EP1480770A2 - Verfahren und vorrichtung zur massgenauen feingussherstellung von bauteilen aus ne-metalllegierungen sowie ne-metalllegierungen zur durchf hrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur massgenauen feingussherstellung von bauteilen aus ne-metalllegierungen sowie ne-metalllegierungen zur durchf hrung des verfahrens

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EP1480770A2
EP1480770A2 EP03722201A EP03722201A EP1480770A2 EP 1480770 A2 EP1480770 A2 EP 1480770A2 EP 03722201 A EP03722201 A EP 03722201A EP 03722201 A EP03722201 A EP 03722201A EP 1480770 A2 EP1480770 A2 EP 1480770A2
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EP
European Patent Office
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molds
melt
casting
container
metal alloy
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EP03722201A
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EP1480770B1 (de
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Manfred Renkel
Wilfried Smarsly
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MTU Aero Engines GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D13/04—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of shallow solid or hollow bodies, e.g. wheels or rings, in moulds rotating around their axis of symmetry
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/06—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of solid or hollow bodies in moulds rotating around an axis arranged outside the mould
    • B22D13/066—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of solid or hollow bodies in moulds rotating around an axis arranged outside the mould several moulds being disposed in a circle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/10—Accessories for centrifugal casting apparatus, e.g. moulds, linings therefor, means for feeding molten metal, cleansing moulds, removing castings
    • B22D13/101—Moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/10—Accessories for centrifugal casting apparatus, e.g. moulds, linings therefor, means for feeding molten metal, cleansing moulds, removing castings
    • B22D13/107—Means for feeding molten metal

Definitions

  • non-ferrous metal alloys preferably of TiAl components, in particular for use in turbomachinery construction
  • alloy elements evaporate from the melt during the heating and the casting process, boundary layers which adversely affect the casting process are formed, and there is a risk of the formation of blowholes that lead to a destabilization of the alloy structure. It should also be taken into account here that the time for the actual casting process is negligible compared to the time for the heating process of the melt.
  • Such components manufactured by investment casting must therefore be reimbursed by a so-called HIP / experienced, i.e. A hot isostatic pressing process is used to compress the blowholes and the structure of the component produced by casting is to be stabilized by subsequent heat treatment.
  • this object is achieved according to the invention by a method for precision investment casting corresponding to the outer shape of the components to be manufactured, Casting molds consisting of heated mold shells, to which the melt is fed via a heated pouring device in such a way that a complete filling of the casting molds via the acceleration forces and the tion occurring Coriolis forces and the centrifugal forces applied to the melt.
  • the melt for the casting process is deflected by means of the centrifugal forces against the flow direction determined by gravity by approximately 30 ° to 180 ° and forced into the casting molds by the Coriolis forces for homogeneous filling of the casting molds.
  • the heated casting device and the heated casting molds are kept at predetermined process temperatures which correspond to the non-ferrous metal alloys used for the investment casting production and maintain their flowability, preferably 10 to 200 ° C. above the melting point of the non-ferrous metal alloy.
  • the method according to the invention has a number of advantages.
  • the evaporation rate of the melt is reduced by the method according to the invention and the porosity of the cast parts with regard to the achievable reduction in the size of the pores in the melt is reduced and the structure is therefore finer than that by the flow-mechanically optimized design of the pouring device for utilizing the Coriolis forces are currently achievable. It is therefore no longer necessary to after-treat the cast parts removed from the mold for tempering by hot isostatic pressing and then adding heat to stabilize the alloy structure. This leads to a significant cost reduction in the production of such components and to savings in material costs for the non-ferrous metal alloys to be used in terms of quantity, composition and purity. In addition, the reject rate is reduced and post-treatment costs are greatly reduced, if not saved.
  • a vertically standing, rotatably mounted cup-shaped container with a streamlined bottom surface is used as a pouring device, with which the shell surface associated with its lateral surface and arranged at a predetermined distance from the bottom surface is used. communicate upright molds, the spatial angle of attack of which can be adjusted in relation to the respectively associated, also aerodynamically designed outlet openings of the container, all in such an arrangement that the mold is filled without flow breaks of the melt.
