EP1970142B1

EP1970142B1 - Verfahren zum Feingießen von metallischen Bauteilen mit dünnen Durchgangskanälen

Info

Publication number: EP1970142B1
Application number: EP08150863A
Authority: EP
Inventors: Richard Whitton
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: EP1970142A1; DE102007012321A1; US20080216983A1; US8096343B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feingießen von metallischen Bauteilen mit sehr dünnen Durchgangskanälen nach dem wachsausschmelzverfahren, insbesondere von Turbinenschaufeln, bei dem zwischen Formschalen mit einem darin positionierten, zur Ausbildung eines Hohlraumes in dem metallischen Bauteil vorgesehen Keramikkern durch Einpressen einer Wachsmasse ein Wachsmodell geformt und nach dem Entfernen der Formschalen an der Außenfläche des Wachsmodells in einem Tauch- und Besandungsprozess eine keramische Gießform erzeugt wird, die nach dem Ausschmelzen der Wachsmasse gebrannt und anschließend mit einer Metallschmelze ausgegossen wird und die Gießform und der Keramikkern anschließend zerstört und entfernt werden.
Es ist bekannt, mit Kühlluftbohrungen ausgebildete Turbinenschaufeln nach dem Wachsausschmelzverfahren zu fertigen. Beim Wachsausschmelzverfahren wird aus einem Urmodell zunächst ein nicht schmelzbares Formwerkzeug (Wachsmodellform, Formschalen) hergestellt, in dem in einem Gießprozess ein aus einem schmelzbaren Material, insbesondere einem Spezialwachs, bestehendes Wachsmodell erzeugt wird. Im nächsten Schritt werden die mit einem Gießsystem versehenen Wachsmodelle zu Modelltrauben zusammengefügt und danach in einem mehrfachen Tauch- und Besandungsprozess mit einem feuerfesten Material ummantelt. Das Wachsmodell wird anschließend ausgeschmolzen und im Anschluse wird die zurückbleibende Form aus feuerfestem Material zu einer keramischen Gießform gebrannt. In den so erzeugten keramischen Formen wird zur Herstellung der gewünschten Bauteile das flüssige Metall vergossen. Nach dem Erstarren des Metalls werden die keramischen Gießformen zerstört. Mit dem auch als Feingießen bezeichneten Verfahren können komplizierte Gussteile aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, insbesondere auch aus sogenannten Luftfahrtwerkstoffen bestehende Turbinenschaufeln, präzise und in hoher Oberflächenqualität gefertigt werden.
Die JP 2000 246392 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Wachsmodellen für den Feinguss. Das Verfahren besteht darin, besonders bruchgefährdete Stellen des Keramikkerns zu ermitteln und diese vor dem eigentlichen Wachsspritzen mit einer Wachsauflage zu versehen, um diese zu verstärken und somit das Brechen des Keramikkerns beim eigentlichen Spritzen des Gießmodells zu verhindern.
Bei einem beispielsweise aus der US 2004/0055736 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung von hohlen Turbinenschaufeln mit darin ausgebildeten Kühlkanälen wird ein keramischer Kern mit Wachs umspritzt und anschließend um die Wachaschicht herum durch wiederholtes Tauchen in einem keramischen Bindemittel und Besanden eine keramische Gießform gebildet, die nach dem Entfernen des Wachses gebrannt wird. Der durch das Ausschmelzen des Wachses zwischen dem Kern und der Formschale verbleibende freie Raum wird zur Bildung der Turbinenschaufel mit geschmolzenem Metall ausgegossen. Bewegungen des Kerns während des Ausgießens können durch in dem keramischen Kern angebrachte metallische Positionierungshilfen verhindert werden. Nach dem Ausgießen und Erstarren des Metalls werden der Keramikkern und die keramische Gießschale zerstört und entfernt. Anschließend wird das Gussteil mechanisch bearbeitet und die Positionierungshilfen werden wieder entfernt. Zur Ausbildung von Kühlkanälen sind an dem keramischen Kern Profilierungen ausgebildet.
Zur Einschränkung des Kühlluftverbrauchs und zur damit verbundenen Erhöhung der Effizienz des Gasturbinentriebwerks ist es erforderlich, die Kühlluftkanäle mit einem möglichst kleinen Durchmesser auszuführen.
Die Ausbildung von solchen dünnen Durchgangsbohrungen in einer Turbinenschaufel ist mit dem oben erwähnten - durch das Wachsaufschmelzen charakterisierten - Feingießverfahren nicht realisierbar, da das sehr dünne und zudem spröde keramische Kernmaterial für die Kanalbildung beim Auf bringen bzw. Einpressen des Wachses für die anschließend. Erzeugung der Gießform leicht brechen kann. Es ist daher nicht möglich, Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen sehr ge ringen Durchmessers durch Feingießen herzustellen. Die Turbinenschaufeln können somit nur mit dem für den Wirkungsgrad des Triebwerks nachteiligen Design (großer Kühlkanaldurchmesser) kostengünstig durch Feingießen gefertigt werden oder die vorteilhaften dünnen Bohrungen müssen in einem separaten Verfahrensschritt und damit verbundenen höheren Kosten nachträglich in die Schaufel eingebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feingießverfahren auf der Basis des Wachsausschmelzens zur Herstellung von Turbinenschaufeln mit Durchgangskanälen zu schaffen, das auch die Fertigung sehr dünner Durchgangskanäle im Rahmen des Gießprozesses gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beim Feingießen von metallischen Bauteilen mit sehr dünnen Durchgangskanälen nach dem Wachsausschmelzverfahren, und zwar insbesondere bei der Herstellung von Turbinenschaufeln mit Durchgangskanälen für Kühlluft im Schaufelfuß, in der Plattform oder in der Wandung des als Hohlkörper ausgebildeten Schaufelblatts, werden die zur Ausformung der Durchgangskanäle vorgesehenen und entsprechend dünn dimensionierten Keramikkernstifte - vor dem Einpressen der Wachsmasse zur Gestaltung des Wachsmodells für die nachfolgende Ausbildung der keramischen Gießform zum Gießen des Bauteils - mit einer niedrigschmelzenden Versteifungsschicht, die nach dem Anformen der Gießform zusammen mit der Wachsmasse des Wachsmodells wieder ausgeschmolzen wird, ummantelt und stabilisiert.
Die in der für die Ausbildung des Wachsmodells vorgesehenen Form positionierten Keramikkernstifte sind an den Keramikkern angeformt, der zur Ausbildung eines Hohlraums in dem betreffenden Bauteil in der Wachsmodellform angeordnet ist.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung ist die Versteifungsschicht durch Fasern verstärkt, um die Festigkeit und Steifigkeit der Versteifungsschicht zu erhöhen.
Die Versteifungsschicht kann aus Wachs oder ähnlichen thermoplastischen Werkstoffen bestehen, die zusammen mit dem Wachsmodellwerkstoff ausschmelzen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können bei der Herstellung von Turbinenschaufeln im Rahmen des Feingießprozesses, das heißt ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte, zur Verbesserung der Effizienz des Triebwerks erforderliche Kühlkanäle mit geringem Durchmesser und in unterschiedlicher, beispielsweise konischer oder gekrümmter Form, ausgebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Feingießen von metallischen Bauteilen mit sehr dünnen Durchgangskanälen nach dem Wachsausschmelzverfahren wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine Schnittansicht eines Teils einer durch Feingießen erzeugten Turbinenschaufel mit in deren Schaufelfuß im Gießprozess integral aus- gebildeter Mikroturbinendüse und
Fig. 2: eine vergrößerte schematische Darstellung eines Keramikkerns zur Ausbildung eines Hohlraums und einer von diesem ausgehenden Mikroturbinendüse in der Turbinenschaufel nach Fig. 1

