EP0603738A1 - Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut - Google Patents
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
Definitions
- the invention relates to a device for the directional solidification of molten material in a molded shell, which has different cross sections over its length and is movable relative to a heat source.
- the highest possible temperature gradient on the solidification front is required.
- a heat source is placed as close as possible above a heat sink.
- a solidification front forms between the two in the molded shell when the molded shell is moved from the hot area of influence of the heat source into the cold area of a heat sink.
- the heat source radiates from all directions onto the molded shell to be heated with melting material and, depending on the shape of the molded shell, has more or less visual contact with the heat sink.
- a disadvantage of these devices is that the geometry of the solidification front in the molded shell when the melt material is removed from the Area of influence of the heat source in the case of molded shells which have different cross sections in length, so that they are not prismatic, cannot be stabilized. This is associated with the risk that the desired columnar or single crystal structure will not be achieved in the directional solidification.
- Another disadvantage is that with the partial visual contact between the heat source and the heat sink, the temperature gradient in the area of the solidification front is reduced.
- the object of the invention is to provide a generic device with which an improved guidance of the heat flow in the case of directed solidification is achieved and a high temperature gradient in the area of the solidification front is maintained regardless of the shape of the molded shell.
- a heat insulation block is arranged between the heat source and a heat sink, which has an opening for driving through the molded shell, the molded shell having outer ribs, which are arranged orthogonally to the direction of movement and are adapted in their outer contour to the opening of the insulation block.
- An advantage of this device is that an insulation path is built up in the direction of movement through the heat insulation block, in which the solidification front is formed. The closer the heat insulation block can be brought to the molded shell, the more stable the geometry of the solidification front. If the geometry of the solidification front is stable, the directional solidification of the melt material in the columnar structure or single crystallinity remains more stable.
- the heat insulation block can only be optimally adapted to the largest cross section of the molded shell, or the opening in the heat insulation block would have to constantly follow the shape of the molded shell when passing through the molded shell, which would be associated with a high technical outlay.
- This technically high effort is advantageously avoided by the outer ribs which are arranged orthogonally to the direction of movement and whose outer contour is adapted to the opening of the heat insulation block.
- the outer ribs of the molded shell have the advantage that the direct visual contact between the heat source and the heat sink is interrupted without hindering the heat flow into or out of the mold.
- the concentration of the heat flow on the casting material is improved by the outer ribs, so that the energy consumption of the device in the case of directional solidification is additionally reduced.
- the outer ribs consist of thermal insulation material. This has the advantage that no heat is removed from the molded shell in the area of action of the outer ribs and thus the outer ribs do not act as local heat sinks and disrupt the heat flow within the molded shell.
- Preferred materials are zirconium oxide or aluminum oxide.
- the outer ribs have a thickness that ensures their dimensional stability and aligns the heat radiation path between a boiler room wall and the wall of the molded shell orthogonally to the direction of movement, and does not hinder this heat radiation path and at the same time interrupts the heat radiation path between the heat source and heat sink.
- the outer ribs therefore have a small thickness, which is between 0.1 and 5 mm.
- the outer fins are preferably made of a material with anisotropic heat conduction, the heat conduction in the direction of movement is less than orthogonal to the direction of movement. This prevents heat radiation on molded shell parts in the area of influence of the heat sink and the heat coupling between the heat source and molded shell and molded shell and heat sink is not impaired by the outer ribs.
- Graphite layers, mica sheets or asbestos substitutes are preferably used as the material with anisotropic heat conduction.
- the directional effect of the outer fins for the heat radiation from a boiler room wall to the molded shell and vice versa is advantageously increased in that the outer fins have a heat-reflecting coating.
- This is preferably a metallic coating made of noble metals or of a chromium, aluminum, nickel, cobalt or iron-based alloy.
- the extension of the heat insulation block in the direction of movement of the molded shell is preferably between 5 and 50 mm in systems for the single-crystal growth of engine blades.
- the distance between the outer ribs is at most equal to the extent of the heat insulation block in the direction of movement. This has the advantage that in any solidification position of the molded shell, at least one outer rib prevents direct heat radiation (visual contact) between the heat source and the heat sink.
- the distance between the outer ribs is preferably ensured by thin rods which are arranged between the ribs.