  • containers and casting molds consist of ceramic which has little reaction to the melt and has embedded metal particles, so that containers and casting molds can be heated precisely, preferably inductively, by known inductors or by means of microwaves.
  • the casting trough serving to supply the melt is also designed to be streamlined in relation to the melt and consists of ceramic which has little reaction to the melt and has embedded metal particles.
  • the melt can also be produced within the container of the pouring device during its rotation.
  • fillers and troughs can be made of coated steel, coated graphite, tantalum, titanium or niobium.
  • a TiAl alloy is used as the non-ferrous metal alloy with 30 to 33 wt.% Al, 4 to 6 wt.% Nb, 0.5 to 3 wt.% Mn and 0.1 to 0.5 wt. % B, balance Ti.
  • such a TiAl alloy with 0.5 to 3 wt.% Mn has an oxygen content of 0 to 2000 ppm, a carbon content of 0 to 2000 ppm, preferably 800 to 1200 ppm, and a nickel content of 100 to 2000 ppm and a nitrogen content of 0 to 2000 ppm.
  • oxygen content 0 to 2000 ppm
  • carbon content of 0 to 2000 ppm preferably 800 to 1200 ppm
  • nickel content 100 to 2000 ppm and a nitrogen content of 0 to 2000 ppm.
  • other non-ferrous metal alloys can also be used to carry out the precision casting production according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an apparatus for performing the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a modified embodiment of the device according to FIG. 1.
  • the device according to FIG. 1 shows a pouring device, which can be rotated about an axis 10 and is designated as a whole by the reference numeral 11, to which the melt is fed from a ladle 12 via a pouring trough 14 designed to be streamlined.
  • the pouring device 11 is mounted so that it can be rotated vertically - the drive device required for this is not shown for the sake of clarity - and comprises a cup-shaped container 15 with a rotationally symmetrical side wall 16 and a flow-optimized base 18 formed thereon at a distance a from the base 18 are located symmetrically on the circumference of the side wall 16, flow-mechanically optimized outlet openings 19, which communicate with molds 22 consisting of half-shells 20.
  • the molds are adjustably connected to the container 15 by spatial angles sr with respect to the associated outlet openings 19.
  • the angle sr is set as a function of the specific weights of the non-ferrous metal alloy used, the casting temperature and the speed n of the container as well as the respective specific weight of the alloy, so that the entire feed is designed to be fluid-mechanically optimized.
  • the container 15 and the associated casting molds 22 are arranged in their predetermined position by means of a holder 23 made of suitable ceramic and serving as a matrix for this, which is clamped between a base plate 24 and a cover plate 26.
  • the melt, heated to the casting temperature can be removed from the casting ne 12 escaping melt and passed on via the trough 14 enter the container 15.
  • suitable, precisely controllable heating devices 30 - such as, for example, inductors - both the pouring device 11 and casting trough 14 and the casting molds 22 are heated inductively in such a way that the melt remains at the casting temperature until the casting is complete.
  • These temperatures which maintain the flowability of the melt, correspond to the non-ferrous metal alloys used for investment casting.
  • Containers and casting molds can also consist of coated steel, tantalum, titanium or niobium.
  • the Coriolis force is the inertial force which, in addition to the guide force and the centrifugal force, acts on a body moving in a rotating system.
  • the Coriolis force is perpendicular to the plane formed by the speed vector and the axis of rotation.
  • the non-ferrous metal alloy is a TiAl alloy with 30 to 33 parts by weight of aluminum, 4 to 6% by weight of niobium, 0.5 to 3% by weight of manganese and 0.1 to 0.5% by weight of boron, the rest Titanium for use.