Gemäß der in Fig. 1 nur teilweise dargestellten Turbinenschaufel 1 geht von einem im Schaufelfuß 2 ausgeformten Hohlraum 3 ein als Mikroturbinendüse fungierender Durchgangskanal 4 mit sehr kleinem Durchmesser zur Durchführung von Kühlluft aus. Zusammen mit dem Feingießen der Turbinenschaufel 1 nach dem Wachsausschmelzverfahren werden der Hohlraum 3 und auch der Durchgangskanal 4 erzeugt.
In Fig. 2 sind ein Keramikkern 5 zur Ausbildung des Hohlraums 3 und ein einstückig angeformter dünner Keramikkernstift 6 zur Ausbildung des gleichermaßen dünnen Durchgangskanals 4 dargestellt, der - gemäß dem Wachsausschmelzverfahren - zur Herstellung der keramischen Gießform zunächst in einer aus festen Formschalen bestehenden Wachsmodellform (nicht dargestellt) mit einer in diese eingepressten Wachsmasse 7 umschlossen wird. Die Außenkontur der Wachsmasse 7, an deren Außenfläche dann eine harte keramische Gießform (jeweils nicht dargestellt) ausgebildet wird, entspricht - nachdem die Wachsmodellform (Formschalen) abgenommen wurde - der Innenkontur der Gießform für das Vergießen des geschmolzenen Metalls bzw. der Außenkontur der Turbinenschaufel 1, während die Auβenkontur des Keramikkerns 5 und des Keramikkernstiftes 6 die Kontur des Hohlraums 3 und des dünnen Durchgangskanals 4 (Mikroturbinendüse) im Schaufelfuß 2 wiedergeben. Da der spröde Keramikkernstift 6 aufgrund seines geringen Durchmessers beim Aufbringen bzw. Injizieren der Wachsmasse 7 leicht brechen kann, wird dieser vor dem Einpressen der Wachsmasse 7 mit einer schmelzbaren Versteifungsschicht 8 ummantelt und kann daher während dieses Verfahrensschrittes nicht zerstört oder beschädigt werden. Nach dem Entfernen der Wachsmodell-Formschalen und der anschließenden Ausbildung einer keramischen Gießform durch wiederholtes Tauchen des Wachsmodells in ein keramisches Bindemittel und zwischenzeitliches Besanden werden schließlich die injizierte Wachsmasse 7 und die schmelzbare Versteifungsschicht 8 ausgeschmolzen und die keramische Gießform gebrannt. Die keramische Gießform wird danach mit einer für die Turbinenschaufel 1 vorgesehenen schmelzflüssigen Metalllegierung ausgegossen. In dem darauffolgenden Verfahrensschritt werden die keramische Gießform und der Keramikkern 5 sowie der Keramikkernstift 6 zerstört und entfernt.
Die schmelzbare Versteifungsschicht 8 besteht aus einem durch Fasern verstärkten Wachs oder einem anderen thermoplastischen Material, das während des Wachsausschmelzens aus der keramischen Gießform leicht mit ausgeschmolzen werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf den zuvor erläuterten Anwendungsfall beschränkt. Sie kann bei nach dem Wachsausschmelzverfahren gegossenen Turbinenschaufeln oder auch anderen Bauteilen immer dort angewendet werden, wo dünne Kanäle beim Gießen mit einem entsprechend dünn auszuführenden keramischen Kern nicht mehr hergestellt werden können und eine anderweitige separate Herstellung der dünnen Durchgangskanäle zu kostenaufwendig ist, beispielsweise bei einer Haltestruktur im Bereich der Leitschaufeln einer Turbinenstufe zur Ausbildung einer sehr schmalen Vorverwirbelungsdüse (pre-swirl nozzle) oder zur Ausbildung sehr dünner Kanäle in den Turbinenschaufelspitzen.

