DE69927822T2

DE69927822T2 - Verstärkte keramische schalenform und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69927822T2
Application number: DE69927822T
Authority: DE
Inventors: Asish Ghosh; Joseph Frederick KLUG; Harold Philip MONOGHAN; Steven Paul SVEC; Arthur Robert GIDDINGS
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2019-07-20
Also published as: KR100629998B1; EP1098724B1; JP2004516938A; EP1098724A1; WO2000005011A1; JP4409769B2; KR20010053592A; DE69927822D1; TW418128B; US6431255B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein das Gießen von Metallen. Genauer gesagt betrifft sie Schalenformen, die beim Gießen von Metallkomponenten eingesetzt werden, wie z.B. von Komponenten, die aus Superlegierungen hergestellt werden.
Das Gießen von Metallen erfolgt nach verschiedenen Verfahren, wie z.B. dem Genauguss. Keramische Schalenformen werden beim Genauguss eingesetzt, um das Metall in geschmolzenem Zustand aufzunehmen und zu formen. Festigkeit und Unversehrtheit der Form sind wichtige Faktoren, um sicher zu stellen, dass das Metallteil die richtigen Abmessungen aufweist. Diese Eigenschaften für Schalenformen sind bei der Herstellung von Hochleistungskomponenten wie z.B. von in der Raumfahrtindustrie verwendeten Komponenten aus Superlegierungen besonders kritisch.
Die Genaugusstechniken erfordern oft sehr hohe Temperaturen, beispielsweise im Bereich von ca. 1450° bis 1750°C. Viele herkömmliche Schalenformen verfügen bei diesen Temperaturen über nicht genügend Festigkeit. Die Formen erleiden Ausbauchungen und Rissbildungen wenn sie mit dem geschmolzenen Metall gefüllt werden (Ausbauchung kann auch auftreten, wenn sehr große Teile – selbst bei niedrigeren Temperaturen – gegossen werden). Ein Ausbauchen kann die Abmessungen der Form verändern, was zu einer unerwünschten Variationsbreite bei der zu gießenden Komponente führt. Eine Rissbildung könnte zu einer defekten Form führen, wenn das geschmolzene Material ausläuft.
Es wird deutlich, dass man für Schalenformen, die bei sehr hohen Gießtemperaturen eingesetzt werden oder für solche, die zum Gießen von sehr großen Teilen Verwendung finden, eine größere Festigkeit und Formbeständigkeit benötigt. Auf dieses Problem ist J. Lane in dem US-Patent 4,998,581 eingegangen. In dieser Offenbarung werden Schalenformen bei ihrer Herstellung durch Wickeln eines faserigen Verstärkermaterials um die Schalenform verstärkt. Für bevorzugte Ausführungsformen wird angegeben, dass das Verstärkermaterial eine auf Aluminiumoxid oder Mullit basierende keramische Zusammensetzung mit einer spezifischen Mindestzugfestigkeit ist. Das Verstärkermaterial wird offensichtlich spiralförmig um die Schalenform mit einer Spannung gewickelt, die ausreicht, es an Ort und Stelle zu halten, wenn auf die Form keramische Schichten aufgetragen werden, um sie auf die gewünschte Dicke zu bringen.
Das Lane-Patent scheint Antworten auf die oben aufgeworfenen Probleme zu geben. Bei Ausführung der in diesem Patent beschriebenen Erfindung treten jedoch beträchtliche Nachteile auf. Beispielsweise lassen sich Materialien auf Basis von Mullit nur schwer herstellen, ohne dass nebenher Einschlüsse von entweder Siliciumoxid oder Aluminiumoxid enthaltenden Verbindungen auftreten. Diese Einschlüsse können die physilkalischen Eigenschaften der Form zerstören. Darüber hinaus weisen viele der in dem US-Patent 4,998,581 verwendeten Verstärkermaterialien eine viel kleinere Wärmeausdehnung auf als die Form. Diese großen Unterschiede in der Wärmeausdehnung erschweren die Herstellung von rissfreien Formen.
Es sollte daher auf der Hand liegen, dass im Stand der Technik weitere Verbesserungen der Eigenschaften von Schalenformen, die unter den oben beschriebenen Bedingungen zum Einsatz kommen, willkommen sind. Die Schalenformen sollten über die Festigkeit verfügen, die hohen Gießtemperaturen von Metallen auszuhalten und sollten auch für das Gießen großer Teile geeignet sein. Die Formen sollten auch bei höheren Temperaturen und durch zahlreiche Aufheizung/Abkühlungs-Zyklen hindurch formbeständig sein. Werden darüber hinaus die Formen durch Einsatz von Verstärkermaterialien verbessert, sollten solche Materialien vor dem Brennen flexibel genug sein, damit sie den Anforderungen an die Gestalt der Form genügen, insbesondere dann, wenn kompliziert geformte Metallkomponenten gegossen werden sollen. Schließlich sollte die Herstellung von verbesserten Schalenformen ökonomisch vertretbar sein, z.B. sollte hierfürnicht ein Einsatz einer beträchtlichen Menge an zusätzlicher Ausrüstung erforderlich sein. Die Verwendung der neuen Formen sollte nicht zu einem unerwünschten Anstieg der Herstellungskosten für Metallteile beim Genauguss führen.
In der JP-A-55064945 wird eine Form für das Präzisionsgießen beschrieben, bei der keine Risse entstehen und die in hoher Ausbeute erhalten wird, indem keramische Verstärkermaterialien zwischen den oder auf der Außenseite von Mehrschichten aus feuerfesten Lagen auf der Oberfläche des Löschungsmusters abgeschieden werden. Die keramischen Verstärkermaterialien sind faserig oder gitterförmig.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben beschriebenen erwünschten Verbesserungen wurden mittels der Entdeckungen erhalten, auf denen die Erfindung basiert. Ein Aspekt der Erfindung besteht aus einer keramischen Gießschalenform mit einer vorgewählten Form und mit sich wiederholenden Schichten aus einem keramischen Material, welche die Dicke und Gestalt der Form definieren, sowie einer auf Keramik basierenden, in den Schichten aus keramischem Material angeordneten Matte. Die Matte richtet sich im Wesentlichen nach der Gestalt der Form und sorgt für eine strukturelle Verstärkung der Form. In vielen Ausführungsformen umfasst die Gießschale

(a) alternierende sich wiederholende Schichten aus einem keramischen Schichtmaterial und einem keramischen Stuck, welche die Gesamtdicke der Schalenform definieren; und
(b) eine auf Keramik basierende Matte aus verstärkendem Material, welche bei einerdazwischen liegenden Dicke in den alternierenden sich wiederholenden Schichten aus Schichtmaterial und Stuck angeordnet ist.

