EP1670602A2 - Tool for producing cast components, method for producing said tool, and method for producing cast components - Google Patents

Tool for producing cast components, method for producing said tool, and method for producing cast components

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Publication number
EP1670602A2
EP1670602A2 EP04786823A EP04786823A EP1670602A2 EP 1670602 A2 EP1670602 A2 EP 1670602A2 EP 04786823 A EP04786823 A EP 04786823A EP 04786823 A EP04786823 A EP 04786823A EP 1670602 A2 EP1670602 A2 EP 1670602A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
mold
oxide
component
casting mold
Prior art date
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Ceased
Application number
EP04786823A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manfred Renkel
Wilfried Smarsly
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
G4T GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by G4T GmbH filed Critical G4T GmbH
Priority to EP09168304A priority Critical patent/EP2113318A3/en
Publication of EP1670602A2 publication Critical patent/EP1670602A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/02—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives
    • B22C1/04—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for protection of the casting, e.g. against decarbonisation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/005—Selecting particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
    • F05D2300/133—Titanium

Definitions

  • Tool for producing cast components method for producing the tool and method for producing cast components
  • the invention relates to a tool for producing cast components according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a tool according to the preamble of patent claim 6 and a method for producing a cast component according to the preamble of patent claim 11.
  • the present invention relates to the production of components, in particular gas turbine components, from non-ferrous metal melts, in particular titanium-aluminum alloys, in particular those with 43-48% by weight of aluminum, which form an intermetallic phase with the aid of a casting process.
  • molds so-called molds
  • the molds having an inner contour that corresponds to the outer contour of the component to be produced.
  • a distinction is made between casting processes that work with lost casting molds or permanent casting molds.
  • casting processes that work with lost molds only one component can be produced with one mold.
  • the casting molds can be used several times in casting processes that work with permanent casting molds.
  • the casting processes that work with lost molds include the so-called investment casting.
  • mold casting for the casting processes that work with permanent casting molds, reference is made here to mold casting as an example.
  • the present invention relates in particular to so-called investment casting.
  • State-of-the-art investment casting molds made from highly refractory ceramics are used. To produce a casting mold for the investment casting, roughly the procedure is followed in such a way that in a first step a model is made available for the casting component that will later be produced with the casting mold, the model having a similar shape to the casting component to be produced, but by the shrinkage of the Cast material larger dimensions.
  • This model is also called a component wax.
  • this component wax is preferably coated several times with a slip material and sanded and optionally backfilled subsequently, so that after the melting of the component wax, the mold is either in the so-called compact shape or in the so-called shell shape. After the component wax has melted out, the resulting one-piece mold is fired. The still molten metal of the cast component to be produced can then be poured into the preferably still hot mold, the cast component being knocked out of the mold after solidification. The mold is lost.
  • the casting molds according to the prior art are formed from highly refractory ceramic materials, such as aluminum oxide, zirconium oxide or yttrium oxide with additions of silicon dioxide.
  • a corresponding slip material is applied to a component wax using a slip process according to the prior art.
  • Casting molds that contain silicon dioxide admixtures are reactive and lead to surface defects in the production of cast components from reactive non-ferrous metal melts, such as titanium alloys or titanium-aluminum alloys. This can lead to surface defects, dimensional deviations, cracks and the formation of so-called voids on the cast component to be produced.
  • the casting molds known from the prior art are therefore not suitable for reactive nonferrous metal melts.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel tool for producing cast components, a method for producing such a tool, and a method for producing a cast component.
  • At least one area of the casting mold that comes into contact with the reactive nonferrous metal melt consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.
  • the casting mold has an at least two-layer structure, a first layer forming a mold wall region coming into contact with the reactive non-ferrous metal melt and a second layer forming a stabilization region behind the mold wall region. Both the first layer and the second layer consist of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide, the second layer, which backfills the first layer, has less yttrium oxide and is coarser than the first layer.
  • the inventive method for producing such a tool is characterized by the features of the independent claim Patent.
  • the method for producing a cast component is defined in claim 1 1.
  • FIG. 1 shows a cross section through a mold according to the invention for a gas turbine blade together with a gas turbine blade produced by casting.
  • FIG. 1 shows a cross section through a mold 10 together with a gas turbine blade 1 1 produced by casting, the gas turbine blade 1 1 comprising an airfoil 12 and a blade root 13.
