SE440515B - Forfarande for riktad stelning av metallsmelta - Google Patents

Description

7910138-2 vid svårigheter uppstått för att erhålla adekvat smältning av kär- nan utan andra oönskade effekter. Behov föreligger därför för bättre förfaranden för förbättrad kärnsmältning.

Ett annat problem vid användning av kärnor är att ytskikt av oxider eller andra förorarmde föreningar bildas, vilka ej med lätt- het avlägsnas vid kontakt med smält metall. Det har t.o.m. ibland visat sig, att den del av kärnan som ligger under det förorenade ytskiktet smälter, men själva ytskiktet har inte svepts iväg, var- för detsammas fortsatta närvaro negativt påverkar efterföljande epitaxiala stelning. Således föreligger behov för att förhindra eller på lätt sätt avlägsna förorenade ytskikt på kärnor utan större kostnader.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att förbättra epit- axial stelning av produkter från kärnor, vilket sker genom att sammansättningen på minst en del av kärnan, där kärnan bringas i kontakt med smältan, ändras medelst ett ämne för sänkning av smältpunkten; att en form för kärnan och för mottagande av smältan åstadkommas; att smält metall hälles ned i formen för att bringas i kontakt med kärnan och därvid smälta kärnans ytdel där dennas sammansättning är ändrad; och att smältan riktningstelnas för att underlätta epitaxial tillväxt från kärnan.

Enligt förfarandet enligt uppfinningen har en kärna med en given kristallografisk orientering och struktur och formerbara av den metallegering varav produkten som gjutes bestâr,följakt- ligen minst en del med en smältpunkt som är lägre jämfört med smältpunkten för metallegeringen varav produkten gjutes. I ett föredraget utförande av förfarandet sänkes smältpunkten vid den yta på kärnan från vilken epitaxial tillväxt önskas, genom till- sättning av kisel och bor på upp till 10%. Ytan är fullständigt löslig av smältan och epitaxi sker från återstående, därvid fri- lagd massa. Ett alternativt utförande innefattar anordnandet av en ytkomposition som i den smälta metallen till legeringen som gjutes underlättar upplösningen av oönskade ytföreningar som nega- tivt påverkar epitaxin. Uppfinningen är speciellt avpassad för formering av enkristalldelar i nickelbaserade s.k. superlegeringar.

Smältpunktnedsättningar på 20-30°C genom tillsättning av bor till en nickellegeringskärna, har visat sig mest användbara för upp- finningens syften.

Uppfinningen ger ett bättre epitaxialt stelningsutbyte från kärnor som är väsentligt kallare än den smälta metall, som till- 3- 7910138-2 föres och som uppvisar oönskade ytföreningar som bildats innan till- sättningen av den smälta metallen. Regleringen av kristallografisk orientering i produkter förbättras, produktionshastigheten ökar och kostnaderna sänks. Behovet av överhettad smält metall för uppvärm- ning av kärnan minskar, varvid metallavfallet vid produktframställ- ningen reduceras.

Det föredragna förfarandet enligt nedan beskrives i samband med formering av produkter av pelarkorn med reglerad orientering och enkristallprodukter av nickellegeringar, även om uppfinningen är lika användbar för andra material, där reglerad kristallografisk orientering önskas. Kärnan är speciellt användbar för uppfinningen enligt ovannämnda publikation.

Normalt sker epitaxial stelning av enkristallprodukter genom att reglerbart stelna en metallegering från en kärna av samma metall- legering. Innan produktens framställning tillverkas en kärna, van- ligen i form av en stav eller stång, på känt sätt. Kärnan analyse- ras medelst röntgendiffraktion eller annat lämpligt sätt för bestäm- ning av dess kristallografiska orientering. Så snart kärnans pri- mära ocn sekundära kristallorientering bestämts och markerats, bear- betas kärnan efter behov till önskad storlek och form för produkten som skall gjutas. Som exempel kan nämnas att då ett 10 cm högt gas- turbinblad skall gjutas, är kärnan normalt ett ca. 2 cm långt seg- ment av en stav med 2 cm i diameter. Efter förberedelserna placeras kärnan på en kokillplatta eller annan värmestrålare och frilägges i i änden på en form, i vilken produkten skall formas. Därefter införes en smälta, d.v.s. en mängd smältmetall, i formen och bringas i kon- takt med kärnan. Det är nödvändigt att en del av kärnan smälter så att smältan, som därefter stelnar på ytan av den återstående delen av kärnan är epitaxial. För erhållande av den färdiga produkten av- kyles företrädesvis kärnan för att åstadkomma riktad stelning från denna snarare än andra delar av formen.