Das Verstärkermaterial für die Matte ist gewöhnlich ein auf Siliciumcarbid oder auf Aluminiumoxid oder Aluminat basierendes Material Es lassen sich auch Mischungen aus jedem dieser Materialien einsetzen. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die verstärkende Matte Fasern mit bidirektionaler Ausrichtung. Darüber hinaus ist die Matte vorzugsweise innerhalb von ca. 10% bis ca. 40% der Wandstärke von der Innenseite der Form her oder innerhalb von ca. 10% bis ca. 25% der Wandstärke von der Außenseite der Form her angeordnet. Ferner sind die Öffnungen auf der Fläche der Matte groß genug, um keramische Teilchen passieren zu lassen, wenn die Matte aus dem Beschichtungsmaterial und dem Stuck hergestellt wird. Darüber hinaus liegt in bevorzugten Ausführungsformen der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) der Matte innerhalb von ca. 50% des CTE der Schichten der Schalenform, in welche sie eingebettet wird.
Ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Gießschalenform wird ebenfalls beschrieben und umfasst die Schritte:

(I) Auftragen einer auf Keramik basierenden Verstärkungsmatte auf eine Keramikschichtoberflache einer partiellen Schalenform, z.B. einer mit einem Genaugießverfahren hergestellten;
(II) Vervollständigung der Schalenform durch Aufragen zusätzlicher keramischer Schichten auf der Verstarkungsmatte; und dann
(III) Brennen der Schalenform bei einer erhöhten Temperatur.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schalenformen weisen im Vergleich zu vielen Schalenformen des Standes der Technik erhebliche Verbesserungen in der Festigkeit und Formbeständigkeit bei hohen Temperaturen auf. In solche Schalenformen lassen sich viele Metalle oder Metalllegierungen wie z.B. Superlegierungen auf Basis von Nickel erfolgreich gießen.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verstärkte Schalenformen sind im Stand der Technik bekannt. Darüber hinaus gibt es ein breites Angebot an Informationen zu Schalenformen für den Genauguss. Beispielhafte Quellen für brauchbare Informationen sind die folgenden: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Auflage, Band 7, S. 798 ff.; Modern Metalworking von J. R. Walker, The Goodheart-Willcox Co., Inc., 1965; Shell Molding and Shell Mold Castings von T.C. Du Mond, Reinhold Publishing Corp., 1954und Casting and Forming Processes in Manufacturing von J. S. Campbell, Jr., McGraw-Hill Book Company, Inc., 1950.
Schalenformen sind gewöhnlich aus feuerfesten Teilchen zusammengesetzt (z.B. feuerfesten Oxidteilchen), die über ein Siliciumoxid- oder Phosphatgel aneinander gebunden werden. Beispiele für typische feuerfeste Teilchen sind Materialien auf Basis von Aluminiumoxid, Materialien auf Basis von Aluminat (z.B. Yttriumaluminat) oder Mischungen aus diesen Materialien. In verschiedenen Patenten werden viele Aspekte herkömmlicher Verfahren mit Schalenformen beschrieben. Die folgenden stehen dafür als Beispiele und werden hiermit alle als Referenz eingeführt: US-Patente 4,998,581 (Lane et al.); 4,097,292 (Huseby et al.); 4,086,311 (Huseby at al.); 4,031,945 (Gigliotti Jr. et al.); 4,026,344 (Greskovich); 3,972,367 (Gigliotti, Jr. et al.) und 3,955,616 (Gigliotti Jr. et al.).
Ein für die vorliegende Erfindung besonders geeignetes Genaugießverfahren ist das "Modellwachs-Verfahren". In einer Version dieser Technik wird ein Wachsmuster (d.h. ein Abbild des zu gießenden Teils) wiederholt in eine flüssige Aufschlämmung aus feuerfesten Oxidteilchen in einem siliciumoxid- oder phosphathaltigen Bindemittel getaucht. Gewöhnlich weist die Aufschlämmung einen hohen Anteil an den keramischen Feststoffen auf, z.B. mindestens etwa 40 Vol.-%, wobei der Rest entionisiertes Wasser, einorganisches Lösungsmittel oder eine Mischung von beiden ist. Zwischen den Eintauchphasen ist genügend Zeit vorgesehen, damit die Schlammschicht auf dem Wachs teilweise oder vollständig trocknen kann. Nachdem die Keramik auf dem Wachs eine ausreichende Dicke erreicht hat, wird das Wachs, wie weiter unten beschrieben, mit verschiedenen Techniken entfernt. Die fertige Form wird dann gebrannt, wodurch sie eine ausreichende Festigkeit erhält, um in dem Gießverfahren keinen Schaden zu erleiden.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung wird das Wachsmuster zunächst in die Aufschlämmung getaucht und dann das überschüssige Material von dem Muster ablaufen gelassen. unmittelbar nach dem Benetzen des Wachsmusters aber noch vor seinem Trocknen wird das Muster mit zusätzlichen keramischen Materialien, z.B. keramischen Oxiden, "besprengt". Diese Abschei dung erfolgt oft in einer standardisierten Fließbett-Kammer und die aufgetragene Schicht wird oft als "keramischer Stuck" bezeichnet. Die Abfolge des Eintauchens und Besprengens der keramischen Materialien auf dem Muster wird solange wiederholt, bis die gewünschte Dicke erreicht worden ist. Die anderen Schritte wie z.B. das Entfernen des Wachses und das Brennen sind konventionell.