- the outer ribs can be halved and thus enclose the molded shell in a simple manner. With the spacing bars, the outer ribs can be connected to form an integral component. This has the advantage that this component made of outer ribs and bars can be used several times.
- the outer ribs can preferably surround the molded shell in a form-fitting manner and thus advantageously contribute to the dimensional stability of the molded shell.
- the molded shell can be made thinner than before, so that a higher heat coupling between the heat source, molded shell and melt on the one hand and solidified material, molded shell and heat sink on the other hand is possible.
- the outer ribs are preferably molded or glued to the molded shell. This has the advantage that the molded shell forms an integral component with the outer ribs and spacing rods or other aids are not required, and molded shell and outer ribs can be moved as a thermal unit through the opening of the insulation block.
- the device has a boiler room with an internal hollow cross-section, the contour of which corresponds to the opening of the heat insulation block and is arranged in alignment therewith.
- the boiler room preferably has inner ribs.
- the inner ribs have openings that correspond to the opening of the heat insulation block and are aligned with it. With the help of these inner ribs and the outer ribs of the molded shell, the heat exchange between the boiler room wall and molded shell is improved.
- the 1 shows a device 1 for the directional solidification of molten material 2 with a heat insulation block 3 and adapted outer ribs 4 of a molded shell 5.
- the molded shell 5 has different cross sections 6, 7, 8, 9 over its length and is relative to a heat source 10 in Direction of arrow A moves.
- the heat insulation block 3 is arranged between the heat source 10 and a heat sink 11 and has an opening 12 through which the mold shell 5 is moved in the direction A.
- a solidification front 13 for the melting material 2 is formed in the thermal influence area of the heat insulation block 3.
- This solidification front 13 must be kept stable by an appropriate temperature profile over the length of the molded shell.
- the temperature profile that forms in the melt material 2 and a component section 14 that has already solidified in a directed manner can only be actively and stably maintained from the outside via the heat source 10, insulation block 3 and heat sink 11 if there is trouble-free heat coupling between the molded shell and the heat source 10, heat insulation block 3 and Heat sink 11 is secured.
- the molded shell 5 is used to produce a single-crystal directionally solidified engine blade made of a Ni or Co-based alloy with a blade length of 200 mm, an average blade depth of 5 mm, an average blade width of 30 mm and shroud segment dimensions of 25x35 mm2 and blade root dimensions of 17x35 mm2 .
- the insulation block 3 in this example has a thickness of 15 mm and the opening 12 is adapted to the largest dimensions of the outer contour of the molded shell 5, so that they are moved with their sprayed-on outer ribs 4 with a thickness of 1.5 mm 2 through the opening 12 in direction A. can.
- FIG. 2 shows a device 1 for the directional solidification of melting material 2 with a heating chamber 15 and adapted inner 16 and outer ribs 4.
- the heating chamber 15 is closed at the top by a cover 17.
- the inner ribs 16 are arranged orthogonally to the direction of movement (arrow direction A) and have openings 18 which correspond to the opening 12 of the heat insulation block 3 and are aligned with it. With these inner fins 16, the heating chamber is reduced to the dimensions of the opening 12 and intensive heat coupling between the molded shell 5 with outer fins 4 on the one hand and heat source 10, heat insulation block 3 and heat sink 11 on the other hand is achieved.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut in einer Formschale, die über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte aufweist und relativ zu einer Wärmequelle bewegbar ist.
- Für die gerichtete Erstarrung von Gußteilen wird ein möglichst hoher Temperaturgradient an der Erstarrungsfront gefordert. Dazu wird eine Wärmequelle möglichst dicht über einer Wärmesenke angeordnet. Zwischen beiden bildet sich in der Formschale eine Erstarrungsfront aus, wenn die Formschale aus dem heißen Einflußbereich der Wärmquelle in den kalten Bereich einer Wärmesenke verfahren wird. Bei bekannten Vorrichtungen zur Durchführung der gerichteten Erstarrung strahlt die Wärmequelle aus allen Richtungen auf die zu erwärmende Formschale mit Schmelzgut und hat je nach Formgebung der Formschale mehr oder weniger Sichtkontakt mit der Wärmesenke. Ein Nachteil dieser Vorrichtungen ist, daß die Geometrie der Erstarrungsfront in der Formschale beim Herausfahren des Schmelzgutes aus dem Einflußbereich der Wärmequelle bei Formschalen, die in ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte aufweisen, so daß sie nicht prismatisch sind, nicht stabilisiert werden kann. Damit ist die Gefahr verbunden, daß die angestrebte Kolumnar- oder Einkristallstruktur bei der gerichteten Erstarrung nicht erreicht wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß mit dem teilweisen Sichtkontakt zwischen Wärmequelle und Wärmesenke der Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront verkleinert wird.