  • the gas turbine blade 11 produced by casting is surrounded by the mold 10.
  • the casting mold is formed in two layers.
  • a first layer 14 of the casting mold 10 forms a mold wall covering which comes into contact with the reactive non-ferrous metal melt of the cast component to be produced. rich, a second layer 15 thereof forms a backfill for the first layer 14.
  • At least the first layer 14 of the casting mold 10 which comes into contact with the reactive non-ferrous metal melt of the gas turbine blade 1 1 to be produced, consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.
  • a composition of the casting mold 10 at least in the area of the first layer 14, reactions between the casting mold and the reactive non-ferrous metal melt are avoided, so that dimensional deviations and crack formation on the cast component to be produced, namely on the gas turbine blade 1 1 to be produced, are avoided.
  • the second layer 15 of the casting mold 10 consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.
  • the second layer 15 forming the backfill has a significantly lower yttrium oxide content than the first layer 14, which comes into contact with reactive non-ferrous metal melt of the gas turbine blade 11 to be produced.
  • the second layer 15 is coarse-grained and thick-walled than the first layer 14. This is particularly advantageous for reasons of cost and manufacturing.
  • the procedure according to the invention is such that a component wax is provided which has approximately the geometric dimensions of the casting component to be produced with the casting mold.
  • the component wax is coated with a slip material, the slip material consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.
  • the mold 10 to be produced is formed in two layers. Accordingly, in a first step of the method according to the invention for producing the mold 10 shown in FIG. 1, the component wax is preferably first coated in multiple layers with the slip material such that the first layer 14 of the mold is formed. Only then does the preferably multilayer coating of the first layer 14 take place with the second Layer 15, the second layer 15 forming the backfill for the first layer 14. Correspondingly coordinated slip materials are provided for the production of the first layer 14 and the second layer 15, both slip materials consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. However, the slip material for forming the second layer has a lower yttrium oxide content and is of a coarser grain than the slip material for forming the first layer 14.
  • the yttrium oxide and the magnesium oxide prevent an undesirable reaction of the non-ferrous metal melt of the cast component to be produced with the mold 10.
  • the magnesium oxide together with the water of the slip material, causes an exothermic reaction in which the water is evaporated. This significantly reduces the drying time of the layers 14 and 15 of the casting mold 10.
  • the slip material sets like concrete.
  • the firing temperature for the mold can be reduced from approx. 1400 ° C to approx. 900 ° C, whereby the casting temperature is also approx. 900 ° C. This enables the production of the molds in a quick, simple and inexpensive manner.
  • the thin, first layer 14 suppresses undesirable reactions between the mold and the non-ferrous metal melt.
  • the second layer 15 brings about a sufficient mechanical strength of the casting mold and gives it a high heat capacity, which enables slow cooling of the casting mold and a casting temperature of approximately 900 ° C.
  • the mechanical strength minimizes shrinkage, the high heat capacity causes microplastic deformability of the otherwise brittle material to be processed by casting, so that no component cracks or breaks occur.
  • the mold can be filled by centrifugal casting.
  • centrifugal casting it is advantageous to use heatable molds by means of microwave radiation or inductive coupling.
  • metal particles, metallic structures, in particular metal networks, and semiconducting and conductive non-metals, in particular graphite or silicon can be embedded in the layer (s) of the mold.
  • the casting mold 10 with a changing thickness, in particular in the area of the second layer 15. 1 shows that the second layer 15 is formed much thicker in the area of the blade root 13 than in the area of the airfoil 11.
  • the thickness of the casting mold can additionally be varied by virtue of the fact that the casting mold is thinner at the upper end of the airfoil 12 than in the lower region, which adjoins the blade root 13. In this way it can be achieved that the non-ferrous metal melt solidifies in a directed manner and the solidification front ends in the region of the blade root.
  • the casting mold according to the invention is particularly suitable for the production of gas turbine components such as blades, which are produced from a titanium-aluminum alloy, in particular titanium aluminides with 43-48% aluminum, which form intermetallic phases.
  • a titanium-aluminum alloy melt is poured into the casting mold described above, the casting component being detached from the casting mold after solidification.