Ein wichtiger Umstand bei der vorliegenden Erfindung ist das Vorliegen von mindestens einer auf Keramik basierenden Matte, die sich in der Schalenform, d.h. in der Wand der Schalenform befindet. Die Matte kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Nicht einschränkende Beispiele sind Materialien auf Basis von Aluminiumoxid, Materialien auf Basis von Siliciumcarbid sowie Mischungen aus jedem dieser Materialien. Der hier verwendete Ausdruck "auf Basis von" bezieht sich auf das Vorkommen des jeweiligen Materials in einer Menge von über etwa 50 Gew.-%. Somit enthalten diese Materialien auch andere Bestandteile wie z.B. andere keramische Oxide wie Siliciumdioxid, Boroxid und dergl..
Die Zusammensetzung der verstärkenden Matte wird zum Teil von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des Materials bestimmt, das zur Herstellung der Matte verwendet wurde. Bei Einsatztemperaturen im Bereich von ca. 1500° bis 1750°C sollte das Mattenmaterial (wenn es, wie weiter unten beschrieben, in die Schichten der Schalenform eingebettet und an ihnen befestigt ist) typischerweise einen thermischen Ausdehnungs-koeffizienten aufweisen, der innerhalb von etwa 50% des thermischen Ausdehnungs-koeffizienten der Schalenformschichten liegt, in welche es eingebettet wird. In bevorzugten Ausführungsformen liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient innerhalb von etwa 30% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schalenformschichten.
Die Matte ist gewöhnlich aus keramischen Fasern der oben beschriebenen Materialien gefertigt. In einigen Fällen werden die Fasern hergestellt, indem eine Anzahl von Strängen aus den keramischen Materialien miteinander verdrillt werden (in der vorliegenden Beschreibung sind "Stränge" die Streckenstücke von Materialien, die verwendet werden, um eine einzelne "Faser" zu bilden). Beispiele für im Handel erhältliche Stränge, die für die Bildung der Matten eingesetzt werden können sind die Nextel^®-Materialien, z.B.
Nextel^® 440 (70 Gew.-% Aluminumoxid, 28 Gew.-% Siliciumdioxid, 2 Gew.-% Boroxid), Nextel^® 550 (73 Gew.-% Aluminumoxid und 27 Gew.-% Siliciumdioxid); Nextel^® 610(über 99 Gew.-% Aluminiumoxid, 0,2–0,3 Gew.-% Siliciumdioxid, 0,.4–0,7 Gew.-% Eisenoxid) und Nextel^® 720 (85 Gew.-% Aluminiumoxid und 15 Gew.-% Siliciumdioxid). Diese Materialien können von der 3M Company bezogen warden und weisen einen Durchmesser von ca. 10–12μ auf. Sei werden z.B. in Ceramic Oxide Fibers: building Blocks for New Applications von T. L. Tompkins, einem Nachdruck aus Ceramic Industry, April 1995 beschrieben, welches hiermit als Referenz eingeführt wird.
Die Fasern weisen gewöhnlich einen Durchmesser im Bereich von ca. 25 μ bis ca. 2000 μ auf. In bevorzugten Ausführungsformen liegt der Durchmesser im Bereich von ca. 250 μ bis ca. 1000 μ. Somit können als Beispiel ca. 25 Stränge aus einem der Nextelmaterialien miteinander verdrillt werden, um eine Faser mit dem gewünschten Durchmesser zu bilden. (Selbstverständlich könnten auch Stränge mit kleineren oder größeren Durchmessern als die Nextel-Materialien verwendet werden). Während die Fasern mit der Hand verdrillt werden könnten, sind mechanische Techniken zum Verdrillen der Stränge zur Bildung von Fasern auf verschiedenen Gebieten der Textil- und Tauwerkindustrie gut bekannt, wie dies z.B. in der Encyclopedia Americana, Americana Corporation, Band 7, SS. 681–685b (1964) beschrieben ist, welche hiermit als Referenz eingeführt wird.
Die für die Herstellung der Matten verwendeten Fasern weisen eine bidirektionale Ausrichtung auf. Mit anderen Worten sind die Fasern im Allgemeinen kreuzweise zueinander angeordnet. Sie sind auch gewöhnlich miteinander verflochten. Webstoffe werden oft über ihre Kettfäden (senkrecht verlaufende Fasern) und ihre Schussfäden (waagerecht verlaufende Fasern) beschrieben. Im vorliegenden Fall sind die senkrechten und waagerechten Fasern relativ zueinander gewöhnlich in einem Winkel von ca. 90° ausgerichtet, da die Herstellungsverfahren gewöhnlich eine solche Ausrichtung liefern. Der Grad der Ausrichtung kann jedoch etwas variieren.
Die Matte kann durch Weben der Fasern mittels in der Textilherstellung bekannter maschineller Ausrüstung hergestellt werden. Informationen zum Weben, die Maschinenausstattung und Gewebe finden sich in der Encyclopedia Americana, Americana Corporation, Band. 26, SS.. 467b–481 (1964) und in Band 29, SS. 651–652 (1964), wobei beide Texte hiermit als Referenz eingeführt werden. Die Fasern können auch mit Hand gewoben werden. Die Matte weist gewöhnlich eine Dicke von ca. 25 μ bis ca. 2000 μ und vorzugsweise im Bereich von ca. 250 μ bis ca. 1000 μ auf.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass eine aus keramischen Fasern mit einer bidirektionalen Ausrichtung gebildete Matte im Vergleich mit anderen Arten von Faserverstärkung der Schalenform eine bedeutend größere Festigkeit verleiht. Es wurde z.B. gefunden, dass die Form fester ist als eine nach der Lehre des US-Patents 4,998,581 (J. Lane et al.) hergestellte Faserform. Im Lane-Patent wird die Verwendung einer kontinuierlichen in einer Richtung um einen Abschnitt einer Schalenform gewunden Faser beschrieben.