  • the non-ferrous metal alloy located in the casting ladle 12 is converted into the desired melt by heating in the usual manner and, as already described, passes via the heated casting trough 14 into the rotating, likewise heated, pouring device 11, where it is gravitationally applied to the Bottom 18 of the container 15 arrives.
  • centrifugal forces act on the melt, which bring about a reversal of the direction of flow of the melt from approximately 30 ° to 180 °, so that it rises against the inner wall of the side wall 16 up to the height of the outlet openings 19.
  • the spatial angles of attack sr of the molds 22 are selected such that they coincide with the direction of the Coriolis force vectors, these act on the melt in addition to the centrifugal forces, with the result that the melt can not only enter the molds via the openings 19 but also ⁇ S3ss this fills the cavities of the casting molds adjoining the openings 19 quickly and safely as well as completely and homogeneously.
  • the molds are removed and the respective investment casting component is applied in the customary manner.
  • the molds 22 which are adjustable in their angular position sr and held in the holder 23 are located at the upper edge of the in the pouring device 1 1 now rotatably mounted container 15. This has in this area a distributor 42 which acts as a nozzle for the melt.
  • the outlet openings 19 leading to the inside of the casting mold 22 are - as in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the non-ferrous metal alloy is here fed to the container 15 as a so-called ingot melting in the rotating container, so that the ladle 12 and pouring channel 14 of the exemplary embodiment according to FIG. 1 are omitted.
  • the container 15 For the insertion of the ingot into the container 15, the latter has a lid 44 which is openable for this purpose and to which the distributor 42 is fastened.
  • the cover plate 26 is removably connected to the pouring device 40. Since the likewise inductively heatable container 15 is rotatably supported by itself in the pouring device 40, temperature-resistant seals 45 are provided between the inlet openings of the stationary molds 22 and the outlet openings 19 of the rotating container 15.
  • the mode of operation of the pouring device described above corresponds to the mode of operation described in connection with FIG. 1, but the supply of the melt into the molds 22 and thus their filling is favorably influenced via the distributor 42 which develops the nozzle action.
  • the cast components can still be heated in the casting molds to 600 to 700 ° C., which is also done inductively via the existing heating devices 30. In this way, the cooling rate of the cast components is kept low in a controlled manner in order to avoid cracks, breaks, etc. in the components.
  • the cast components are only removed from the molds after the desired degree of cooling has been reached, which is to be selected depending on the composition of the non-ferrous metal alloy used With the invention described above, it is ensured for the first time that the Coriolis forces of the centrifugal forces applied to the melt can also act in a targeted manner and act on the melt in a similar way to a pressure ram and thus force the melt completely and homogeneously into the casting mold, that is to say fill it completely and without voids. without a damaging stall of the melt and a different solidification of the boundary layer.
  • the cooling rate is kept low in a controlled manner, so that the residual stresses in the components that result from uncontrolled cooling and the resulting cracks, breaks, etc. are avoided.

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Abstract

Verfahren zur maßgenauen Feingussherstellung von Bauteilen aus NE-Metalllegierungen, insbesondere zur Verwendung im Triebwerksbau, unter Anwendung eines Schleuderformgussverfahrens mit der Außenform der jeweils herzustellenden, über eine gegenüber den verwendeten Legierungen reaktionsarmen strömungsmechanisch optimierten Gießrinne (14) gespeiste, an den Eingussstellen (19) ebenfalls strömungsmechanisch optimierten und an einer drehbar gelagerten Eingussvorrichtung (11) räumlich einstellbar angeordneten Gussformen (22), die alle jeweils zwecks Temperaturführung während des Gießvorganges induktiv (30) beheizbar sind, dies alles in derartiger Anordnung, dass ein vollständiges homogenes und lunkerfreies Füllen der Gussformen über die Coriolis-Kräfte der der Schmelze aufgeprägten Zentrifugalkräfte erfolgt; vgl Figur 1.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur maßgenauen Feingussherstellung von Bauteilen aus NE- Metalllegierungen sowie NE-Metalllegierungen zur Durchführung des Verfahrens
Die Feingussherstellung von NE-Metalllegierungen, vorzugsweise von TiAI-Bauteilen insbesondere zur Verwendung im Turbomaschinenbau ist aufwendig und schwierig, da während des Aufheizens und des Gießvorganges Legierungselemente aus der Schmelze verdampfen, den Gießvorgang ungünstig beeinflussende Grenzschichten gebildet werden sowie die Gefahr der Entstehung von Gießlunkern besteht, die zu einer DeStabilisierung des Legierungs- gefüges führen. Hierbei ist ferner zu berücksichtigen, dass die Zeit für den eigentlichen Gießvorgang gegenüber der Zeit für den Aufheizvorgang der Schmelze verschwindend gering ist.