- Aufgabe der Erfindung ist eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, mit der eine verbesserte Führung des Wärmestromes bei gerichteter Erstarrung erreicht und ein hoher Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront unabhängig von der Formgebung der Formschale aufrechterhalten wird.
- Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke ein Wärmeisolationsblock angeordnet ist, der eine Öffnung zum Hindurchfahren der Formschale aufweist, wobei die Formschale Außenrippen aufweist, die orthogonal zur Bewegungsrichtung angeordnet sind und in ihrer Außenkontur der Öffnung des Isolationsblockes angepaßt sind.
- Ein Vorteil dieser Vorrichtung ist, daß eine Isolationsstrecke in Bewegungsrichtung durch den Wärmeisolationsblock aufgebaut wird, in der sich die Erstarrungsfront ausbildet. Je näher der Wärmeisolationsblock an die Formschale herangeführt werden kann, um so stabiler wird die Geometrie der Erstarrungsfront. Bei stabiler Geometrie der Erstarrungsfront bleibt auch die gerichtete Erstarrung des schmelzgutes in Kolumnarstruktur oder Einkristallinität stabiler.
- Bei Formschalen, die über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte aufweisen kann der Wärmeisolationsblock nur dem größten Querschnitt der Formschale optimal angepaßt werden oder die Öffnung im Wärmeisolationsblock müßte beim Hindurchfahren der Formschale ständig der Gestalt der Formschale folgen, was mit einem hohen technischen Aufwand verbunden wäre. Dieser technisch hohe Aufwand wird vorteilhaft durch die Außenrippen die orthogonal zur Bewegungsrichtung angeordnet sind und in ihrer Außenkontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes angepaßt sind, vermieden. Die Außenrippen der Formschale haben den Vorteil, daß der direkte Sichtkontakt zwischen Wärmequelle und Wärmesenke unterbrochen wird, ohne den Wärmestrom in die Form bzw. aus ihr heraus zu behindern. Die Konzentration des Wärmestroms auf das Gußmaterial wird durch die Außenrippen verbessert, so daß zusätzlich der Energieverbrauch der Vorrichtung bei einer gerichteten Erstarrung vermindert wird.
- Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung bestehen die Außenrippen aus Wärmeisolationsmaterial. Das hat den Vorteil, daß der Formschale im Einwirkungsbereich der Außenrippen keine Wärme entzogen wird und damit die Außenrippen nicht als lokale Wärmesenken wirken und den Wärmefluß innerhalb der Formschale stören. Bevorzugte Materialien sind Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid. Die Außenrippen weisen dabei eine Dicke auf, die ihre Formstabilität sichert und den Wärmestrahlengang zwischen einer Heizraumwand und der Wandung der Formschale orthogonal zur Bewegungsrichtung ausrichtet, sowie diesen Wärmestrahlengang nicht behindert und gleichzeitig den Wärmestrahlengang zwischen Wärmequelle und Wärmesenke unterbricht. Die Außenrippen weisen deshalb eine geringe Dicke auf, die zwischen 0,1 und 5mm liegt.
- Zur verbesserten Wärmekopplung zwischen Formschale, Wärmequelle und Wärmesenke bestehen die Außenrippen vorzugsweise aus einem Material mit anisotroper Wärmeleitung, wobei die Wärmeleitung in Bewegungsrichtung geringer ist, als orthogonal zur Bewegungsrichtung. Damit wird die Wärmestrahlung auf Formschalenteile im Einflußbereich der Wärmesenke unterbunden und die Wärmekopplung zwischen Wärmequelle und Formschale sowie Formschale und Wärmesenke durch die Außenrippen nicht beeinträchtigt. Als Material mit anisotroper Wärmeleitung werden vorzugsweise Graphitschichten, Glimmerplatten oder Asbestersatzstoffe eingesetzt.