Wie oben beschrieben sind die Fasern in der Matte gewöhnlich in Form von Kett- und Schussfäden angeordnet. Gewöhnlich werden die Kett- und Schussfäden unabhängig von Fasern gebildet, die mit einer Häufigkeit im Bereich von ca. 5 Fasern pro Meter bis ca. 100 Fasern pro Meter (gewöhnlich parallel zueinander) angeordnet sind. In einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt die Häufigkeit im Bereich von ca. 10 Fasern pro Meter bis ca. 50 Fasern pro Meter.
Einen Faktor zur Bestimmung der Eigenschaften von Kett- und Schussfäden sind die Öffnungen zwischen den sich kreuzenden Fasern. Diese Öffnungen sollten genügend groß sein, damit die in der Aufschlämmung vorkommenden feuerfesten Teilchen während der Herstellung der Schalenform hindurch treten können. Im Falle von Aluminiumoxid sind die Teilchen gewöhnlich scheibenförmig ( d.h. tafelförmiges Aluminiumoxid) oder kugelförmig und weisen einen mittleren Durchmesser im Bereich von ca. 40 μ bis ca. 75 μ auf. Aus anderen keramischen Materialien hergestellte Teilchen können eine unterschiedliche Gestalt aufweisen, haben aber ungefähr den gleichen Durchmesser wie die Teilchen aus Aluminiumoxid. Die mittlere Fläche der Öffnungen zwischen den Kett- und Schussfäden ist gewöhnlich mindestens ca. 10⁸ μ² und vorzugsweise mindestens ca. 4 × 10¹⁰ μ².
Jede Genaugusstechnik kann für die vorliegende Erfindung eingesetzt werden. In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die "Modellwachs" Technik auf die gleiche Weise. Die bei der Herstellung der Schalenformen eingesetzten keramischen Materialien sind oft ähnlich oder identisch mit denen, die zur Herstellung der verstärkenden Matte beschrieben worden sind. Materialien auf Basis von Aluminiumoxid, Materialien auf Basis von Aluminat (wie z.B. Yttriumaluminat) oder Mischungen aus jedem dieser Materialien sind oft bevorzugt. Es wird aus dem keramischen Material und einem geeigneten Bindemittel wie z.B. Siliciumoxid oder kolloidalem Siliciumoxid ein Schlamm hergestellt. Der Schlamm kann ferner Benetzungsmittel, Entschäumungsmittel oder andere geeignete Additive aufweisen, von denen einige in dem zuvor angegebenen US-Patent 4,026,344 von Greskovich beschrieben sind. Der Fachmann ist mit den konventionellen Parametern vertraut, die bei der Bildung von Aufschlämmungen dieses Typs zu beachten sind. Anschauliche Parameter sind die Mischgeschwindigkeiten und die Viskosität sowie die Temperatur und Feuchtigkeit der Mischung und der Umgebung.
Wie oben beschrieben, erfolgt die Herstellung der Schalenform gewöhnlich so, dass eine Aufschlämmungsschicht auf das Wachsmuster aufgetragen wird, gefolgt von dem Auftragen einer Schicht aus einem zusammengeballten Stuck (hergestellt z.B. aus im Handel erhältlichem geschmolzenem Alumioniumoxid) auf die Aufschlämmungsschichtund dass das Verfahren sodann mehrere Male wiederholt wird. (Die anfangs aufgetragenen Folgen der Schichten sind diejenigen, welche am Ende dem Hohlraum der Form am nächsten liegen). Eine typische chemische Zusammensetzung für eine geeignete Aufschlämmungsschicht nach dem Trocknen (und unter außer Achtlassung der Zusammensetzung für den Stuck) weist ca. 80 bis ca. 100 Gew.-% des auf Aluminiumoxid basierenden Materials auf sowie ca. 20 bis ca. 0 Gew.-% an Bindemittel auf. Manchmal kommen kleine Mengen von anderen Komponenten wie z.B. Zirkon vor.
Wie oft die Schichtenfolge wiederholt wird hängt natürlich von der gewünschten Dicke für die Schicht ab. Gewöhnlich werden ca. 4 bis ca. 20 vollständige Aufschlämmungs-schicht/Stuckschicht-Paare für die Schalenform verwendet. Für manchen Endgebrauch werden ca. 10 bis ca. 18 Schichtpaare verwendet. In einer oder mehreren Stufen in der Abfolge des Auftragens von Aufschlämmungsschich ten und Schichten aus zusammengeballtem Stuck wird das Auftragen der Schicht zeitweise unterbrochen und, wie weiter unten beschrieben, die verstärkende Matte in die noch unfertige Schalenform eingebettet.
In etwas genauerer Darstellung kann eine Komponente aus Metall (wie z.B. eine Turbinenschaufel oder ein Ventil), wie in dem US-Patent 4,026,344 beschrieben, in die Aufschlämmung eingetaucht, dann herausgezogen und abtropfen gelassen werden. Die nasse Oberfläche des mit Aufschlämmung beschichteten Musters kann dann mit dem zusammengeballten Stuck in einem Fließbett besprengt und dann an der Luft getrocknet werden. Das Verfahren wird sodann so lange wiederholt, wie man benötigt, um die gewünschte Dicke aufeinander folgender Aufschlämmungs-Keramikschichten mit einer zwischen einander benachbarten Schichten befindlichen Lage aus Stuck herzustellen.
Gewöhnlich weisen die Keramikteilchen in dem ersten Aufschlämmungsschicht/Stuckschicht-Paar und möglicherweise auch in dem zweiten Schichtenpaar eine geringere Größe auf als die Teilchen in den nachfolgenden Schichten. Die mittlere Teilchengröße des keramischen Stucks im ersten Schichtenpaar liegt z.B. vorzugsweise unter 200 μ. Die mittlere Teilchengröße des Stucks in den nachfolgenden Schichten liegt gewöhnlich im Bereich von ca. 200 μ bis ca. 800 μ. Durch die größere Teilchengröße in den nachfolgenden Schichten kann die Dicke der Form schnell zunehmen. Größere Teilchengrößen werden manchmal auch dazu verwendet, das Schrumpfen der Form zu kontrollieren.