Solche durch Feinguß hergestellten Bauteile sind daher anschließend durch ein sogenanntes HIP /erfahren zu vergüten, d.h. durch einen heissisostatischen Pressvorgang sind Gießlunker zu verdichten und ist durch anschließende Wärmebehandlung das Gefüge des durch Gießen hergestellten Bauteils zu stabilisieren.
Die Einhaltung vorgegebener Werkstoffspezifikationen für solche derart herzustellenden Bauteile ist daher überaus kostenintensiv und hohe Ausschussquoten sind unvermeidlich.
Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, die Herstellung von Bauteilen aus NE- Metalllegierungen insbesondere für den Einsatz im Turbomaschinenbau mittels Feinguss signifikant zu verbessern.
Ausgehend von dem bekannten Schleuderformguss, bei dem durch Rotation eines Teils der Gießeinrichtung die Zentrifugalkräfte Einfluss auf die Formgestaltung, die Formfüllung und die Kristallisation der Schmelze nehmen, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur maßgenauen Feingussherstellung mit der Außenform der jeweils herzustellenden Bauteile korrespondierenden, aus beheizten Formschalen bestehenden Gussformen, denen die Schmelze über eine beheizte Eingussvorrichtung derart zugeführt wird, dass ein vollständiges Füllen der Gussformen über die Beschleunigungskräfte sowie der bei Rota- tion auftretenden Coriolis-Kräfte und der der Schmelze aufgeprägten Zentrifugalkräfte erfolgt.
Hierbei wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Schmelze für den Gießvorgang mittels der Zentrifugalkräfte entgegen der durch die Schwerkraft bestimmten Fließrichtung um annähernd 30° - 180° umgelenkt und beim Einfließen in die Gussformen durch die Coriolis-Kräfte zur homogenen Füllung der Gussformen gezwungen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die beheizte Eingussvorrichtung und die beheizten Gussformen auf vorbestimmten, mit den für die Feingussherstellung verwendeten NE-Metalllegierungen korrespondierenden, deren Fließfähigkeit aufrechterhaltenden, vorzugsweise 10 bis 200° C über dem Schmelzpunkt der NE-Metalllegierung liegenden Verfahrenstemperaturen gehalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Abdampfrate der Schmelze verringert und durch die strömungsmechanisch optimierte Ausgestaltung der Eingussvorrichtung zur Ausnutzung der Coriolis-Kräfte die Porosität der Gussteile im Hinblick auf die erzielbare Verkleinerung der Poren in der Schmelze verringert und damit feinere Gefüge als bisher erzielbar sind. Daher ist eine Nachbehandlung der aus der Form entnommenen Gussteile zwecks Vergütung durch heiss-isostatisches Pressen und anschließende Zufuhr von Wärme zwecks Stabilisierung des Legierungsgefüges nicht mehr notwendig. Dies führt zu einer wesentlichen Kostenreduzierung bei der Herstellung solcher Bauteile sowie zu Einsparungen bei den Materialkosten für die zu verwendenden NE- Metalllegierungen bezüglich Menge, Zusammensetzung und Reinheit. Darüber hinaus wird die Ausschussrate kleiner und werden Nachbehandlungskosten stark reduziert, wenn nicht gar eingespart.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Erfindung als Eingussvorrichtung ein senkrecht stehender, drehbar gelagerter napfförmiger Behälter mit strömungsgünstig ausgebildeter Bodenfläche verwendet, mit dem die seiner Mantelfläche zugeordneten im vorbestimmten Abstand zur Bodenfläche angeordneten aus Formschalemoe- stehenden Gussformen kommunizieren, deren räumliche Anstellwinkel in Bezug auf die jeweils zugeordnete ebenfalls strömungsgünstig ausgebildeten Austrittsöffnungen des Behälters einstellbar ist, dies alles in derartiger Anordnung, dass die Gussformfüllung ohne Strömungsabrisse der Schmelze erfolgt.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen Behälter und Gussformen aus gegenüber der Schmelze reaktionsarmer Keramik mit eingelagerten Metallpartikeln, sodass Behälter und Gussformen vorzugsweise induktiv an sich bekannter Induktoren oder mittels Mikrowellen exakt steuerbar beheizbar sind.
