folgewicklungen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die spiralige kohlenstoffbasierte Faserverstärkung einen Raum zwischen Folgewicklungen der Verstärkung von ca. 0,51 bis 2,54 cm (0,2 bis 1 Inch) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung Carbonfasern oder -filamente umfasst, welche eine Zugfestigkeit von mindestens ca. 17 600 kg/cm² (250 000 psi) bei Raumtemperatur aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Carbonfasern oder -filamente einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der etwa 1/4 des durchschnittlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schalenform bei Raumtemperatur beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung ein Carbonfasertau mit einer Taubruchfestigkeit von ca. 54,4 bis 74,8 kg (120 bis ca. 165 lbf) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Carbonfaserverstärkung ein gewebtes Carbonfasergarn umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die kohlenstoffbasierte Faserverstärkung ein netzartiges Carbonfasergewebe oder -geflecht umfasst.
Verfahren zum Gießen einer großen gerichtet erstarrten Komponente mit Dimensionskontrolle, umfassend das Vorwärmen einer keramischen Feingießschalenform nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf eine erhöhte Gießtemperatur von ca. 1538 °C (2800 °F) und darüber, Einführen eines geschmolzenen Metalls in die vorgewärmte Schalenform und gerichtetes Erstarren des in der Schalenform befindlichen geschmolzenen Metalls durch Ausbreitung einer Erstarrungsfront durch das geschmolzene Metall über eine längere Zeit, um eine Stängelkorn- oder Einkristall-Mikrostruktur zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine geschmolzene Nickelbasis- oder Cobalt-Superlegierung in die Schalenform eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ca. 18 bis 136 kg (40 bis 300 lb) geschmolzenes Metall in die Form eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das geschmolzene Metall über einen Zeitabschnitt von ca. 2 bis ca. 6 Stunden gerichtet erstarren gelassen wird.