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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung eines gerichtet erstarrten oder einkristallinen Gussteils, insbesondere eines durch Feinguss erhältlichen Gussteils aus einer Hochtemperaturlegierung, weiter insbesondere einer Turbinenschaufel.
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Kommerziell verfügbare Hochtemperaturlegierungen zeigen ein breites Spektrum von Eisen-, Kobalt-, Nickel- und Edelmetallbasislegierungen. Diese Legierungen kommen bei Temperaturen über 700°C und gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung zum Einsatz. Für die technische Entwicklung wichtige Anwendungsgebiete sind Schienen- und Straßenfahrzeuge sowie Flugzeuge und Apparate und Anlagen zur Stromerzeugung. Die ersten Laufschaufeln nach der Brennkammer in Flugturbinen oder in stationären Gasturbinen beispielsweise sind extremen Bedingungen ausgesetzt, wobei die hohe Anforderungen an die Werkstoffe durch Nickelbasis-Superlegierungen erfüllt werden können.
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Aus dem Stand der Technik sind gerichtet erstarrte oder einkristalline Feingussbauteile aus Hochtemperaturlegierungen bekannt. Bei der gerichteten Erstarrung der Legierung finden sich Korngrenzen parallel zur Schaufellängsachse, das heißt die Schaufel besteht aus mehreren länglichen Einkristallen. Die einkristalline Schaufel besteht dagegen aus einem einzigen Kristall, das heißt, es treten keine Korngrenzen auf. Im Feinguss wird dazu eine keramische Gießform bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls mit der flüssigen Metallschmelze gefüllt. Die keramische Gießform mit dem noch flüssigen Metall wird dann sehr langsam aus dem Ofen gezogen, so dass die einzelnen Atome genügend Zeit haben, sich in der Erstarrungsfront entsprechend der Kristallgitterstruktur der Basislegierung anzuordnen, so dass die Struktur des gesamten Gussteils keine einzige Korngrenze aufweisen kann.
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Bei dem sogenannten Feinguss oder Wachsausschmelzgussverfahren wird ein genaues Modell des Gussteils in Wachs erzeugt. Dann wird ein Keramikmantel um das Modell herum erzeugt, indem das Modell beispielsweise in einen keramischen Formstoff getaucht und/oder mit einem keramischen Material beschichtet wird. Zur Herstellung keramischer Gießformen oder keramischer Kerne können beispielsweise keramische Schlämme eingesetzt werden. Geeignete Materialien zur Verwendung in diesen Schlämmen umfassen ohne jegliche Beschränkung Zirkon, Silikate, Aluminosilikate, Silizium- und Titanoxide. Die Beschichtung mit dem Formstoff wird solange wiederholt, bis sich eine Gießform ausreichender Dicke bildet. Nachdem die gewünschte Anzahl von Schichten auf der Gießform gebildet und die Gießform gründlich getrocknet worden ist, wird das Wachs durch Wärmeeinwirkung entfernt, was durch Erhitzen der Gießform im Autoklaven erfolgen kann. Nach dem Brennen und Reinigen ist die Gießform zur Verwendung für den Metallguss bereit.
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Nach dem Gießen wird die keramische Gießform mechanisch zerstört und von dem Gussteil getrennt. Die Bindung der Körner im Formstoff muss sich hierzu so sehr schwächen lassen, dass eine Entfernung des Formstoffs von bzw. aus dem erstarrten Gussteil in einfacher Weise möglich ist. Wenn der keramische Form- bzw. Kernwerkstoff auch nach dem Abguss fest bleibt, ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, um diese festen Reste zu entfernen. Das führt zu einer Erhöhung der Herstellungskosten. Durch die anhaftenden Reste des Formstoffes an den Gussteilen lassen sich schadhafte Gussteile erst zu einem späten Zeitpunkt im Fertigungsprozess, das heißt nach dem (chemischen) Abscheiden bzw. Abtrennen der Formstoffreste von dem Gussteil, erkennen, so dass Kapazitäten gebunden und die Durchlaufzeiten bei der Herstellung der Gussteile erhöht werden. Eine nicht restlose Entfernung des Form- bzw. Kernwerkstoffs kann aber auch zu Störungen bei der späteren Anwendung des Gussteils und zum Schadensfall führen.