Vorteilhaft ist es, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die der Zuführung der Schmelze dienende Gießrinne in Bezug auf die Schmelze ebenfalls strömungsgünstig ausgebildet ist und aus gegenüber der Schmelze reaktionsarmer beheizbarer Keramik mit eingelagerten Metallpartikeln besteht. Die Schmelze kann aber gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung auch innerhalb des Behälters der Eingussvorrichtung während dessen Rotation erzeugt werden.
Schließlich können Einfüllvorrichtungen und Gießrinne aus beschichtetem Stahl, beschichteten Graphit, aus Tantal, aus Titan oder aus Niob bestehen.
Als NE-Metalllegierung gelangt gemäß der Erfindung eine TiAI-Legierung zur Verwendung mit 30 bis 33 Gew.% AI, 4 bis 6 Gew.% Nb, 0,5 bis 3 Gew.% Mn und 0, 1 bis 0,5 Gew.% B, Rest Ti.
Im Rahmen der Erfindung weist eine solche TiAI-Legierung mit 0,5 bis 3 Gew.% Mn einen Sauerstoffgehalt von 0 bis 2000 ppm, einen Kohlenstoffgehalt von 0 bis 2000 ppm, vorzugsweise 800 bis 1200 ppm, einen Nickel-Gehalt von 100 bis 2000 ppm und einen Stickstoff-Gehalt von 0 bis 2000 ppm auf. Selbstverständlich sind auch andere NE- Metalllegierungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen maßgenauen Feingussherstellung einsetzbar.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und
Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Figur 1.
Die Vorrichtung nach Figur 1 zeigt eine um eine Achse 10 drehbare insgesamt mit der Bezugsziffer 1 1 bezeichnete Eingussvorrichtung, der die Schmelze aus einer Gießpfanne 12 über eine strömungsgünstig ausgebildete Gießrinne 14 zugeführt wird.
Die Eingussvorrichtung 1 1 ist senkrecht stehend drehbar gelagert - die hierzu erforderliche Antriebsvorrichtung ist der Übersicht halber nicht dargestellt -, und umfasst einen napfför- migen Behälter 15 mit einer rotationssymmetrischen Seitenwandung 16 und einem daran angeformten strömungsoptimiert ausgebildeten Boden 18. Im Abstand a vom Boden 18 befinden sich symmetrisch am Umfang der Seitenwandung 16 verteilt strömungsmechanisch optimierte Austrittsöffnungen 19, die mit aus Halbschalen 20 bestehenden Gussformen 22 kommunizieren.
Die Gussformen sind um räumliche Winkel sr in Bezug auf die zugeordneten Austrittsöffnungen 19 einstellbar mit dem Behälter 15 verbunden. Die Einstellung der Winkel sr erfolgt in Abhängigkeit der spezifischen Gewichte der verwendeten NE-Me-talllegierung, der Gießtemperatur und der Drehzahl n des Behälters sowie des jeweiligen spezifischen Gewichts der Legierung, sodass die gesamte Zuführung strömungsmechanisch optimiert ausgebildet ist.