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Abstract

The invention relates to a tool for producing cast components, especially gas turbine components, from reactive nonferrous molten metals, especially titanium alloys, said tool being embodied as a casting mould. According to the invention, at least one region of the casting mould (10) that comes into contact with the reactive nonferrous molten metal consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.

Description

Werkzeug zum Herstellen von Gussbauteilen, Verfahren zum Herstellen des Werkzeugs und Verfahren zum Herstellen von Gussbauteilen Tool for producing cast components, method for producing the tool and method for producing cast components
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen von Gussbauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 1.The invention relates to a tool for producing cast components according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a tool according to the preamble of patent claim 6 and a method for producing a cast component according to the preamble of patent claim 11.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen, insbesondere Gasturbinenbauteile, aus Nichteisenmetallschmelzen, insbesondere Titan-Aluminium- Legierungen, insbesondere solche mit 43-48 Gew% Aluminium, welche eine intermetallische Phase ausbilden mithilfe eines Gießverfahrens. Beim Gießen werden Formen, sogenannte Gussformen, verwendet, wobei die Gussformen eine Innenkontur aufweisen, die der Außenkontur des herzustellenden Bauteils entspricht. Prinzipiell unterscheidet man bei Gießverfahren solche, die mit verlorenen Gussformen oder Dauergussformen arbeiten. Bei Gießverfahren, die mit verlorenen Gussformen arbeiten, kann mit einer Gussform immer nur ein Bauteil hergestellt werden. Bei Gießverfahren, die mit Dauergussformen arbeiten, können die Gussformen mehrfach verwendet werden. Zu den Gießverfahren, die mit verlorenen Gussformen arbeiten, zählt unter anderem das sogenannte Feingießen. Bei den Gießverfahren, die mit Dauergussformen arbeiten, sei hier exemplarisch auf das Kokillengießen verwiesen. Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das sogenannte Feingießen.The present invention relates to the production of components, in particular gas turbine components, from non-ferrous metal melts, in particular titanium-aluminum alloys, in particular those with 43-48% by weight of aluminum, which form an intermetallic phase with the aid of a casting process. When casting, molds, so-called molds, are used, the molds having an inner contour that corresponds to the outer contour of the component to be produced. In principle, a distinction is made between casting processes that work with lost casting molds or permanent casting molds. In casting processes that work with lost molds, only one component can be produced with one mold. The casting molds can be used several times in casting processes that work with permanent casting molds. The casting processes that work with lost molds include the so-called investment casting. For the casting processes that work with permanent casting molds, reference is made here to mold casting as an example. The present invention relates in particular to so-called investment casting.
Beim Feingießen kommen nach dem Stand der Technik Gussformen aus hochfeuerfesten Keramiken zum Einsatz. Zur Herstellung einer Gussform für das Feingießen wird in groben Zügen so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt ein Modell für das später mit der Gussform herzustellende Gussbauteil bereit gestellt wird, wobei das Modell eine ähnliche Gestalt wie das herzustellende Gussbauteil aufweist, jedoch um das Schwindmaß des Gusswerkstoffs größere Abmessungen. Dieses Modell wird auch als Bauteilwachsling bezeichnet. Nach dem Stand der Technik wird dieser Bauteilwachsling mit einem Schlickerwerkstoff vorzugsweise mehrfach beschichtet sowie besandet und gegebenenfalls im Anschluss hinterfüllt, so dass nach dem Ausschmelzen des Bauteilwachslings die Gussform entweder in der sogenannten Kompaktform oder in der sogenannten Schalenform vorliegt. Im Anschluss an das Ausschmelzen des Bauteilwachslings wird die so entstandene, einteilige Gussform gebrannt wird. In die vorzugsweise noch heiße Gussform kann sodann das noch geschmolzene Metall des herzustellenden Gussbauteils gegossen werden, wobei nach der Verfestigung das hergestellte Gussbauteil aus der Gussform ausgeklopft wird. Die Gussform geht hierbei verloren.State-of-the-art investment casting molds made from highly refractory ceramics are used. To produce a casting mold for the investment casting, roughly the procedure is followed in such a way that in a first step a model is made available for the casting component that will later be produced with the casting mold, the model having a similar shape to the casting component to be produced, but by the shrinkage of the Cast material larger dimensions. This model is also called a component wax. According to the state of the art, this component wax is preferably coated several times with a slip material and sanded and optionally backfilled subsequently, so that after the melting of the component wax, the mold is either in the so-called compact shape or in the so-called shell shape. After the component wax has melted out, the resulting one-piece mold is fired. The still molten metal of the cast component to be produced can then be poured into the preferably still hot mold, the cast component being knocked out of the mold after solidification. The mold is lost.