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Die Schwächung der Bindung kann bei Verwendung von keramischen Formstoffen insbesondere durch chemische Reaktion erfolgen. Zur Entfernung von an dem Gussteil anhaftenden Resten der keramischen Gießform und/oder zur Entfernung von keramischen Kernen können die Gussteile beispielsweise mit einem Lösungsmittel behandelt werden, um die Binderbrücken zwischen den Partikeln des keramischen Formstoffes chemisch zu lösen.
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Beim Feingussprozess von beispielsweise Turbinenschaufeln können die Gussteile nach dem Gießen und Ausklopfen mit noch anhaftenden Resten der keramischen Gießform nach verschiedenen Zwischenschritten in einem Autoklaven mit Natronlauge in Kontakt gebracht werden. Hiermit gelingt es zwar recht gut, keramische Kerne von den Gussteilen zu lösen bzw. die Kerne zu zerstören. Reste der keramischen Gießform, insbesondere im Fussbereich der Turbinenschaufel, lassen sich jedoch nicht oder nur eingeschränkt entfernen.
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Statt dessen dringt die Lauge in die an dem Gussteil noch anhaftenden Reste des keramischen Formstoffes ein. Bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung der Gussteile, beispielsweise in einem Hochvakuumofen, wird durch die bei der Wärmebehandlung freigesetzte Feuchtigkeit die Erzeugung des Vakuums erschwert. Zudem wandelt sich Natronlauge bei hohen Temperaturen im Hochvakuumofen in ein aggressives Salz um. Das Gemisch aus den keramischen Formstoffresten und dem aggressiven Salz verursacht einen erhöhten Verschleiß insbesondere von graphithaltigen Bauteilen, wie Heizeinrichtungen oder Isoliereinrichtungen, und/oder von faserverstärkten Kohlenstoff-Bauteilen (CFC-Bauteilen). Darüber hinaus werden elektrische Leitungen, Thermoelemente, Steckverbindungen oder dergleichen ebenfalls stark angegriffen und es entstehen Probleme bei der Temperaturmessung und – steuerung. Weiterhin kann es zu Spannungsüberschlägen kommen. Die mehrstufigen empfindlichen Vakuumpumpen des Ofens müssen häufiger gewartet bzw. ausgetauscht und überholt werden. Um die vorgenannten Nachteile zu verringern, kann eine Vorwärmung der Gussteile vorgesehen sein, bei der bei ca. 450°C bis 550°C Anteile der Natronlauge ausgedampft werden können. Das Ausdampfen der Natronlauge ist jedoch nicht vollständig möglich, wobei die oben beschriebenen Nachteile des Chargierens des Hochvakuumofens mit Gussteilen, an denen mit Natronlauge beladene Formstoffreste anhaften, weiterhin bestehen, was zu erhöhten Wartungs- und Instandhaltungskosten und damit Herstellungskosten der Gussteile führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und kostengünstige Reinigung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile von anhaftenden Resten eines insbesondere keramischen Formstoffes ermöglichen, ohne dass es bei der Reinigung zu einer die Materialeigenschaften der Gussteile nachteilig beeinflussenden Gefügeänderung kommen kann. Insbesondere sollen die oben beschriebenen Nachteile, die bei Behandlung von Gussteilen mit einer Lauge zur Abscheidung keramischer Formstoffreste und bei anschließender Wärmebehandlung der Gussteile im Hochvakuumofen auftreten können, vermieden werden.