Die Teilchen aus den Aufschlämmungs- und/oder Stuckschichten gegenüber der verstärkenden Matte neigen dazu, durch die Löcher in der Matte zu fließen, wenn zusätzliche Lagen aus Aufschlämmung und Stuck aufgetragen werden, um die Form fertig zu stellen. Diese Bewegung der Teilchen durch die Öffnungen ist für einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wichtig, weil der Matte dadurch weitere Festigkeit und Steilheit verliehen wird, wenn die fertige Schalenform gebrannt wird.
Wie zuvor beschrieben, wird die auf Keramik basierende verstärkende Matte gewöhnlich mit einer vorher ausgewählten mittleren Dicke in die teilweise gebildete Schalenform (d.h. ihre Wand) eingebettet. Die genaue "Tiefe" der Matte in der Form hängt von verschiedenen Faktoren, wie z.B. der Mattendicke, der Zusammensetzung der Schichten der Form, den zur Bildung der Matte verwendeten Fasertypen und der Gestalt der Form ab. Der Einfachheit halber wird die Form hier so beschrieben, als hätte sie eine "Innenwand", welche den Hohlraum bildet, in welchen das geschmolzene Metall gegossen wird, um ein geformtes Gussstück herzustellen. Die "Außenwand" liegt auf der anderen Seite der Innenwand, d.h. sie ist vom Hohlraum am weitesten entfernt.
Oft ist es bevorzugt, die verstärkende Matte an einer Position außerhalb der Mitte der Wandstärke der Form anzuordnen, da die Erfinder der vorliegenden Anmeldung entdeckt haben, dass eine solche Position zu einer größeren Wanddicke zu führen scheint. In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird die Matte bei einer Wandstärke so nahe wie möglich an der Innenwand der Form angeordnet, ohne dass dabei die Oberfläche des Hohlraums beeinträchtigt wird (d.h. ohne eine Oberflächenrauhigkeit zu verursachen). Beispielsweise wird die Matte vorzugsweise innerhalb von ca. 10% bis ca. 40% der Dicke von der Innenwand der Form an gerechnet angeordnet und am meisten bevorzugt innerhalb von ca. 10% bis ca. 25 % der Dicke von der Innenwand der Form an gerechnet. In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird die Matte bei einer Wandstärke so nahe wie möglich an der Außenwand der Form angeordnet, d.h. innerhalb von ca. 10% bis ca. 25 % der Dicke von der Außenwand der Form an gerechnet. (Eine Anordnung der Matte zu nahe an der Außenwand kann nicht zu der gewünschten Festigkeit der Innenabschnitte der Form führen). Bei der Ermittlung der geeignetsten Position für die Matte kann der Fachmann ihre Position variieren und dann die erhaltenen physikalischen Eigenschaften der Form auf Grundlage der hierin beschriebenen Lehre auswerten.
Es könnte mehr als eine verstärkende Matte in der Schalenform verwendet werden. Beispielsweise könnte eine erste Matte innerhalb von ca. 10% bis ca. 40% der Innenwand der Form und eine zweite Matte innerhalb von ca. 10% bis ca. 25% der Außemwand angeordnet werden. Zwei Matten können bei Fällen verwendet werden, wo für die Form ein sehr hoher Grad an Festigkeit erforderlich wird.
Eine Seite der verstärkenden Matte wird gegen die im Wesentlichen parallele Seite der äußersten Lage der teilweise fertig gestellten Form aufgetragen. Gewöhnlich gibt es eine natürliche Haftung, welche die Matte an Ort und Stelle hält, während die nachfolgenden Aufschlämmungs/Stuck-Lagen aufgetragen werden oder die Matte kann auf die gleiche Art und Weise an Ort und Stelle gehalten werden, in welcher die anderen Lagen gewöhnlich während des Verfahrens zum Aufbau der Form an Ort und Stelle gehalten werden. Nach Einbettung der verstärkenden Matte kann mit der Ablagerung der nachfolgenden zusammengeballten keramischen Aufschlämmungs/Stuck-Schichten wie zuvor fortgefahren werden bis die geeignete Dicke für die Form erreicht ist. Gewöhnlich weist die fertig gebrannte Form insgesamt eine Wandstärke (d.h. von der Innenwand bis zur Außenwand) im Bereich von ca. 0,50 cm bis ca. 2,50 cm auf, vorzugsweise von ca. 0,50 cm bis ca. 1,25 cm.
In einigen Fällen werden Kerne in die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schalenformen eingefügt. Diese Kerne werden oft verwendet, um innerhalb der Form für Löcher oder Hohlräume zu sorgen und sie lassen sich bilden, indem z.B. Einfügungen von glasartigem Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Aluminaten oder von jeder Kombination aus solchen Stoffen eingesetzt werden. Das Kernmaterial wird aus dem fertigen Gießprodukt mittels konventioneller Techniken entfernt. In vielen Schriften wird der Einsatz von Kernen beschrieben, z.B. in Modem Metalworking; Casting and Forming Processes in Manufacturing sowie in den US-Patenten 4,097,292 und 4,086,311, die alle oben angegeben sind. Die verstärkende Matte dieser Erfindung hilft dabei, innerhalb der Form die richtige Metallstärke um die Kerne beizubehalten, besonders wenn sich die Form normalerweise bei hoher Temperatur leicht verformen und verziehen würde. Beim Formen von Metallteilen, die eine komplizierte Gestalt aufweisen und/oder an welche die höchsten Anforderungen für Formstabilität gestellt werden, ist eine genaue Kontrolle über die Größe der Hohlräume in der Form problematisch.