Wie bereits erwähnt, werden die Gussformen nach dem Stand der Technik aus hochfeuerfesten Keramikwerkstoffen, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Yttriumoxid mit Siliziumdioxid-Beimengungen gebildet. Ein entsprechender Schlickerwerkstoff wird mithilfe eines Schlickerverfahrens nach dem Stand der Technik auf einen Bauteilwachsling aufgetragen. Gussformen, die Siliziumdioxid-Beimengungen enthalten, sind jedoch reaktiv und führen zu Oberflächenfehlern bei der Herstellung von Gussbauteilen aus reaktiven Nichteisenmetallschmelzen wie Titan-Legierungen oder auch Titan-Aluminium-Legierungen. Dies kann zu Oberflächenfehlern, Maßabweichungen, Rissen und der Ausbildung sogenannter Lunker am herzustellenden Gussbauteil führen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Gussformen sind daher für reaktive Nichteisenmetallschmelzen nicht geeignet.As already mentioned, the casting molds according to the prior art are formed from highly refractory ceramic materials, such as aluminum oxide, zirconium oxide or yttrium oxide with additions of silicon dioxide. A corresponding slip material is applied to a component wax using a slip process according to the prior art. Casting molds that contain silicon dioxide admixtures, however, are reactive and lead to surface defects in the production of cast components from reactive non-ferrous metal melts, such as titanium alloys or titanium-aluminum alloys. This can lead to surface defects, dimensional deviations, cracks and the formation of so-called voids on the cast component to be produced. The casting molds known from the prior art are therefore not suitable for reactive nonferrous metal melts.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Werkzeug zum Herstellen von Gussbauteilen, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils zu schaffen.Proceeding from this, the present invention is based on the problem of creating a novel tool for producing cast components, a method for producing such a tool, and a method for producing a cast component.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Werkzeug durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.This problem is solved in that the tool mentioned at the outset is further developed by the features of the characterizing part of patent claim 1.
Erfindungsgemäß besteht zumindest ein mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommender Bereich der Gussform aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verfügt die Gussform über einem mindestens zweischichtigen Aufbau, wobei eine erste Schicht einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Formwandbereich und eine zweite Schicht einen den Formwandbereich hinterfüllenden Stabilisierungsbereich bildet. Sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht bestehen aus Yttri- umoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid, wobei die zweite Schicht, welche die erste Schicht hinterfüllt, weniger Yttriumoxid aufweist und grobkörniger ausgebildet ist als die erste Schicht.According to the invention, at least one area of the casting mold that comes into contact with the reactive nonferrous metal melt consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. According to an advantageous further development of the invention, the casting mold has an at least two-layer structure, a first layer forming a mold wall region coming into contact with the reactive non-ferrous metal melt and a second layer forming a stabilization region behind the mold wall region. Both the first layer and the second layer consist of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide, the second layer, which backfills the first layer, has less yttrium oxide and is coarser than the first layer.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs ό gekennzeichnet. Das Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils ist im Patentanspruch 1 1 definiert.The inventive method for producing such a tool is characterized by the features of the independent claim Patent. The method for producing a cast component is defined in claim 1 1.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:Preferred developments of the invention result from the dependent subclaims and the following description. An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The drawing shows:
Fig. 1 : einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Gussform für eine Gasturbinenschaufel zusammen mit einer gießtechnisch hergestellten Gasturbinenschaufel.1 shows a cross section through a mold according to the invention for a gas turbine blade together with a gas turbine blade produced by casting.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 in größerem Detail beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Gussform 10 zusammen mit einer gießtechnisch hergestellten Gasturbinenschaufel 1 1, wobei die Gasturbinenschaufel 1 1 ein Schaufelblatt 12 sowie einen Schaufelfuß 13 umfasst. Die gusstechnisch hergestellte Gasturbinenschaufel 11 ist von der Gussform 10 umgeben.The present invention is described in greater detail below with reference to FIG. 1. Fig. 1 shows a cross section through a mold 10 together with a gas turbine blade 1 1 produced by casting, the gas turbine blade 1 1 comprising an airfoil 12 and a blade root 13. The gas turbine blade 11 produced by casting is surrounded by the mold 10.