DE69914299T2

DE69914299T2 - Verfahren zur Herstellung dünner keramischer Kerne für die Giesserei

Info

Publication number: DE69914299T2
Application number: DE69914299T
Authority: DE
Inventors: Thierry Jean Emile Chartier; Vincent Louis Christian David; Mischael Francois Louis Derrien; Eric Jean Eberschveiller; Franck Edmond Maurice Truelle; Isabelle Marie Monique Valente
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: EP1013360B1; EP1013360A1; DE69914299D1; US6286582B1; FR2785836B1; FR2785836A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnen keramischen Kernen für den Präzisionsguß und die Anwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Turbinenschaufeln.
Die Verwendung von Gießkernen vom sogenannten "keramischen" Typ ist namentlich für gewisse Anwendungen bekannt, bei denen eine Menge von strengen Qualitätseigenschaften und -kriterien, wie hohe Temperaturfestigkeit, das Fehlen von Reaktivität, Abmessungsstabilität und gute mechanische Eigenschaften, gefordert ist. Von den Anwendungen, bei denen solche Forderungen auftreten, seien insbesondere aeronautische Anwendungen erwähnt, wie z. B. die Herstellung von Turbinenschaufeln für Turbostrahltriebwerke in der Gießerei. Durch die Vervollkommnung der Gießverfahren, die sich von der gleichachsigen Gießerei zur Gießerei durch gesteuerte Verfestigung oder zur monokristallinen Gießerei entwickelt haben, sind diese Anforderungen bezüglich der Kerne noch gewachsen, deren Verwendung und deren Komplexität durch die Suche nach hohen Leistungen für die herzustellenden Werkstücke bedingt sind, wie dies z. B. bei hohlen Schaufeln mit Innenkühlung der Fall ist. Diese Anwendungsgebiete knüpfen an die Präzisionsgießverfahren an, insbesondere an das unter der Bezeichnung Wachsausschmelzguß bekannte Verfahren. In allen diesen Fällen kommt die Verwendung des Kerns für die Herstellung von hohlen Werkstücken ins Spiel.
Bei dem sogenannten Wachsausschmelzguß benutzt man einen Kern aus keramischem Material, der beim Gießen des Metalls in der Form gehalten wird, wobei die Außenfläche des Kerns die Innenfläche eines inneren Hohlraums des auf diese Weise gewonnenen Endprodukts bildet. Die Präzision und die Stabilität der Abmessungen des Kerns sind also wesentlich, um die für die Metallgußstücke angestrebten Dicken zu erreichen.
Bekannte Beispiele für die Zusammensetzung, die für die Zubereitung solcher Kerne bestimmt sind, finden sich in FR-A-2 371 257 und umfassen im wesentlichen geschmolzenes Siliziumdioxid, Zirkonstaub und Kristobalit, das eine Form von kristallisiertem Siliziumdioxid ist, wobei ein Silikonharz als Bindemittel benutzt wird und zusätzliche Elemente, wie ein Schmiermittel und ein Katalysator, in geringen Mengen hinzugefügt werden. Das Zubereitungsverfahren wird ebenfalls beschrieben.
Im allgemeinen bestehen die zum Gießen der Teile und Schaufeln benutzten Kerne aus Keramik mit allgemein poröser Struktur: Diese Kerne werden aus einer hitzebeständigen Frak tion (in Form von Partikeln) und einer mehr oder weniger komplexen organischen Fraktion hergestellt. Ein anderes Beispiel ist in EP-A-0 328 452 beschrieben.
Die Formgebung der Gießkerne kann in an sich bekannter Weise, namentlich aus thermoplastischen Massen, durch Abformen erfolgen, wobei z. B. mit Spritzpressen gearbeitet wird. Auf diese Formgebung folgt ein Entbinderungsprozeß, in dessen Verlauf die organische Fraktion des Kerns durch verschiedene bekannte Mittel, wie Sublimation oder thermische Zersetzung, je nach den verwendeten Materialien, eliminiert wird. Dadurch ergibt sich eine poröse Struktur. Auf die hitzebeständige Fraktion wird dann eine thermische Härtungsbehandlung des Kerns angewendet, die eine Verfestigung der porösen Struktur ermöglicht. Diese Behandlung bringt eine Änderung der Abmessungen in Form eines Schwindens mit sich, das, bezogen auf die Ausgangsform, im Volumen des Kerns häufig nicht isotrop ist.
In diesem Stadium kann es notwendig sein, den Kern zu verstärken, damit er in dem nachfolgenden Verwendungszyklus nicht beschädigt wird. Es ist bekannt, in diesem Fall insbesondere eine Imprägnierung mit einem organischen Harz durchzuführen.
Mit den Verbesserungen an den Kühlkreisen von Turbinenschaufeln sind jedoch neue Bedürfnisse aufgetreten, die neue Anforderungen an die bei der Herstellung dieser Schaufeln in der Gießerei benutzten Kerne mit sich bringen. Insbesondere ist es bei den herkömmlichen Herstellungsverfahren für keramische Kerne durch Spritzpressen kaum möglich, Kerne mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm über einen großen Querschnitt zu gewinnen.
Das Verfahren zur Herstellung von dünnen keramischen Gießkernen, die diesen Bedürfnissen entsprechen, ohne daß die Nachteile der bekannten früheren Verfahren auftreten, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte aufweist:

(a) Zubereiten einer Lösung, die in Massenverhältnissen 30% eines in Massenverhältnissen 70% Siliziumoxid und 30% Zirkon enthaltenden keramischen Werkstoffs und 70% eines Bindematerials aufweist, das in Massenverhältnissen aus 50% bis 70% eines Lösungsmittels, 50% bis 70% eines Bindemittels, einem Weichmacher, der 5% bis 10% eines ersten Produkts und 10% bis 15% eines zweiten Produkts aufweist, und 1% eines Dispergierungsmittels besteht;
(b) Bandgießen eines Bandes mit konstanter Dicke auf einem Träger aus der in dem Verfahrensschritt (a) erhaltenen Lösung;
(c) Trocknen des in dem Verfahrensschritt (b) erhaltenen Bandes;
(d) in Form bringen in einer Gießform;
(e) Erwärmen des Bandes in der Gießform bei 100°C während 30 Minuten;
(f) Pressen des Bandes in der Gießform unter einem Druck von 400 MPa während 3 Minuten;
(g) Brennen des in dem Verfahrensschritt (f) erhaltenen Teils in einer Vorform aus Keramik unter den für den keramischen Werkstoff festgelegten Temperatur- und Zeitbedingungen;
(h) Imprägnieren des in dem Verfahrensschritt (g) erhaltenen Kerns mit einem Harz oder einem organischen Polymer.

Vorteilhafterweise werden ein oder mehrere auf diese Weise gewonnene dünne Kerne entweder miteinander oder mit einem dicken zentralen Kern zusammengesetzt.
Die so gewonnene Kernanordnung kann dann für den Wachsausschmelzguß nach den geläufigen, an sich bekannten Verfahren mit Wachseinspritzen, Anordnen zu einer Traube, Härten und Gießen der Metallteile benutzt werden, um Teile wie Turbinenschaufeln herzustellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
1 zeigt ein Realisierungsschema für einen Bandgießvorgang,
2 zeigt ein Beispiel für die Anwendung eines dünnen Kerns gemäß der Erfindung für eine Turbinenschaufel.
In dem ersten Schritt (a) des Verfahrens zur Herstellung von dünnen keramischen Kernen für den Präzisionsguß gemäß der Erfindung wird eine Lösung zubereitet, indem in Massenverhältnissen gemischt werden:

– einerseits 30% eines keramischen Werkstoffs in Massenverhältnissen von 70% Siliziumoxid und 30% Zirkon,
– andererseits 70% eines Bindemittels, bestehend aus Massenverhältnissen von 50% bis 70% eines Bindemittels, zusammengesetzt aus einem Lösungsmittel in Massenverhältnissen von 50% bis 70%, das in einem Ausführungsbeispiel bestehen kann aus einer azeotropischen Mischung von Methylethylketon und Ethanol, 15% bis 20% eines Bindemittels, das in diesem Beispiel aus Polyvinylbutyral besteht, einem Weichmacher, der in diesem Beispiel aus 5% bis 10% Dibutylphtalat und 10% bis 15% Polyethylenglykol besteht und schließlich 1% eines Dispergierungsmittels, das in diesem Beispiel aus Phosphorester besteht.