Der Behälter 15 und die zugeordneten Gussformen 22 sind in ihrer vorbestimmten Lage mittels einer aus geeigneter Keramik bestehenden, als Matrix für diese dienenden Halterung 23 angeordnet, die zwischen einer Grundplatte 24 und einer Deckplatte 26 eingespannt ist. Über eine Öffnung 28 kann die auf Gießtemperatur aufgeheizte Schmelze aus der Gieß'pFan- ne 12 austretende und über die Gießrinne 14 weitergeleitete Schmelze in den Behälter 15 eintreten. Über geeignet exakt steuerbare Heizvorrichtungen 30 - wie z.B. Induktoren - werden sowohl die Eingussvomchtung 1 1 und Gießrinne 14 als auch die Gussformen 22 derart induktiv beheizt, dass die Schmelze bis zum vollendeten Guss auf Gießtemperatur verbleibt. Diese die Fließfähigkeit der Schmelze aufrechterhaltenden Temperaturen korrespondieren mit den für die Feingussherstellung verwendeten NE-Metalllegierungen. Hierzu bestehen Gießrinnen 14, Behälter 15 und Gussformen 22 aus gegenüber der Schmelze reaktionsarmer Keramik mit eingelagerten Metallpartikeln. Behälter und Gießformen können aber auch aus beschichteten Stahl, aus Tantal, aus Titan oder aus Niob bestehen.
Mit Coriolis-Kraft wird bekanntlich die Trägheitskraft bezeichnet, die neben der Führungskraft und der Zentrifugalkraft auf einen sich in einem rotierenden System bewegenden Körper einwirkt. Die Coriolis-Kraft steht senkrecht auf der vom Geschwindigkeitsvektor und der Drehachse gebildeten Ebene.
Als NE-Metalllegierung gelangt eine TiAI-Legierung mit 30 bis 33 Gew.-Anteilen Aluminium, 4 bis 6 Gew.% Niob, 0,5 bis 3 Gew.% Mangan und 0, 1 bis 0,5 Gew.% Bor, Rest Titan zur Anwendung. Vorzugsweise wird eine TiAI-Metalllegierung mit einem Sauerstoff-Gehalt von 0 bis 2000 ppm, einem Kohlenstoffgehalt von 0 bis 2000 ppm, vorzugsweise 800 bis 1200 ppm, einem Nickel-Gehalt von 100 bis 2000 ppm und einem Stickstoff-Gehalt von 0 bis 2000 ppm verwendet.
Für den Gießvorgang wird die in der Gießpfanne 12 befindliche NE-Metalllegierung durch Erhitzen in üblicher Weise in die gewünschte Schmelze überführt und gelangt - wie bereits beschrieben - über die beheizte Gießrinne 14 in die rotierende ebenfalls beheizte Eingussvorrichtung 1 1, wo sie durch Schwerkraft auf den Boden 18 des Behälters 15 gelangt. Infolge der Drehung des Behälters wirken auf die Schmelze Zentrifugalkräfte, die eine Richtungsumkehr der Fließrichtung der Schmelze von annährend 30° bis 180° bewirken, sodass diese an der Innenwandung der Seitenwandung 16 anliegend aufsteigt bis in die Höhe der Austrittsöffnungen 19. Da die räumlichen Anstellwinkel sr der Gussformen 22 derart gewählt sind, dass diese mit der Richtung der Coriolis-Kraftvektoren koinzidieren, wirken diese zusätzlich zu den Zentrifugalkräften auf die Schmelze ein, was zur Folge hat, dass die Schmelze nicht nur über die Öffnungen 19 in die Gussformen eintreten kann, sondern <S3ss diese die sich an die Öffnungen 19 anschließenden Hohlräume der Gussformen schnell und sicher sowie vollständig und homogen ausfüllt. Nach Erstarren der Schmelze werden die Gussformen abgenommen und das jeweilige Feingussbauteil in üblicher Weise ausgebracht.