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gussform zweischichtig ausgebildet. Eine erste Schicht 14 der Gussform 10 bildet einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze des herzustellenden Gussbauteils in Kontakt kommenden Formwandbe- reich, eine zweite Schicht 15 derselben bildet eine Hinterfüllung für die erste Schicht 14.In the exemplary embodiment shown, the casting mold is formed in two layers. A first layer 14 of the casting mold 10 forms a mold wall covering which comes into contact with the reactive non-ferrous metal melt of the cast component to be produced. rich, a second layer 15 thereof forms a backfill for the first layer 14.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung besteht zumindest die erste Schicht 14 der Gussform 10, die mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze der herzustellenden Gasturbinenschaufel 1 1 in Kontakt kommt, aus Yttriumoxid, Magnesiurnoxid und Kalziumoxid. Mit einer derartigen Zusammensetzung der Gussform 10 zumindest im Bereich der ersten Schicht 14 werden Reaktionen zwischen der Gussform und der reaktiven Nichteisenmetallschmelze vermieden, so dass Maßabweichungen und Rissbildungen am herzustellenden Gussbauteil, nämlich an der herzustellenden Gasturbinenschaufel 1 1, vermieden werden.For the purposes of the present invention, at least the first layer 14 of the casting mold 10, which comes into contact with the reactive non-ferrous metal melt of the gas turbine blade 1 1 to be produced, consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. With such a composition of the casting mold 10, at least in the area of the first layer 14, reactions between the casting mold and the reactive non-ferrous metal melt are avoided, so that dimensional deviations and crack formation on the cast component to be produced, namely on the gas turbine blade 1 1 to be produced, are avoided.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht nicht nur die erste Schicht 1 4, sondern auch die zweite Schicht 15 der Gussform 10 aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid. Die die Hinterfüllung bildende zweite Schicht 15 verfügt jedoch über einen deutlich geringeren Yttriumoxid-Anteil wie die erste Schicht 14, die mit reaktiven Nichteisenmetallschmelze der herzustellenden Gasturbinenschaufel 1 1 in Kontakt kommt. Darüber hinaus ist die zweite Schicht 15 grobkörnig und dickwandiger ausgebildet als die erste Schicht 14. Dies ist aus Kostengründen und Fertigungsgründen besonders vorteilhaft.In the exemplary embodiment shown, not only the first layer 1 4, but also the second layer 15 of the casting mold 10 consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. However, the second layer 15 forming the backfill has a significantly lower yttrium oxide content than the first layer 14, which comes into contact with reactive non-ferrous metal melt of the gas turbine blade 11 to be produced. In addition, the second layer 15 is coarse-grained and thick-walled than the first layer 14. This is particularly advantageous for reasons of cost and manufacturing.
Zur Herstellung der Gussform wird im Sinne der Erfindung so vorgegangen, dass ein Bauteilwachsling bereitgestellt wird, der in etwa die geometrischen Abmessungen des mit der Gussform herzustellenden Gussbauteils aufweist. Der Bauteilwachsling wird mit einem Schlickerwerkstoff beschichtet, wobei der Schlickerwerkstoff aus Wasser, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid besteht.For the production of the casting mold, the procedure according to the invention is such that a component wax is provided which has approximately the geometric dimensions of the casting component to be produced with the casting mold. The component wax is coated with a slip material, the slip material consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die herzustellende Gussform 10 zweischichtig ausgebildet. Demnach wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Gussform 10 zuerst der Bauteilwachsling vorzugsweise derart mehrlagig mit dem Schlickerwerkstoff beschichtet, dass die erste Schicht 14 der Gussform gebildet wird. Erst im Anschluss hieran erfolgt die vorzugsweise mehrlagige Beschichtung der ersten Schicht 14 mit der zweiten Schicht 15, wobei die zweite Schicht 15 die Hinterfüllung für die erste Schicht 14 bildet. Für die Herstellung der ersten Schicht 14 sowie der zweiten Schicht 15 werden entsprechend abgestimmte Schlickerwerkstoffe bereitgestellt, wobei beide Schlickerwerkstoffe aus Wasser, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid bestehen. Der Schlickerwerkstoff zur Bildung der zweiten Schicht verfügt jedoch über einen geringeren Yttriumoxid-Anteil und ist grobkörniger ausgebildet wie der Schlickerwerkstoff zur Bildung der ersten Schicht 14.In the exemplary embodiment shown, the mold 10 to be produced is formed in two layers. Accordingly, in a first step of the method according to the invention for producing the mold 10 shown in FIG. 1, the component wax is preferably first coated in multiple layers with the slip material such that the first layer 14 of the mold is formed. Only then does the preferably multilayer coating of the first layer 14 take place with the second Layer 15, the second layer 15 forming the backfill for the first layer 14. Correspondingly coordinated slip materials are provided for the production of the first layer 14 and the second layer 15, both slip materials consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. However, the slip material for forming the second layer has a lower yttrium oxide content and is of a coarser grain than the slip material for forming the first layer 14.