Nach Fertigstellung der Schalenform wird das Wachs mittels jeder bekannten Technik entfernt. Beispielsweise kann eine Dampfentwachsung erfolgen, indem die Form in einen Dampfautoklaven gegeben wird, der bei einer Temperatur von ca. 100° bis 200°C unter Dampfdruck (ca. 620–827 kPa [90–120 psi]) über einen Zeitraum von ca. 10 bis 20 Minuten betrieben wird. Die Form wird dann wie gewöhnlich vorgebrannt. Bei einem typischen Vorbrennverfahren wird die Form auf ca. 950° bis ca. 1150°C etwa 60 bis etwa 120 Minuten lang erhitzt.
Die Schalenform kann dann nach bekannten Techniken gebrannt werden. Die erforderliche Temperatur- und Zeitführung für die Brennstufe hängt natürlich von Faktoren wie der Dicke der Wand, der Zusammensetzung der Form und dergl. ab. Typischerweise erfolgt das Brennen bei einer Temperatur im Bereich von ca. 1350° bis 1750°C über einen Zeitraum von ca. 5 bis ca. 60 Minuten. Beim Brennen der Form reagieren die Fasern in der verstärkenden Matte (oder den verstärkenden Matten) mit dem keramischen Material in der Schalenform. Mit dieser Reaktion werden die Fasern an die Schalenform gebunden, was zu einer größeren Festigkeit und Formbeständigkeit der Form führt.
Zu diesem Zeitpunkt kann das Metall unmittelbar in die Form gegossen werden, um einen gewünschten Gießvorgang durchzuführen. Alternativ kann man die Form auf Zimmertemperatur abkühlen lassen. Weitere, bei der Herstellung von Formen bekannte Schritte können ebenfalls stattfinden. Auf dem Gebiet der Schalenformen sind diese Schritte bekannt. Beispiele hierfür sind Techniken der Reparatur und Glättung der Formoberflächen.
Aus dem zuvor Beschriebenen geht hervor, dass eine andere Ausführungsform dieser Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Gießschalenform gerichtet ist, welches die folgenden allgemeinen Schritte aufweist, dass man:

(I) eine auf Keramik basierende Verstärkungsmatte auf eine Keramikschichtoberfläche einer partiellen Schalenform aufbringt, die durch aufeinanderfolgendes Aufbringen keramischer Schichten übereinander gebildet wird;
(II) die Schalenform durch zusätzliche keramische Schichten auf die Verstärkungsmatte vervollständigt; und dann
(III) die Schalenform bei einer erhöhten Temperatur brennt.

Verschiedene weitere Einzelheiten zu den Verfahren der vorliegenden Erfindung werden z.B. in den folgenden Beispielen angegeben.
Schalenformen wie die der vorliegenden Erfindung werden zum Gießen eines großen Spektrums von Metallen oder Metalllegierungen wie z.B. Superlegierungen auf Basis von Titan und Nickel eingesetzt. Folglich liegen auch aus solchen Materialien mit der verstärkten Schalenform hergestellte Komponenten ebenfalls im Geltungsbereich dieser Erfindung.
Die folgenden Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sollten keineswegs zu irgendeiner Art von Einschränkung für den Umfang der beanspruchten Erfindung herangezogen werden.
BEISPIEL 1
Unter Einsatz der herkömmlichen Technologie für Schalenformen wurden Formproben hergestellt. Die Schritte waren die folgenden (wobei die Verstärkung der Form, wie unten beschrieben, in der Aufeinanderfolge der Schritte erfolgte):

(1) Es wird ein Wachsmuster in eine Aufschlämmung von einem Bindemittel aus tafelförmigem 40 μm (–325 mesh) Aluminiumoxid und Siliciumoxid getaucht;
(2) Das beschichtete Muster wird abtropfen gelassen;
(3) Das beschichtete Muster wird sodann 15 bis 20 Minuten lang in eine Berieselungsmaschine mit Sinterkorund der Körnung 80 gelegt;
(4) Das Muster wird in der Luft getrocknet;
(5) Die Schritte 1–4 werden wiederholt;
(6) Das Muster wird in eine Suspension aus 60 μm (–240 mesh) und 40 μm (–325 mesh) Aluminiumoxid mit einem Bindemittel aus Siliciumoxid getaucht;
(7) Das Muster wird in ein Fließbett aus 250 μm (–54 mesh) Aluminiumoxid getaucht;
(8) Das Muster wird sodann an der Luft getrocknet; und
(9) Die Schritte 6–8 werden 8 Mal wiederholt.

Für die Zwecke dieser Beschreibung ist der Begriff "Primärschschicht" definiert als die ersten beiden in den Schritten 1–4 aufgetragenen Schichten, während als "Sekundärschichten" die in den Schritten 6–9 aufgetragenen Schichten bezeichnet werden. Zur Herstellung der Muster wurden rechtwinklige Wachsmuster verwendet. Nach der Herstellung wurden zwei einander gegenüberliegende Wände der Form abgekratzt, um zwei flache Stäbe übrig zu lassen. Die Stäbe 20,32 cm lang und 2,54 cm breit) wurden sodann bei 1000°C in Luft gebrannt, um eine zusätzliche Festigkeit für die Behandlung zu gewinnen. Die Formen wurden dann vor ihrer Auswertung bei ca. 1550°C gebrannt. Nach dem Ende des Brennens waren die Stäbe rissfrei.
Die Matte wurde hergestellt, indem zunächst eine Anzahl von Strängen aus Nexte1^®440-Material verdrillt wurden, um Fasern für die Kett- und Schussrichtung zu bilden. Die Fasern wiesen einen mittleren Durchmesser von ca. 1000 μ auf. Die Fasern wurden dann mit Hand zu einem im Wesentlichen quadratischen Muster verwoben, wobei parallele Fasern einen Abstand von ca. 10 mm voneinander aufwiesen. Dies sorgte in der Matte für Öffnungen von ca. 10.000 μ mal ca. 10.000 μ.
Für die auf der vorliegenden Erfindung basierende Probe wurde die Matte zwischen den Auftragungen der dritten und vierten Sekundärschicht in die Schalenteilform eingebettet. Bei dieser Position war die Schalenform etwa zu 30% fertig. (Es ist darauf hinzuweisen, dass der Mittelpunkt der einzelnen Lagen der keramischen Beschichtung und des keramischen Stucks nicht immer der Mitte der Wandstärke der Form entspricht. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, dass die Dicke der einzelnen Lagen variiert, weil z.B., wie oben beschrieben, Variationen in der Teilchengröße auftreten können).