Bei dem in Figur 2 dargestellten, insgesamt mit der Bezugziffer 40 bezeichneten Ausführungsbeispiel der Eingussvorrichtung, dessen der Eingussvorrichtung 1 1 entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugziffern bezeichnet sind, befinden sich die in ihrer Winkelstellung sr einstellbaren, in der Haltung 23 gehaltenen Gussformen 22 am oberen Rand des in der Eingussvorrichtung 1 1 nunmehr drehbar gelagerten Behälters 15. Dieser weist in diesem Bereich einen für die Schmelze als Düse wirkenden Verteiler 42 auf. Die zum Inneren der Gussform 22 führenden Austrittsöffnungen 19 sind - wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 - ebenfalls für die Schmelze strömungsgünstig ausgebildet.
Die NE-Metalllegierung wird hier dem Behälter 15 als im rotierenden Behälter aufschmelzender sogenannter Ingot zugeführt, sodass Gießpfanne 12 und Gießrinne 14 des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 entfallen. Für das Einsetzen des Ingots in den Behälter 15 weist dieser einen hierfür zu öffnenden Deckel 44 auf, an den Verteiler 42 befestigt ist. Hierzu ist die Deckplatte 26 abnehmbar mit der Eingussvorrichtung 40 verbunden. Da der ebenfalls induktiv aufheizbare Behälter 15 für sich allein drehbar in der Eingussvorrichtung 40 gelagert ist, sind temperaturbeständige Dichtungen 45 zwischen den Einlassöffnungen der stillstehenden Gussformen 22 und den Austrittsöffnungen 19 des sich drehenden Behälters 15 vorgesehen. Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Eingussvomchtung entspricht der in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Wirkungsweise, wobei jedoch über den düsenwirkungsentfaltenden Verteiler 42 die Zuführung der Schmelze in die Gussformen 22 und damit deren Füllung günstig beeinflusst wird.
Für beide Ausführungsformen, also nach Figur 1 und Figur 2, ist vorgesehen, dass die gegossenen Bauteile noch in den Gussformen auf 600 bis 700° C aufgeheizt werden können, was ebenfalls induktiv über die vorhandenen Heizvorrichtungen 30 erfolgt. Auf diese Weise wird die Abkühlungsrate der gegossenen Bauteile gesteuert niedrig gehalten, um Risse, Brüche u.a. in den Bauteilen zu vermeiden. Die Entnahme der gegossenen Bauteile aus den Gussformen erfolgt also erst nach Erreichen des jeweils gewünschten Abkühlungsgrades, der je nach Zusammensetzung der jeweils verwendeten NE-Metalllegierung zu wählen isTÜ Mit der vorstehend beschriebenen Erfindung wird erstmals sichergestellt, dass die Coriolis- Kräfte der der Schmelze aufgeprägten Zentrifugalkräfte gezielt ebenfalls wirksam werden können und die Schmelze ähnlich einem Druckstempel beaufschlagen und damit die Schmelze vollständig und homogen in die Gussform drängen, diese also vollständig und lunkerfrei füllen, ohne dass ein schädlicher Strömungsabriss der Schmelze sowie eine unterschiedlich erstarrende Grenzschichtbildung erfolgen kann. Durch das Aufheizen des gegossenen Bauteils in der Gussform wird die Abkühlungsrate gesteuert niedrig gehalten, sodass die bei ungesteuerter Abkühlung auftretenden Eigenspannungen in den Bauteilen und daraus resultierende Risse, Brüche u.a. vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur maßgenauen Feingussherstellung von Bauteilen aus NE- Metalllegierungen, insbesondere zur Verwendung im Turbomaschinenbau, mit der Außenform der jeweils herzustellenden Bauteile korrespondierenden, aus beheizten Formschalen bestehenden Gussformen, denen die Schmelze über eine beheizte drehbar gelagerte Eingussvorrichtung derart zugeführt wird, dass ein vollständiges Füllen der Gussformen über Beschleunigungskräfte einschließlich der Coriolis-Kräfte der der Schmelze aufgeprägten