- Die richtungsgebende Wirkung der Außenrippen für die Wärmestrahlung von einer Heizraumwand zur Formschale und umgekehrt wird vorteilhaft dadurch erhöht, daß die Außenrippen eine wärmereflektierende Beschichtung aufweisen. Vorzugsweise ist dieses eine metallische Beschichtung aus Edelmetallen oder aus einer Chrom-, Aluminium-, Nickel-, Kobald- oder Eisenbasislegierung.
- Die Erstreckung des Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrichtung der Formschale ist bei Anlagen für die Einkristallzucht von Triebwerksschaufeln vorzugsweise zwischen 5 und 50 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Abstand zwischen den Außenrippen höchstens gleich der Erstreckung des Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrichtung. Das hat den Vorteil, daß in jeder beliebigen Erstarrungsposition der Formschale mindestens eine Außenrippe eine unmittelbare Wärmestrahlung (Sichtkontakt) zwischen Wärmequelle und Wärmesenke unterbindet.
- Der Abstand zwischen den Außenrippen wird vorzugsweise durch dünne Stäbe gewährleistet, die zwischen den Rippen angeordnet werden. Die Außenrippen können halbiert sein und damit in einfacher Weise die Formschale umschließen. Mit den abstandshaltenden Stäben können die Außenrippen zu einem integralen Bauteil verbunden werden. Das hat den Vorteil, das dieses Bauteil aus Außenrippen und Stäben mehrfach eingesetzt werden kann.
- Die Außenrippen können vorzugsweise die Formschale formschlüssig umgeben und damit vorteilhaft zur Formstabilität der Formschale beitragen. In diesem Fall kann die Formschale dünnwandiger als bisher ausgebildet werden, so daß eine höhere Wärmekopplung zwischen Wärmequelle, Formschale und Schmelze einerseits und erstarrtem Gut, Formschale und Wärmesenke andererseits möglich wird.
- Die Außenrippen sind vorzugsweise an die Formschale angespritzt oder angeklebt. Das hat den Vorteil, daß die Formschale mit den Außenrippen ein integrales Bauteil bildet und abstandshaltende Stäbe oder andere Hilfsmittel nicht erforderlich werden und Formswchale und Außenrippen als thermische Einheit durch die Öffnung des Isolationsblockes bewegt werden können.
- In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Heizraum mit einem inneren Hohlquerschnitt, dessen Kontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entspricht und mit ihr fluchtend angeordnet ist, auf. Dieses hat den Vorteil, das ein Temperaturprofil, das in Längsrichtung des Heizraumes aufrechterhalten wird, sich vollständig auf die Formschale überträgt. Um eine feinteilige örtliche Stufung eines derartigen Temperasturprofils in Längsrichtung von der Heizraumwand auf die Formschale zu übertragen, wird der Außenrippenabstand entsprechend variiert und angepaßt.
- Werden Heizraumgeometrien einer Kristallzuchtanlage vorgegeben, die nicht der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entsprechen, so weist der Heizraum vorzugsweise Innenrippen auf. Dabei besitzen die Innenrippen Öffnungen, die der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entsprechen und mit ihr fluchtend angeordnet sind. Mit Hilfe dieser Innenrippen und den Außenrippen der Formschale wird der Wärmeaustausch zwischen Heizraumwand und Formschale verbessert.
- Die folgenden Figuren zeigen Beispiele zu bevorzugte Ausbildungen der Erfindung.
- Fig.1
- zeigt eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut mit Wärmeisolationsblock und angepaßten Außenrippen einer Formschale.
- Fig.2
- zeigt eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut mit einem Heizraum und angepaßten Innen- und Außenrippen.
- Fig.1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut 2 mit einem Wärmeisolationsblock 3 und angepaßten Außenrippen 4 einer Formschale 5. Die Formschale 5 weist über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte 6,7,8,9 auf und wird relativ zu einer Wärmequelle 10 in Pfeilrichtung A bewegt. Der Wärmeisolationsblock 3 ist zwischen der Wärmequelle 10 und einer Wärmesenke 11 angeordnet und weist eine Öffnung 12 auf, durch die die Formschale 5 in Richtung A bewegt wird.