Zum Testen wurden drei Probensätze vorbereitet. (Jeder Satz enthielt ungefähr drei Proben und die Ergebnisse wurden als Wertebereich angegeben). Satz 1 war eine Schalenform zu Vergleichszwecken, welche wie oben beschrieben ohne Verstärkung der Form hergestellt wurde. Die Schalenformen von Satz 2 wurden auf die gleiche Weise hergestellt, jedoch mit einer unidrektionalen Verstärkung. Diese Verstärkung wurde erzielt, indem eine keramische Faser (der gleiche Typ wie der für die oben in diesem Beispiel beschriebene Matte verwendete) gewickelt wurde, nachdem die Form zu etwa 30% fertig war. Das Wickeln der Faser beim Aufbau der Form erfolgte auf ähnliche Weise wie die im US-Patent 4,998,581 von Lane beschriebene. Der mittlere Abstand zwischen den Windungen betrug ca. 10 mm. Satz 3 basierte auf der vorliegenden Erfindung und enthielt die oben beschriebene Matte zur bidirektionalen Verstärkung.
Für Testzwecke wurden aus den in der Tabelle beschriebenen Formen Stäbe maschinell bearbeitet, nachdem die Formen gesintert worden waren. Nur die Außenfläche der Form wurde maschinell bearbeitet, um für eine Dicke von 0,79 cm zu sorgen. Die Breite der Stäbe nach der maschinellen Bearbeitung betrug 2,3 cm. Während der maschinellen Bearbeitung blieben die Primärschichten intakt.
An jedem Stab wurde bei 1550°C ein Dreipunkt-Bruchgrenzentest (3-point modulus-of-rupture test) über eine Spannweite von 4 cm durchgeführt. Für diesen Test wurde jede Probe so lange belastet, bis sie in zwei Stücke zerbrach. Die Festigkeiten (in MegaPascal) für jeden Stab sind in der Tabelle wiedergegeben:
Tabelle 1 Vergleich der Schalenform-Festigkeit

* Festigkeit bei 1550°C, ausgedrückt in MegaPascal. Die Sintertemperatur für jede Probe betrug 1550°C.
** Vergleichsproben
*** Proben der vorliegenden Erfindung mit "Diagonal"-Verstärkung.

Aus den Daten lässt sich leicht ersehen, dass bei hohen Temperaturen eine wesentliche Verbesserung der Festigkeit von erfindungsgemäß verstärkten Schalenformen auftritt.
Darüber hinaus schienen die Schalenformen der vorliegenden Erfindung bei 1550°C eine wesentlich geringe Formveränderung zu zeigen als die Schalenformen, die keine Verstärkung enthielten.
BEISPIEL 2
Es wurden zwei Sätze von Teststäben für Vergleichstests hergestellt: Satz A lag außerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung und Satz B innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung. Jeder Teststab war 6 Zoll (15,2 cm) lang, 0,75 Zoll (1,91cm) breit und 0,25 Zoll (0,64 cm) dick. Die Stäbe des Satzes A wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, ohne Verwendung eine Art von Verstärkermatte. Die Stäbe des Satzes B enthielten ein handgearbeitetes Gewebe aus keramischen Fasern, die aus verdrillten Strängen des Nextel^® 440-Materials hergestellt waren, welche auf eine Schalenteilform aufgetragen wurden. Das Gewebe wurde durch Verweben von voneinander beabstandeten waagerechten Fasern (1 cm voneinander entfernt) mit voneinander beabstandeten senkrechten Fasern (ebenfalls 1 cm voneinander entfernt) hergestellt. Die Schalenform für die Proben des Satzes B wurden sodann durch den Einsatz der Sekundärschichten aus Aufschlämmung und Bindemittel wie in Beispiel 1 fertig gestellt, so dass das Ge webe innerhalb von etwa 30% der Innenwand der Form zu liegen kam. Nach dem Sintern der Schalenformen wurden die Teststäbe maschinell bis zu den obigen Abmessungen bearbeitet.
Jede Probe wurde einzeln auf Spannweite gelegt, d.h. auf eine "Unterlage zum Durchbiegen", bei welcher die beiden Stützen 1,5 Zoll (3,8 cm) hoch und 4,5 Zoll (11,4 cm) voneinander beabstandet waren. Mit diesem Aufbau ließ sich das Zentrum der Probe für den Fall, dass sie sich durchbog, ohne Behinderung bewegen. Jede Probe wurde dann auf 1600°C erhitzt und 1 Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten, gefolgt von einem Abkühlen im Ofen. Die Proben aus Satz A (ohne Verstärkung) bogen sich mehr durch als die Proben des Satzes B.
Die Ergebnisse dieser Biegetests zeigen, dass eine Verstärkung der Schalenform nach der vorliegenden Erfindung bei hohen Temperaturen zu einer größeren Biegefestigkeit führt. Die in Beispiel 1 beschriebenen Bruchgrenzentests zeigten ferner eine größere Festigkeit bei einer verstärkten Form. Diese Eigenschaften führen zu einer geringeren Verzerrung der Form, wenn sie vor dem Gießen des Metalls erhitzt wird und wenn sie nach dem Ausgießen (aber vor ihrer Verfestigung) langsam abgekühlt wird.

Claims

Eine keramische Gießschalenform mit einer vorgewählten Form und aufweisend: (a) alternierende sich wiederholende Schichten aus einem keramischen Schichtmaterial und einem keramischen Stuck, welche die Gesamtdicke der Schalenform definieren; und (b) eine auf Keramik basierende Matte aus verstärkendem Material, welche in den alternierenden sich wiederholenden Schichten aus Schichtmaterial und Stuck angeordnet ist, wobei die auf Keramik basierende Matte eine Vielzahl von miteinander verwobenen Fasern aufweist, welche eine bidirektional gemusterte Orientierung haben, in welcher die Vielzahl der miteinander verwobenen Fasern im Bezug aufeinander in einer Dichte im Bereich von 5 Fasern bis 100 Fasern pro Meter angeordnet sind.