Ifall åtminstone en del av kärnan har lägre smältpunkt än en kärna av metallegeringen, som gjutes, har det enligt uppfinningen visat sig avsevärt lättare att erhålla epitaxi. Ett föredraget sätt att erhålla en bättre kärna, är att tillsätta ett ämne av en typ och kvantitet som är förenlig med metallen i smältan. I nickelbaserade superlegeringar är ett sätt att innan kärnan placeras i formen, ändra densamma på ytan där smältan bringas i kontakt därmed genom tillsätt- ning av ett ämne, t.ex. bor, till ytan.

Bortillsatsen till kärnans yta kan åstadkommas genom icke-gal- 7910138-'2 4- vanisk utfällning av aminboran enligt US patentskrift 4 005 988 eller genom avsättning av en borhalogenidvätereagensgasblandning (boronisering) enligt US patentskrift 3 859 144. Då bor avsättes således och diffunderar in i ytan, varierar dess koncentration med djupet.

Borkoncentrationen kan variera efter önskan för uppnående av uppfinningens syfte. Ju större smältpunktnedsättning ju lättare smälter kärnans yta. För vissa legeringar kan det dock vara ofördel- aktigt att ha större mängder bor i metallegeringen för gjutning.

Mängden bor som frigöres genom smältning av kärnans yta är natur- ligtvis beroende och reglerad av mängden som finns i kärnan, och det är därför önskvärt att minimera borkoncentrationen vad gäller såväldess djup som koncentration. Med gjutna nickelbaserade super- legeringar vanliga inom gasturbinindustrin är i praktiken kärnor med upp till ca. 6 vikt-% bor acceptabla. Mindre mängder tenderar att sänka smältpunkten i mindre utsträckning, men är fortfarande användbara. Ett praktiskt exempel på uppfinningen är den riktade stelningen av pelarkornprodukter av den kommersiella legeringen PWM l422. Denna legering har en nominell sammansättning av, i vikt-% räknat 10% Co, 9 % Cr, 2 % Ti, 5 % Al, 12,5 % W, 2 % Hf, l % Nb, 0,015 % B, O,ll % C och resten Ni.

En kärna för epitaxial stelning innefattar en huvuddel med en PWA l422 sammansättning och önskad kristallografisk struktur samt ett genom förångning utfällt och delvis diffunderat boryt- skikt på ca. 75-l25}Lm i tjocklek. Vid ytan, där borkoncentrationen är som störst, utgör boret ca. 4-5 vikt-% av legeringen och den ändrade legeringen har en smältpunkt som är 35-45°C lägre än den ursprungliga legeringen.

Andra ämnen kan tillföras en kärna i syfte att sänka smält- punkten. Vid nickellegeringar är t.ex. kisel lämpligt i mängder upp till 10%. Förfaranden för att fälla ut kisel ur reaktiva gas- blandningar anges i US patenskrift 3 859 144. Andra ämnen med lik- nande effekt i nickel- och andra baslegeringar är för fackmannen uppenbara.

Ett ämne som bor, har vidare den fördelen att alstra en fluss~ verkan på vilken som helst oxid eller annan förorenande skikt som bildats på kärnans yta. Dessa skikt kan negativt påverka epitaxin även då kärnan under desamma har smält. Således kommer bor och kisel inte endast att underlätta lokal smältning, då smältan tillföres kärnan, men varje film som förekommer på kärnan kommer att lösas upp 5' 7910138-2 i det lokala bor- eller kiselrikta omrâdet. Så snart kärnkristallens yta smälter, kommer turbulens eller konvektiva strömmar i smältan att medföra dispergering av kärndelen innehållande det smältpunkt- nedsättande ämnet. Smältdjupet i kärnan bestämmas av graden av övervärme i den smälta metallen, de smältpunktnedsättande ämnenas i kärnan kompositionella halt, kärnans storlek och värmeöverföringen från kärnan. Det är inte nödvändigt eller önskvärt att kärnans huvud- del smälter. Endast så mycket av kärnan behöver smälta att tillväxt i närneten därav är epitaxial i förhållande till kärnans mikrostuk- tur. Så snart den smälta metallens övervärme är borta, antingen genom ökning av form~kärnsystemets entalpi eller genom bortledning av värme från systemet, upphör kärnan att smälta, varefter den smälta metallen börjar stelna enligt praxis för riktad stelning och reglerad värme- utvinning.