- Dabei bildet sich im thermischen Einflußbereich des Wärmeisolationsblocks 3 eine Erstarrungsfront 13 für das Schmelzgut 2 aus. Diese Erstarrungsfront 13 muß durch ein entsprechendes Temperaturprofil über der Länge der Formschale stabil gehalten werden. Das Temperaturprofil, das sich im Schmelzgut 2 und einem bereits gerichtet erstarrten Bauteilabschnitt 14 ausbildet, ist nur dann aktiv von Außen über Wärmequelle 10, Isolationsblock 3 und Wärmesenke 11 steuerbar und stabil aufrechtzuerhalten, wenn eine störungsfreie Wärmekopplung zwischen Formschale und Wärmequelle 10, Wärmeisolationsblock 3 sowie Wärmesenke 11 gesichert ist. Jede Änderung des Querschnittes 6,7,8,9 der Formschale über ihrer Länge würde eine Störung verursachen, was durch die Außenrippen 4 erfolgreich verhindert wird, weil diese erfindungsgemäß orthogonal zur Bewegungsrichtung angeordnet und in ihrer Außenkontur der Öffnung 12 des Wärmeisolationsblocks 3 angepaßt sind.
- Die Formschale 5 dient in diesem Beispiel der Herstellung einer einkristallinen gerichtet erstarrten Triebwerksschaufel aus einer Ni- oder Co-Basislegierung mit einer Schaufelblattlänge von 200mm, einer mittleren Schaufelblatttiefe von 5mm, einer mittleren Schaufelblattbreite von 30mm und Deckbandsegmentabmessungen von von 25x35 mm² sowie Schaufelfußabmessungen von 17x35 mm². Der Isolationsblock 3 hat in diesem Beispiel eine Dicke von 15 mm und die Öffnung 12 ist den größten Abmaßen der Außenkontur der Formschale 5 angepaßt, sodaß sie mit ihren aufgespritzten Außenrippen 4 einer Dicke von 1,5 mm² durch die Öffnung 12 in Richtung A hindurchbewegt werden kann.
- Die Fig.2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut 2 mit einem Heizraum 15 und angepaßten Innen- 16 und Außenrippen 4. Der Heizraum 15 wird nach oben von einem Deckel 17 abgeschlossen. Die Innenrippen 16 sind orthogonal zur Bewegungsrichtung (Pfeilrichtung A) angeordnet und weisen Öffnungen 18 auf, die der Öffnung 12 des Wärmeisolationsblockes 3 entsprechen und mit ihr fluchtend angeordnet sind. Mit diesen Innnerippen 16 wird der Heizraum auf die Maße der Öffnung 12 verkleinert und eine intensive Wärmekopplung zwischen Formschale 5 mit Außenrippen 4 einerseits und Wärmequelle 10, Wärmeisolationsblock 3 und Wärmesenke 11 andererseits erreicht. Durch die verbesserte Wärmeführung und Wärmekopplung mittels der Innen- 16 und Außenrippen 4 ist es möglich, die Erstarrungsfront 13 stabil zu halten und der Formschale 5 gesteuerte Temperaturprofile aufzuprägen. Dabei hilft auch die Mehrteilung der Wärmequelle 10 durch eine über mehreren Kontakte 19 bis 21 versorgbare Mehrzonenheizung 22, 23.
Claims (9)
- Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzgut in einer Formschale, die über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte aufweist und relativ zu einer Wärmequelle bewegbar ist, wobei zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke ein Wärmeisolationsblock angeordnet ist, der eine Öffnung zum Hindurchfahren der Formschale aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschale Außenrippen aufweist, die orthogonal zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, die die Formschale formschlüssig umgeben und in ihrer Außenkontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes angepaßt sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrippen aus Wärmeisolationsmaterial bestehen.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrippen aus einem Material mit anisotroper Wärmeleitung bestehen, wobei die Wärmeleitung in Bewegungsrichtung geringer ist als orthogonal zur Bewegungsrichtung.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrippen eine wärmereflektierende Beschichtung aufweisen.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Außenrippen höchstens gleich der Erstreckung des Wärmeisolationsblockes in Bewegungsrichtung ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrippen mittels dünner Stäbe untereinander abstandshaltend verbunden sind.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrippen an die Formschale angespritzt oder angeklebt sind.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Heizraum mit einem inneren Hohlquerschnitt, dessen Kontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entspricht und mit ihr fluchtend angeordnet ist, aufweist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Heizraum mit Innenrippen aufweist, wobei die Innenrippen Öffnungen, die der Öffnung des Wärmeisolationsblockes entsprechen und mit ihr fluchtend angeordnet sind, aufweisen.
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