Wie bereits erwähnt, verhindert das Yttriumoxid sowie das Magnesiumoxid eine unerwünschte Reaktion der Nichteisenmetallschmelze des herzustellenden Gussbauteils mit der Gussform 10. Das Magnesiumoxid bewirkt zusammen mit dem Wasser des Schlickerwerkstoffs eine exotherme Reaktion, bei der das Wasser verdampft wird. Die Trocknungszeit der Schichten 14 und 15 der Gussform 10 wird hierdurch deutlich reduziert. Der Schlickerwerkstoff bindet ähnlich wie Beton ab. Die Brenntemperatur für die Gussform kann von ca. 1400°C auf ca. 900°C reduziert werden, wobei die Gießtemperatur ebenfalls bei ca. 900°C liegt. Die Herstellung der Gussformen wird hierdurch auf schnelle, einfache und kostengünstige Art und Weise möglich.As already mentioned, the yttrium oxide and the magnesium oxide prevent an undesirable reaction of the non-ferrous metal melt of the cast component to be produced with the mold 10. The magnesium oxide, together with the water of the slip material, causes an exothermic reaction in which the water is evaporated. This significantly reduces the drying time of the layers 14 and 15 of the casting mold 10. The slip material sets like concrete. The firing temperature for the mold can be reduced from approx. 1400 ° C to approx. 900 ° C, whereby the casting temperature is also approx. 900 ° C. This enables the production of the molds in a quick, simple and inexpensive manner.
Die erste Schicht 14, welche den höheren Yttriumoxid-Anteil aufweist und feinkörniger ausgebildet ist, ist dünnwandiger ausgebildet wie die zweite Schicht 15, welche die Hinterfüllung bildet. Die dünne, erste Schicht 14 unterdrückt unerwünschte Reaktionen zwischen der Gussform und der Nichteisenmetallschmelze. Die zweite Schicht 15 bewirkt eine ausreichende mechanische Festigkeit der Gussform und verleiht derselben eine hohe Wärmekapazität, wodurch eine langsame Abkühlung der Gussform und eine Gießtemperatur von ca. 900°C ermöglicht wird. Die mechanische Festigkeit minimiert Schwindungsverzug, die hohe Wärmekapazität bewirkt eine mikroplastische Verformbarkeit des sonst spröden, gusstechnisch zu verarbeitenden Materials, so dass keine Bauteilrisse oder Brüche entstehen.The first layer 14, which has the higher yttrium oxide content and is of fine-grained design, has a thinner wall structure than the second layer 15, which forms the backfill. The thin, first layer 14 suppresses undesirable reactions between the mold and the non-ferrous metal melt. The second layer 15 brings about a sufficient mechanical strength of the casting mold and gives it a high heat capacity, which enables slow cooling of the casting mold and a casting temperature of approximately 900 ° C. The mechanical strength minimizes shrinkage, the high heat capacity causes microplastic deformability of the otherwise brittle material to be processed by casting, so that no component cracks or breaks occur.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Gussform ist eine lunkerfreie Erstarrung der reaktiven Nicht-Eisenmetallschmelze des herzustellenden Gussbauteils möglich. Die Befül- lung der Gussform kann durch sogenannten Schleuderguss erfolgen. Insbesondere beim Schleuderguss ist es von Vorteil heizbare Formen durch Mikrowellenbestrahlung oder induktive Einkopplung zu verwenden. Hierfür können Metallpartikel, metallische Strukturen, insbesondere Metallnetze, sowie halbleitende und leitende Nichtmetalle, insbesondere Graphit oder Silizium in die Schicht(en) der Form eingelagert werden.With the aid of the mold according to the invention, a void-free solidification of the reactive non-ferrous metal melt of the cast component to be produced is possible. The mold can be filled by centrifugal casting. In the case of centrifugal casting in particular, it is advantageous to use heatable molds by means of microwave radiation or inductive coupling. For this purpose, metal particles, metallic structures, in particular metal networks, and semiconducting and conductive non-metals, in particular graphite or silicon, can be embedded in the layer (s) of the mold.
Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Gussform 10 mit einer sich ändernden Dicke, insbesondere im Bereich der zweiten Schicht 15, zu versehen. So zeigt Fig. 1 , dass die zweite Schicht 15 im Bereich des Schaufelfußes 13 wesentlich dicker ausgebildet ist als im Bereich des Schaufelblatts 1 1. Darüber hinaus kann zusätzlich eine Dickenvariation der Gussform dadurch erfolgen, dass am oberen Ende des Schaufelblatts 12 die Gussform dünnwandiger ist als im unteren Bereich, der sich an den Schaufelfuß 13 anschließt- Hierdurch kann erzielt werden, dass die Nichteisenmetallschmelze gerichtet erstarrt und die Erstarrungsfront im Bereich des Schaufelfußes endet.It is also within the meaning of the present invention to provide the casting mold 10 with a changing thickness, in particular in the area of the second layer 15. 1 shows that the second layer 15 is formed much thicker in the area of the blade root 13 than in the area of the airfoil 11. In addition, the thickness of the casting mold can additionally be varied by virtue of the fact that the casting mold is thinner at the upper end of the airfoil 12 than in the lower region, which adjoins the blade root 13. In this way it can be achieved that the non-ferrous metal melt solidifies in a directed manner and the solidification front ends in the region of the blade root.
Die erfindungsgemäße Gussform eignet sich insbesondere zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen wie Schaufeln, die aus einer Titan-Aluminium-Legierung insbesondere intermetallische Phasen ausbildende Titan-Aluminide mit 43-48 Gew Aluminium hergestellt werden. Hierzu wird eine Titan-Alurninium-Legierungsschmelze in die oben beschriebene Gussform eingefüllt, wobei nach dem Erstarren das Gussbauteil aus der Gussform herausgelöst wird. The casting mold according to the invention is particularly suitable for the production of gas turbine components such as blades, which are produced from a titanium-aluminum alloy, in particular titanium aluminides with 43-48% aluminum, which form intermetallic phases. For this purpose, a titanium-aluminum alloy melt is poured into the casting mold described above, the casting component being detached from the casting mold after solidification.

Claims

Patentansprüche claims
1. Werkzeug zum Herstellen von Gussbauteilen, insbesondere Gasturbinenbauteilen, aus reaktiven Nichteisenmetallschmelzen, insbesondere aus Titanlegierungen, wobei das Werkzeug als Gussform ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommender Bereich der Gussform (10) aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid besteht.1. Tool for producing cast components, in particular gas turbine components, from reactive nonferrous metal melts, in particular from titanium alloys, the tool being designed as a casting mold, characterized in that at least one area of the casting mold (10) made of yttrium oxide, magnesium oxide, which comes into contact with the reactive nonferrous metal melt and calcium oxide.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommender Formwandbereich der Gussform (10) aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid besteht.2. Tool according to claim 1, characterized in that at least one mold wall region of the casting mold (10) coming into contact with the reactive non-ferrous metal melt consists of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform über einen mindestens zweischichtigen Aufbau verfügt, wobei eine erste Schicht (14) einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Formwandbereich und eine zweite Schicht (15) einen den Formwandbereich hinterfüllenden Stabilisierungsbereich bildet.3. Tool according to claim 1 or 2, characterized in that the casting mold has an at least two-layer structure, a first layer (14) a mold wall area coming into contact with the reactive non-ferrous metal melt and a second layer (15) a stabilization area filling the mold wall area forms.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste Schicht (14) als auch die zweite Schicht (15) aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid bestehen, wobei die zweite Schicht (15), welche die erste Schicht (14) hinterfüllt, weniger Yttriumoxid aufweist und grobkörniger ausgebildet ist als die erste Schicht.4. Tool according to claim 3, characterized in that both the first layer (14) and the second layer (15) consist of yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide, the second layer (15) which backfills the first layer (14) , has less yttrium oxide and is coarser than the first layer.
5. Werkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (15) dickerwandiger ausgebildet ist als die erste Schicht (14).5. Tool according to claim 3 or 4, characterized in that the second layer (15) is thicker-walled than the first layer (14).
6. Verfahren zum Herstellen einer Gussform für Gussbauteile, insbesondere Gasturbinenbauteile, aus reaktiven Nichteisenmetallschmelzen, insbesondere aus Titanlegierungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteilwachslings, der die geometrischen Abmessungen der mit der Gussform herzustellenden Feingussbauteile aufweist, b) Beschichten des Bauteilwachslings mit einem Schlickerwerkstoff bestehend aus Wasser, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid, c) Trockenen und Aushärten der Beschichtung zu der Gussform, d) Entfernen des Bauteilwachslings aus der Gussform.6. Method for producing a casting mold for cast components, in particular gas turbine components, from reactive non-ferrous metal melts, in particular from titanium alloys, characterized by the following steps: a) Providing a component wax that has the geometric dimensions of the investment cast components to be produced with the mold, b) coating the component wax with a slip material consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide, c) drying and curing the coating to form the mold, d) removing of the component wax from the mold.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusammenhang mit Schritt b) der Schlickerwerkstoff mehrlagig auf den Bauteilwachsling aufgetragen wird.7. The method according to claim 6, characterized in that in connection with step b) the slip material is applied in multiple layers to the component wax.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlickerwerkstoff derart mehrlagig auf den Bauteilwachsling aufgetragen, dass eine Gussform mit einem mindestens zweischichtigen Aufbau entsteht, wobei eine erste Schicht der Gussform einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Formwandbereich und eine zweite Schicht der Gussform einen den Formwandbereich hinterfüllenden Stabilisierungsbereich bildet.8. The method according to claim 7, characterized in that the slip material is applied in multiple layers to the component wax in such a way that a casting mold with an at least two-layer structure is formed, a first layer of the casting mold coming into contact with the reactive non-ferrous metal melt and a second layer of the Mold forms a stabilizing area that fills the mold wall area.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der ersten Schicht der Gussform zuerst eine oder mehrere Lagen eines Schlickerwerkstoff bestehend aus Wasser, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid auf den Bauteilwachsling aufgetragen werden, und dass anschließend zur Bildung der zweiten Schicht eine oder mehrere Lagen eines Schlickerwerkstoff bestehend aus Wasser, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid auf die erste Schicht aufgetragen werden.9. The method according to claim 8, characterized in that one or more layers of a slip material consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide are first applied to the component wax to form the first layer of the casting mold, and then one or more to form the second layer several layers of a slip material consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide are applied to the first layer.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlickerwerkstoff zur Bildung der zweiten Schicht, welche die erste Schicht hinterfüllt, weniger Yttriumoxid aufweist und grobkörniger ausgebildet ist als der Schlickerwerkstoff zur Bildung der ersten Schicht. 10. The method according to claim 9, characterized in that the slip material for forming the second layer, which fills the first layer, has less yttrium oxide and is coarser than the slip material for forming the first layer.
1 1. Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteile, aus reaktiven Nichteisenmetallschmelzen, insbesondere aus Titan legierungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Gussform nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, b) Einfüllen der Nichteisenmetallschmelze in die Gussform, c) Erstarren der Nichteisenmetallschmelze in der Gussform, d) Herauslösen des Gussbauteils aus der Gussform.1. A method for producing a cast component, in particular a gas turbine component, from reactive non-ferrous metal melts, in particular from titanium alloys, characterized by the following steps: a) providing a casting mold according to one or more of claims 6 to 10, b) filling the non-ferrous metal melt into the casting mold , c) solidification of the non-ferrous metal melt in the mold, d) detachment of the cast component from the mold.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Gasturbinenbauteils eine Titan-Aluminium-Legierungsschmelze in die Gussform eingefüllt wird. 12. The method according to claim 1 1, characterized in that a titanium-aluminum alloy melt is filled into the mold to produce a gas turbine component.
1/11.1
Fig. 1 Fig. 1
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