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Die vorgenannten Aufgaben sind erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an dem Gussteil anhaftende Reste eines insbesondere keramischen Formstoffes zumindest teilweise durch Strahlen mit einem organischen, insbesondere pflanzlichen bzw. biologischen, Strahlmittel entfernt werden. Durch Strahlen mit einem organischen Strahlmittel ist es möglich, dass Gussteil von anhaftenden Formstoffresten zu reinigen, ohne dass es durch den Energieeintrag beim Auftreffen des Strahlmittels auf das Gussteil zu einer Gefügeänderung, insbesondere einer Rekristallisation, im Gussteil kommen kann. Damit ist sichergestellt, dass es beim Strahlen nicht zu einer (lokalen) Änderung der Materialeigenschaften kommt. Gleichwohl hat sich im Zusammenhang mit der Erfindung überraschenderweise gezeigt, dass organische Strahlmittel gut geeignet sind, um auch sehr harte keramische Rückstände der Gießform vollständig von dem Gussteil abzulösen. Bei der Herstellung von Turbinenschaufeln beispielsweise lassen sich so die keramischen Reste der Formschale auch im Bereich von Bypässen und Hinterschneidungen des Gussteils leicht entfernen. Dabei hat das Strahlen mit einem organischen, insbesondere pflanzlichen. Strahlmittel den großen Vorteil, dass die Oberflächen der Gussteile nicht angegriffen werden. Durch die Reinigung der Oberflächen des Gussteils von anhaftenden Formstoffresten lassen sich schadhafte Gussteile sehr früh im Fertigungsprozess erkennen und aus dem Fertigungsprozess ausscheiden. Dies lässt eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Anlagenkapazitäten bei der Herstellung der Gussteile und eine Verringerung der Durchlaufzeiten der Gussteile zu. Insbesondere im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Behandlung von Gussteilen, wie Turbinenschaufeln, mit Natronlauge zur Abtrennung, Ab- bzw. Auflösung keramischer Kerne und nachfolgender Wärmebehandlung der Gussteile auf hohem Temperaturniveau ist das Entfernen von Formstoffresten von den Gussteilen in einem vorgeschalteten Strahlprozess von Vorteil. Bei der Wärmebehandlung der gestrahlten und gegebenenfalls gelaugten Gussteile entstehen keine aggressiven Salze und keine keramischen Rückstände im Ofen. Die Korrosionsgefahr sinkt und die Standzeit des Ofens wird wesentlich verlängert.
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Unter ”Strahlen” im Sinne der Erfindung wird ein Verfahren zur mechanischen Oberflächenbearbeitung verstanden, bei der es jedoch nicht zu einem Eindringen der Partikel des Strahlmittels in die Oberfläche des Gussteils bzw. zu einer Gussteilbeschädigung kommt. Insbesondere soll es aber beim Strahlen nicht zu einer Gefügeänderung im Gussteil kommen. Es wird hierzu ein organisches Strahlmittel unterschiedlicher Form, Größe und Härte mittels einer Strahldüse, einem Schleuderrad oder sonstiger Einrichtung zur Strahlmittelbeschleunigung auf die Gussteiloberfläche gestrahlt.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dementsprechend eine vorzugsweise von außen bedienbare Strahlkabine zur Reinigung des Gussteils von an dem Gussteil anhaftenden Formstoffresten durch Strahlen mit einem Strahlmittel, insbesondere unter Einsatz von Druckluft, vorgesehen. Die Strahlkabine kann wenigstens eine mit einem Strahlmittelbehälter verbundene Strahldüse aufweisen. Zum Halten des Gussteils beim Strahlen und/oder zum Transport des Gussteils ist eine Halte- und/oder Transporteinrichtung vorgesehen, wobei die Halte- und/oder Transporteinrichtung und/oder die Strahlkabine wenigstens einen Dämpfungskörper für das Gussteil aufweist und das Gussteil beim Halten und/oder Transport und/oder beim Strahlen im Wesentlichen stoßfrei an dem bzw. über den Dämpfungskörper gehalten ist und/oder auf dem Dämpfungskörper aufliegt.