Bezugezeichenliste

1: Turbinenschaufel
2: Schaufelfuß
3: Hohlraum
4: Durchgangskanal (Vorverwirbelungsdüse)
5: Keramikkern
6: Keramikkernstift
7: Wachsmasse
8: Versteifungsschicht

Claims

Verfahren zum Feingießen von metallischen Bauteilen mit sehr dünnen Durchgangskanälen (4) nach dem Wachsausschmelzverfahren, insbesondere von Turbinenschaufeln (1), bei dem zwischen Formschalen mit einem darin positionierten, zur Ausbildung eines Hohlraumes (3) in dem metallischen Bauteil vorgesehenen Keramikkern durch Einpressen einer Wachsmasse (7) ein Wachsmodell geformt und nach dem Entfernen der Formschalen an der Außenfläche des Wachsmodells in einem Tauch- und Besandungsprozess eine keramische Gießform erzeugt wird, die nach dem Ausschmelzen der Wachsmasse (7) gebrannt und anschließend mit einer Metallschmelze ausgegossen wird, und die Gießform und der Keramikkern (5) danach zerstört und entfernt werden,
wobei
a) ein Keramikkernstift (6) mit einem mit dem Durchmesser des sehr dünnen Durchgangskanals (4) übereinstimmenden Durchmesser ausgebildet ist,

b) der Keramikkernstift (6) an den Keramikkern (5) angeformt ist, der mit der Wachsmasse (7) umspritzt wird, und

c) der Keramikkernstift (6) vor dem Einpressen der Wachsmasse (7) mit einer schmelzbaren Versteifungsschicht (8) ummantelt und stabilisiert wird, die zusammen mit der Wachsmasse ausgeschmolzen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsschicht (8) durch Fasermaterial verstärkt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsschicht (8) aus Wachs oder einem anderen thermoplastischen Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkernstift (6) entsprechend dem Verlauf der Durchgangskanäle (4) konisch oder gekrümmt ausgebildet ist.