Zentrifugalkräfte erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze für den Gießvorgang in der Eingussvorrichtung mittels der Zentrifugalkräfte entgegen der durch die Schwerkraft bestimmten Fließrichtung um annähernd 30° bis 180° umgelenkt und beim Einfließen in die Gussformen durch die Beschleunigungskräfte einschließlich der Coriolis-Kräfte zur homogenen Füllung der Gussformen gezwungen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizte drehbar gelagerte Eingussvorrichtung und die beheizten Gussformen auf vorbestimmten, mit den für die Feingussherstellung verwendeten NE-Metalllegierung korrespondierenden, deren Fließfähigkeit aufrechterhaltenden, vorzugsweise 10° bis 200° C über dem Schmelzpunkt der NE-Metalllegierung liegende Verfahrenstemperaturen gehalten werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze außerhalb oder innerhalb der Eingussvorrichtung erzeugt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks gesteuerter Minderung der Abkühlungsrate der noch in den Gussformen befindlichen Feinguss- Bauteilen diese auf 100° bis 900° C aufgeheizt werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingussvorrichtung (1 1) ein senkrecht stehender drehbar gelagerter napfförmiger Behälter ( 15) mit strömungsgünstig ausgebildeter Bodenfläche verwendet ist, mit dem die an seiner Mantelfläche (Seitenwandung 16) angeordneten, im vorbestimmten Abstand (a) zur Bodenfläche (18) angeordneten aus Formschalen bestehenden Gussformen (22) kommunizieren, deren räumlicher Anstellwinkel (sr) in Bezug auf die jeweils zugeordnete strömungsgünstig ausgebildete Austrittsöffnung (19) im Behälter (15) einstellbar ist, dies alles in derartiger Anordnung, dass eine homogene Gussformfüllung ohne Strömungsabrisse der Schmelze erfolgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (15) in der Eingussvorrichtung (40) relativ zu den einstellbar (Raumwinkel sr) angeordneten Gussformen (22) drehbar gelagert und zur Aufnahme eines aus NE-Metalllegierungen bestehenden mit den Innendurchmesser des Behälters korrespondierenden Ingots mit einem verschließbaren Deckel (44) versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussformen (22) nahe dem oberen Rand des Behälters (15) angeordnet sind, deren Eintrittsöffnungen einem Behälter (15) angeordnetem düsenwirkungentfaltender Verteiler (42) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Behälter (15) und Gussformen (22) aus gegenüber der Schmelze reaktionsarmer Keramik mit eingelagerten Metallpartikeln bestehen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Zuführung der Schmelze dienende Gießrinne (14) in Bezug auf die Schmelze strömungsgünstig ausgebildet und ebenfalls aus gegenüber der Schmelze reaktionsarmer Keramik mit eingelagerten Metallpartikeln besteht.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Behälter und Gießformen aus beschichtetem Stahl, beschichtetem Graphit, aus Tantal, aus Titan oder aus Niob bestehen.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beheizen der Eingussvorrichtung (10) und der Gussformen (22) induktiv oder durch Mikrowellen erfolgt.
13. NE-Metalllegierung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, auf der Basis einer TiAI-Metalllegierung mit 30 bis 33 Gew.% AI, 4 bis 6 Gew.% Nb, 0,5 bis 3 Gew.% Mn und 0, 1 bis 0,5 Gew.% B, Rest Ti.
14. NE-Metalllegierung nach Anspruch 13, auf der Basis einer TiAI-Metalllegierung mit einem Sauerstoffgehalt von 0 bis 2000 ppm, einem Kohlenstoffgehalt von 0 bis 2000 ppm, vorzugsweise 800 bis 1200 ppm, einem Ni-Gehalt von 100 bis 2000 ppm und einem N-Gehalt von 0 bis 2000 ppm.
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