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Der Erfindung liegt an dieser Stelle der Grundgedanke zugrunde, die Stoßbelastung des Gussteil beim Strahlprozess möglichst gering zu halten. Insbesondere verhindern der Dämpfungskörper erfindungsgemäß einen direkten Kontakt zwischen dem Gussteil und einer metallischen oder ähnlich harten Oberfläche der Halte- und/oder Transporteinrichtung oder der Strahlkabine, so dass es beim Halten bzw. beim Transport des Gussteil und beim Strahlen nicht zu einem eine Gefügeänderung im Gussteil auslösenden Energieeintrag durch Inkontakttreten des Gussteils mit Teilen der Halte- und/oder Transporteinrichtung und/oder der Strahlkabine kommen kann. Beispielsweise kann die Halte- und/oder Transporteinrichtung gummiummantelte Haltestäbe als Dämpfungskörper aufweisen, zwischen denen bzw. an denen das Gussteil gehalten ist. Die Strahlkabine kann als Dämpfungskörper eine Ablage für das Gussteil während des Strahlens aufweisen, die aus Gummi oder Schaumstoff besteht. Der Dämpfungskörper besteht aus einem gegenüber Metall elastischen Material geringer Härte, vorzugsweise aus Gummi oder einem geeigneten Kunststoff.
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Vorzugsweise wird ein Strahlmittel eingesetzt, das eine geringe Harte zwischen 2 bis 4 Mohs, insbesondere von ca. 3 Mohs, aufweist. Das Strahlmittel kann Partikel mit einer Größe zwischen 0,3 bis 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 1,3 mm, weiter insbesondere Von ca. 0,75 mm, aufweisen. Im Übrigen können die Partikel des Strahlmittels eine kantige Oberfläche aufweisen, so dass (Keramik-)Rückstände an dem Gussteil in einfacher Weise entfernt werden können, ohne die Oberfläche zu beschädigen. Hier wirkt das Strahlmittel schneidend und dringt vorzugsweise beim Strahlen nicht in die Oberfläche des Gussteils ein. Es versteht sich, dass der Strahlprozess, insbesondere der Strahldruck und der Luftvolumenstrom beim Strahlen des Gussteils, entsprechend einzustellen sind, um einen eine Gefügeänderung bewirkenden Energieeintrag beim Auftreffen des Strahlmittels auf das Gussteil zu vermeiden. Hier kann bei einer Druckstrahlkabine der Strahldruck der zum Zuführen des Strahlmittels eingesetzten Druckluft auf einen Wert zwischen 3 und 4 bar, insbesondere auf ca. 3,5 bar, eingestellt sein. Vorzugsweise beträgt der Strahldruck jedoch wenigstens 2 bar.
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Als Strahlmittel wird vorzugsweise ein Naturkern- und/oder Nussgranulat eingesetzt, insbesondere erhältlich aus Obstkernen, wie Kirschkernen oder Olivenkernen, und/oder aus Walnüssen. Auch kann das Strahlmittel erhältlich sein aus Maiskolbenschrot oder Kork. Solche organischen Strahlmittel aus pflanzlichen Produkten gewährleisten, dass es beim Strahlen nicht zu einer Beschädigung des Gussmaterials, insbesondere nicht zu einer Gefügeänderung durch die eingetragene Stoßenergie des Strahlmittels, kommen kann. Alternativ können grundsätzlich auch synthetische Strahlmittel aus Kunststoff eingesetzt werden, die eine ähnliche Härte und Korngröße sowie einen ähnlichen Körnungsgrad und eine ähnliche Oberflächenkantigkeit wie pflanzliche Strahlmittel aufweisen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Strahlmittel im Einmalgebrauch verwendet wird. Bei einer mehrfachen Nutzung des Strahlmittels, wobei dieses nach einem ersten Gebrauch für einen nachfolgenden Strahlprozess erneut in die Strahlkabine zurückgeleitet wird, können mit dem Strahlgut harte Rückstände des zuvor beim Strahlen abgelösten Formstoffes in die Strahlkabine transportiert werden und dort die empfindliche Oberfläche der Gussteile beschädigen und eine Rekristallisation auslösen. Vorrichtungsgemäß sieht die Erfindung in diesem Zusammenhang daher vor, dass die Strahlkabine für den Einweggebrauch des Strahlmittels ausgebildet ist, was eine Zurückführung des (verbrauchten) Strahlmittels zusammen mit Formstoffanteilen ausschließt. Das verbrauchte, das heißt harte Formstoffreste enthaltende Strahlmittel lässt sich jedoch grundsätzlich zum Strahlen von solchen Gussteilen (mehrfach) nutzen, die kein einkristallines oder gerichtet erstarrtes Gefüge aufweisen, so dass die Gefahr von Gefügeänderungen beim Strahlprozess eine untergeordnete Bedeutung hat.