Um eine gute Entlüftung zu erreichen, wird die Zubereitung vorzugsweise während wenigstens 48 Stunden mit einer geringen Geschwindigkeit von 1 bis 2 Umdrehungen pro Minute in Rotation versetzt.
In dem folgenden Schritt (b) des Verfahrens wird die gewonnene Lösung, wie dies in 1 schematisch dargestellt ist, auf einen Träger 1 aufgetragen, der das Gießbett bildet. Ein mit einem Messer 3 ausgestatteter Schlitten 2 ermöglicht es, ein Band 4 mit konstanter Dicke herzustellen.
Nach einem Trocknungsvorgang erhält man in dem folgenden Schritt (c), der eine Verdunstung des Lösungsmittels bewirkt, ein weichelastisches keramisches Band, das aufgrund seiner Plastizität in dem folgenden Schritt (d) in einer Form angeordnet werden kann.
In dem folgenden Schritt (e) wird dann das Band in der Gießform während 30 Minuten auf 100°C vorerwärmt. Die benutzte Gießform zum Ausformen besteht vorzugsweise aus Metall.
Das Band wird dann in dem folgenden Schritt (f) gepreßt. Während 3 Minuten wird ein Druck von 40 MPa aufgebracht, wobei das Band in der Gießform bleibt. Das so erhaltene Teil kann dann in dem folgenden Schritt (g) in einer Vorform aus Keramik angeordnet werden und einem Standard-Brennzyklus unterzogen werden, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, dessen Zusammensetzungen oben angegeben wurden, beinhaltet, das Gasteil während 4 Stunden auf 1250°C gehalten wird.
In dem folgenden Schritt (h) wird dann der gewonnene dünne Kern mit einem Harz oder einem organischen Polymer imprägniert. Der Kern besitzt eine ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit, so daß er für die Anwendung beim Gießen benutzt werden kann, wobei er insbesondere beim Einspritzen des Wachses in dem an sich bekannten Wachsausschmelzguß Druckkräften ausgesetzt wird. 2 zeigt einen dünnen Kern 5, der für die Herstellung einer Turbinenschaufel 6 benutzt wird.
Um die angestrebten geometrischen Eigenschaften des Gußteils zu gewährleisten, kann der so hergestellte dünne Kern dann mit anderen dünnen Kernen zusammengesetzt oder mit einem dicken zentralen Kern verbunden werden, der z. B. nach einem klassischen Verfahren zur Herstellung von Gießkernen hergestellt wird. Für dieses Zusammensetzen können verschiedene Verfahren angewendet werden. So kann der dünne Kern insbesondere durch Kleben befestigt werden, wobei z. B. ein keramischer Klebstoff auf der Basis von kolloidalem Siliziumoxid und einem mineralischen Füllstoff des Typs Mullit in Massenverhältnissen von z. B. 30 zu 70 benutzt wird. Für das Zusammensetzen kann man sich auch einer mechanischen Zapfen-Lochverbindung bedienen, oder man kann das Zusammensetzen mit Hilfe eines Quarzrohrs bewerkstelligen, das durch die Kerne dringt, wobei das Rohr durch einen keramischen Klebstoff in einem Hohlraum gehalten wird.
Der durch das Zusammensetzen gewonnene Mehrfachkern kann dann wie ein Standard-Gießkern benutzt werden und die einzelnen Schritte des Gießzyklus durchlaufen: Einspritzen von Wachs, Zusammensetzen zu einer Traube, Härten, Gießen des herzustellenden Teils, Abkühlen, Eliminieren des Kerns.
Einer der Vorteile, die sich durch die Verwendung von dünnen Kernen gemäß der Erfindung ergeben, besteht darin, daß die Arbeitsschritte zum Einstellen der Abkühlung der hergestellten, mit Hohlräumen versehenen Teile, wie Turbinenschaufeln, erleichtert werden. Die Änderungen werden nämlich erleichtert, weil die hergestellten Kerne bearbeitet werden können.
Durch die Herstellung geringer Dicken, wie z. B. Dicken von 0,3 mm, kann die Zirkulation der Kühlflüssigkeit so nahe wie möglich an den zu kühlenden Wänden konzentriert werden.
Die Verwendung von dünnen keramischen Kernen gemäß der Erfindung bringt außerdem verschiedene Anwendungsvorteile mit sich, und man kann insbesondere:

– Turbulenzaktivatoren in Form von Stegen oder Rippen erzeugen, nachdem der Kern hergestellt wurde,
– thermische Brücken, Trennwände entwickeln,
– eine modulierbare Kühlung für die einzelnen Zonen erreichen,
– das Ausströmen von Kaltluft auf eine bestimmte Stelle des Profils, z. B. einer Schaufel, richten,
– im Fall einer beweglichen Schaufel die Schaufelspitze kühlen, wobei die Luft direkt vom Fuß zur Spitze der Schaufel prallt,
– einen direkten Ausgang des dünnen Kerns in der Schaufelspitze oder in der Hinterkante einer Schaufel anbringen, um den Kühlluftdurchfluß abzuführen.

Die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung lieferte außerdem gute Ergebnisse bei der Produktion, wobei nur wenig Ausschußteile beobachtet wurden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von dünnen keramischen Kernen für den Präzisionsguß, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte aufweist: (a) Zubereiten einer Lösung, die in Massenverhältnissen 30% eines in Massenverhältnissen 70% Siliziumoxid und 30% Zirkon enthaltenden keramischen Werkstoffs und 70% eines Bindematerials aufweist, das in Massenverhältnissen aus 50% bis 70% eines Lösungsmittels, 50% bis 70% eines Bindemittels, einem Weichmacher, der 5% bis 10% eines ersten Produkts und 10% bis 15% eines zweiten Produkts aufweist, und 1% eines Dispergierungsmittels besteht; (b) Bandgießen eines Bandes mit konstanter Dicke auf einem Träger aus der in dem Verfahrensschritt (a) erhaltenen Lösung; (c) Trocknen des in dem Verfahrensschritt (b) erhaltenen Bandes; (d) in Form bringen in einer Gießform; (e) Erwärmen des Bandes in der Gießform bei 100°C während 30 Minuten; (f) Pressen des Bandes in der Gießform unter einem Druck von 400 MPa während 3 Minuten; (g) Brennen des in dem Verfahrensschritt (f) erhaltenen Teils in einer Vorform aus Keramik unter den für den keramischen Werkstoff festgelegten Temperatur- und Zeitbedingungen; (h) Imprägnieren des in dem Verfahrensschritt (g) erhaltenen Kerns mit einem Harz oder einem organischen Polymer.
Verfahren zur Herstellung von dünnen keramischen Kernen nach Anspruch 1, bei dem nach der Zubereitung der Lösung in dem Verfahrensschritt (a) ein zusätzlicher Arbeitsgang ausgeführt wird: (a1) Man versetzt die erhaltene Lösung mit einer geringen Geschwindigkeit von 1 bis 2 Umdrehungen pro Minute wenigstens 48 Stunden lang in Rotation, um eine Entlüftung der Lösung zu erreichen.
Verfahren zur Herstellung von dünnen keramischen Kernen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Brennen in dem Verfahrensschritt (g) 4 Stunden lang bei 1250°C durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernen dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 erhaltener dünner kerami scher Kern mit wenigstens einem anderen dünnen keramischen Kern zusammengefügt und/oder an einem dicken zentralen Kern angebracht wird, der nach einem klassischen Verfahren zur Kernherstellung gewonnen wurde.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernen nach Anspruch 4, bei dem das Zusammenfügen durch Kleben erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernen nach Anspruch 5, bei dem das Kleben mit Hilfe eines keramischen Klebstoffs auf der Basis von kolloidalem Siliziumoxid und einem mineralischen Füllstoff auf der Basis von Mullit in den Massenverhältnissen von 30 zu 70 durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernen nach Anspruch 4, bei dem das Zusammenfügen durch eine mechanische Zapfen-Loch-Verbindung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernen nach Anspruch 5, bei dem das Zusammenfügen mit Hilfe eines Quarzrohrs vorgenommen wird, das die Kerne durchdringt und durch keramischen Klebstoff gehalten wird.