Die Schalenform nach Anspruch 1, wobei das verstärkende Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus aluminiumoxid-basierenden Materialien, aluminat-basierenden Materialien, siliziumcarbid-basierenden Materialien und Mischungen von jedem der vorstehenden Materialien.
Die Schalenform nach Anspruch 1, wobei die keramik-basierende Matte Fasern umfasst, die eine bidirektionale Orientierung haben.
Die Schalenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in der Matte in der Form von Kette und Schuss angeordnet sind und wobei die Matte Öffnungen aufweist.
Die Schalenform nach Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungs-Koeffizient (coefficient of thermal expansion, CTE) der Matte innerhalb von 50 % des CTE der Schalenformschichten liegt, in welche sie eingefügt wird.
Die Schalenform nach Anspruch 1, aufweisend eine innere Wand angrenzend an einen Formhohlraum und eine äußere Wand gegenüber der inneren Wand, wobei die Wände durch die Gesamtdicke der Schalenform von einander getrennt sind, wobei die Matte innerhalb von 10 bis 40 % der Dicke von der inneren Wand positioniert ist.
Schalenform nach Anspruch 1, umfassend eine innere Wand angrenzend an einen Formhohlraum und eine äußere Wand gegenüber der inneren Wand, wobei die Wände durch die Gesamtdicke der Schalenform von einander separiert sind, wobei die Matte innerhalb von 10 % bis 25 % der Dicke von der äußeren Wand angeordnet ist.
Schalenform nach Anspruch 1, aufweisend wenigstens zwei der keramik-basierenden Matten, wobei jede Matte in einem verschiedenen Satz der alternierenden sich wiederholenden Schichten von Schichtmaterial und Stuck angeordnet ist.
Schalenform nach Anspruch 1, wobei die keramik-basierende Matte eine Dicke von 25 Mikron bis 200 Mikron hat.
Schalenform nach Anspruch 1, wobei die alternierenden sich wiederholenden Schichten von keramischem Schichtmaterial und keramischem Stuck eine erste Schicht aus Schichtmaterial und Stuck umfassen und dann nachfolgende Schichten von Schichtmaterial und Stuck und wobei die Durchschnittsgröße der Keramikpartikel innerhalb der ersten Schicht des Keramikstucks kleiner als 200 Mikron ist.
Eine keramische Gießschalenform mit einer vorgewählten Form aufweisend sich wiederholende Schichten aus einem keramischen Material, welche die Dicke und Gestalt der Form definieren und eine keramik-basierende Matte, die in den Schichten aus keramischem Material angeordnet ist, wobei die Matte auch der Gestalt der Form angepasst ist und ihr eine strukturelle Verstärkung schafft, wobei die keramik-basierende Matte eine Vielzahl von miteinander verwobenen Fasern umfasst, die eine bidirektionale gemusterte Orientierung haben, in welcher die Vielzahl der miteinander verwobenen Fasern in Bezug aufeinander in einer Dichte im Bereich von 5 Fasern bis 100 Fasern pro Meter angeordnet sind.
Die Schalenform nach Anspruch 11, wobei das keramische Material der sich wiederholenden Schichten und der Matte Aluminiumoxid umfasst.
Die Schalenform nach Anspruch 11, worin die keramik-basierende Matte in einer außermittigen Position von der Wandstärke der Form angeordnet ist.
Die Schalenform nach Anspruch 11, welche eine Gesamtwandstärke im Bereich von 0,50 cm bis 2,50 cm hat.
Verfahren zur Herstellung einer keramischen Gießschalenform, welches die Schritte aufweist, dass man: (I) eine keramik-basierende Verstärkungsmatte auf eine Keramikschichtoberfläche einer partiellen Schalenform aufbringt, die durch aufeinanderfolgendes Aufbringen keramischer Schichten übereinander gebildet wird; wobei die keramik-basierende Matte eine Vielzahl von miteinander verwobenen Fasern umfasst, die eine bidirektional gemusterte Orientierung haben, in welcher die Vielzahl der miteinander verwobenen Fasern in Bezug zu einander in einer Dichte im Bereich von 5 Fasern bis 100 Fasern pro Meter angeordnet sind. (II) die Schalenform durch zusätzliche keramische Schichten auf die Verstärkungsmatte vervollständigt; und dann (III) die Schalenform bei einer erhöhten Temperatur brennt.
Verfahren zur Herstellung einer keramischen Feingussschalenform, bei welchem man: (i) eine Aufschlemmung aus einem keramischen Material zubereitet; (ii) eine Schicht aus der keramischen Aufschlemmung auf ein Wachsmuster von einer vorgewählten Form eines Metalls, welches in die Form zu gießen ist, aufbringt; (iii) eine Schicht aus keramik-basierendem Stuckaggregat auf der Schicht aus der Aufschlemmung aufbringt; (iv) die Schritte (ii) und (iii) so oft als nötig wiederholt, um eine partielle Schalenform bereit zu stellen, die eine vorgewählte Dicke hat; (v) eine keramik-basierende Matte auf die äußere Oberfläche der partiellen Schalenform aufbringt, wobei die Matte sich im Wesentlichen daran anpasst; wobei die keramik-basierende Matte eine Vielzahl von mit einander verwobenen Fasern aufweist, welche eine bidirektionale gemusterte Orientierung haben, in welcher die Vielzahl der miteinander verwobenen Fasern in Bezug auf einander in einer Dichte im Bereich von 5 Fasern bis 100 Fasern pro Meter angeordnet sind. (vi) die partielle Schalenform auf die erwünschte Dicke einer Vollschalenform durch Wiederholung der Schritte (ii) und (iii) auf der keramik-basierenden Matte aufbaut; und (vii) das Wachs entfernt und die Schalenform brennt, um sie mit dem erwünschten Grad an Bruchfestigkeit zu versehen.