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Soll das Strahlmittel dagegen für die Reinigung von Gussteilen mit einem Gefüge bei gerichteter Erstarrung oder einkristalliner Erstarrung des Gussteils im Kreislauf geführt und mehrfach genutzt werden, so kann eine Abtrennung der beim Strahlprozess abgetrennten Formstoffreste von den Partikeln des Strahlmittels vorgesehen sein, um Gefügeänderungen im oberflächennahen Bereich der Gussteile während eines nachfolgenden Strahlprozesses sicher ausschließen zu können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt eine im Wesentlichen vollständige Entfernung von Resten des Formstoffes von den äußeren Oberflächen des Gussteils zu. Nach dem Strahlen können dann an dem Gussteil (noch) verbliebende Reste des Formstoffes und ein Kern durch chemische Behandlung entfernt werden. Wie oben beschrieben, kann vorgesehen sein, die Formstoffreste in einem Lösungsmittel, bei keramischen Formstoffen beispielsweise durch Laugen in Natriumhydroxid, zu lösen. Anschließend kann dann eventuell erneut gestrahlt werden, sofern noch immer Reste des Formstoffes an dem Gussteil anhaften.
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Durch Strahlen des Gussteils lässt sich gegebenenfalls auch eine Verbindung zwischen einem keramischen Kern und dem Gussteil locker. Durch die im Strahlprozess erreichte Lockerung des Kerns lässt sich die Behandlungsdauer der Gussteile mit einer Lauge, wie Natriumhydroxid, zum Auflösen des Kerns deutlich verringern. Die verringerten Laugenzeiten führen zu insgesamt geringeren Durchlaufzeiten bei der Behandlung der Gussteile im Anschluss an die Gießprozess.
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Nach der (vollständigen) Entfernung des Formstoffes kann das Gussteil einer Wärmebehandlung unterzogen werden, so wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist, insbesondere in einem Hochvakuumofen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehaltete mechanische Entfernung des Formstoffes durch Strahlen und die gegebenenfalls anschließende chemische Entfernung des Formstoffes durch Behandlung mit einem Lösungsmittel, insbesondere mit Natronlauge, werden lediglich vollständig vom Formstoff gesäuberte Gussteile der Wärmebehandlung zugeführt. Hier kann eine abschließende Wärmebehandlung der Gussteile bei hohen Temperaturen beispielsweise im Hochvakuumofen vorgesehen sein, wobei ein zusätzlicher Vorwärmschritt zum Verdampfen von Wasser aus Hohlräumen der Gussteile nicht vorgeschaltete werden muss.
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Es versteht sich, dass sich an den Strahlvorgang, insbesondere an die Wärmebehandlung der Gussteile, eine Nachbehandlung der Gussteile anschließen kann, bei der Gusstrichter, Speiser, Läufen, Nähte oder dergleichen in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise von den Gussteilen entfernt werden. Es versteht sich weiter, dass beim Putzen der Gussteile solche Verfahren zum Einsatz kommen können, die möglichst nicht oder lediglich in geringem Maße zu einer Gefügeänderung des Gussteils führen können.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, dass erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Die beschriebenen und/oder gezeigten Merkmale können miteinander kombiniert werden, auch wenn dies nicht im Einzelnen ausdrücklich beschrieben ist. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Behandlung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile,
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2 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile,
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3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Strahlvorrichtung zur Behandlung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile,
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4 eine schematische Darstellung eines Gussteils vor dem Abtrennen von keramischen Formstoffresten einer Gießform und
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5 eine Draufsicht auf das Gussteil aus 4.