Enligt ett annat tillvägagångssätt kan kärnans yta beläggas med ett material som bildar en oxid som är lättlöslig i den smälta metal- len för gjutstycket, men som inte har en lägre smältpunkt. Exempel- vis kan ytan på en kärna av PWA 1422 beläggas genom en galvanisering av ren nickel till en tjocklek på upp till 50,8|lm. PWA 1422 som är en oxidations- och korrosionsresistent nickelbaserad superlegering, bildar ett relativt stabilt oxidskikt. Nickeloxiderna är däremot inte särskilt stabila utan är faktiskt lättlösliga i smält PWA l422. Då således ett skikt med hög nickelhalt påföres kärnans yta, upplöses nickeln och nickeloxiden i smältan, varvid en ren yta på kärnan er- hålles för efterföljande epitaxial stelning. Naturligtvis medför när- varon av nickelskiktet inte en smältpunktssänkning.

Det är noterbart att kärnans första del, som uppvisar en samman- sättningsändring för erhållande av en lägre smältpunkt, inte behöver na samma reglerade kristallografiska orientering som kärnans andra eller huvuddel under förutsättning att den första delen har sådan storlek att den är fullt löslig i smältan. Detta medger t.ex. fram- ställning av polykristallina delar med lägre smältpunkt på enkristall- kärnor.

Ett ytterligare utförande av uppfinningen är att hela kärnan har en sammansättning med antingen lägre smältpunktkaraktäristik eller ytfilmupplösningsförmåga. Ett krav är naturligvis att kärnan har en kristallografisk struktur och natur från vilken epitaxial stelning av smältan kan ske, varvid förhindras att kärnor av mycket olika natur användes. Om kärnans huvudmassa har en mycket annorlunda smält- punkt, kommer smältning av den del av kärnan, varmed smältan kommer i

Claims (5)

'7910138-2 6_ kontakt, att vara beroende av de inledande värmeförhållandena, kärnlegeringens sammansättning samt mängd och temperatur på den smälta metall som införes i kärnområdet. Såsom framgår av ovan- stående förstnämnda publikation är det lämpligt att vid framställ- ning av enkristallgjutstycken ha en startersektion i formen, vil- ken innehåller kärnan och vilken mottager den smälta metallen för kärnans smältning samt är skild från produktsektionen genom en betydligt smalare selektorsektion. Genom en dylik form kan smält metall som strömmar in i starunsektionen och delvis löser upp kär- nan, hållas i en reservoar i denna sektion, varvid smältpunktned- sättande medel eller andra ämnen som frigjorts in i smältan, inte kan införas i metallen som stelnat i artikelsektionen. Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan modifieras och varieras inom ramen för efterföljande patentkrav utan att frångå uppfinningens idé och ändamål. Patentkrav uflflnnflflnuu

1. l. Förfarande för riktad stelning av en metallsmälta: till en produkt med reglerad kristallografisk orientering medelst en kärna och genom epitaxial tillväxt, k ä n n e t e c k n a t a v att a) sammansättningen på minst en del av kärnan, där kärnan bringas i kontakt med smältan, ändras medelst ett ämne för sänk- ning av smältpunkten; b) en form för kärnan och för mottagande av smältan åstad- kommes; c) smält metall hälles ned i formen för att bringas i kon- takt med kärnan och därvid smälta kärnans ytdel där dennas samman- sättning är ändrad; och d) smältan riktningstelnas för att underlätta epitaxial till- växt från kärnan.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t a V att den del av kärnan, vars sammansättning ändras, ändras således, att smältpunkten nedsättes med minst 2000 jämfört med en oförändrad kärna.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t a v att kärnan formas av en nickellegering och att den del av kärnan, vars sammansättning ändras, innehåller upp till 10 vikt-% av ett ämne valt ur gruppen bestående av bor och blandningar av bor och kisel. 1. 1910138-2

4. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t a v att den del av kärnan, vars sammansättning ändras, är ett yt- skikt med mindre än ca. 250 mikroners tjocklek.

5. Förfarande enligt patentkrav l för formering av enkristall- produkter genom riktad stelning av en metallegeringssmälta genom epitaxial tillväxt från en kärna, att en kärna framställes med en första del med en smältpunkt som k ä n n e t e c k n a t a v är mer än 2006 lägre än för metallegeringen och med en andra del med i nuvudsak samma smältpunkt søm metallegeringen; kärnans andra del bringas i kontakt med en kall kokillplatta; en varmproduktform åstadkommes på kokillplattan således, att formen innehåller kärnan utan att densamma uppvärmes i större ut- sträckning; formen fylls med en smälta av metallegeringen så att en del av smältan bringas i kontakt med kärnan och upplöser nämnda första del; och smältan fås att stelna epitaixalt från kärnas andra del till bildande av en produkt.