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In 1 ist schematisch ein an sich aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Behandlung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile, insbesondere zur Behandlung von Turbinenschaufeln, dargestellt. Die Herstellung der Turbinenschaufeln erfolgt nach einem Wachsausschmelzverfahren, vorzugsweise durch Feingießen, in verlorenen keramischen Gießformen, wobei nach dem Gießen eines Gussteils in einem ersten Verfahrensschritt A die keramische Gießform in einem Verfahrensschritt B vom Gussteil weggebrochen wird, was durch vorsichtiges Ausklopfen erfolgen kann. Wesentlich dabei ist, dass es beim Ausklopfen nicht zu einem die Gefügestruktur des Gussteils verändernden Energieeintrag in das Gussteil kommt.
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Im nachfolgenden Verfahrensschritt C können der Zulauf oder Starter und Speiser (Steiger) vom Gussteil abgetrennt werden. Die Abtrennung erfolgt vorzugsweise an einer Stelle des Zulaufs oder Starters bzw. Speisers derart beabstandet vom Bauteil {Turbinenschaufel), dass eine Rekristallisation im Bauteil ausgeschlossen werden kann. Das eigentliche Putzen der Gussteile kann zu einem späteren Zeitpunkt nach einer Warmbehandlung des Gussteils erfolgen. Dann werden Bypässe abgetrennt, Kronen- und Fußbereiche des Bauteils ins Maß geschliffen, Bauteilflächen bearbeitet (geputzt) und nicht zerstörende Prüfungen durchgeführt.
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In den nachfolgenden Verfahrensschritten D und E kann das Gussteil signiert und das Gefüge des Gussteils geprüft werden. Um ein Gefüge sichtbar zu machen, kann das zu untersuchende Gussteil geätzt werden. Das ausgewählte Ätzmittel richtet sich nach der Zusammensetzung des Materials des Gussteils und der Zielrichtung der Untersuchung.
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Nach der Prüfung wird das Gussteil mit anhaftenden Resten der keramischen Gießform in einem Laugenautoklaven behandelt. Dieser sechste Verfahrensschritt F kann unter Verwendung von 20 bis 30%iger Natronlauge, vorzugsweise ca. 23%iger Natronlauge, bei Temperaturen zwischen 140 bis 180°C, vorzugsweise bei ca. 160°C, und unter einem Druck von 6 bis 10 bar, vorzugsweise von ca. 8 bar, erfolgen. In dem Laugenautoklavenprozess sollen die keramischen Formstoffreste von den Oberflächen des Gussteils und ein keramischer Kern entfernt werden. Hauptbestandteile des die Gießform bildenden Formstoffes sind Korund (beispielsweise ca. 99,5% Al2O3), Zirkonsilikat (beispielsweise ca. 65% ZrO2, 34% SiO2) und Zirkondioxid (beispielsweise ca. 97% ZrO2). Die Behandlung im Laugenautoklaven ermöglicht jedoch keine vollständige Entfernung der Reste der keramischen Formschale von dem Gussteil, wobei insbesondere bei Turbinenschaufeln im Fußbereich der Schaufeln Reste verbleiben. Bei der Laugenbehandlung kommt es allerdings zu einem Eindringen bzw. Diffundieren von Natronlauge in die an dem Gussteil anhaftende Resten der keramischen Formschale.
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In einem anschließenden siebten Verfahrensschritt G wird daher durch Erwärmen des Gussteils in einem atmosphärischen Vorwärmofen versucht, Restlauge abzuscheiden, was durch Ausdampfen bei 450 bis 550°C, insbesondere bei ca. 485°C, erfolgen kann. Bei der Vorwärmung im Verfahrensschritt 7 lässt sich die in den Resten des keramischen Formstoffs enthaltene Natronlauge jedoch nicht vollständig ausdampfen und abtrennen, was bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung in einem Hochvakuumofen im Verfahrensschritt H zu Nachteilen führen kann. Hier wird durch die Restfeuchte die Erzeugung eines Vakuums erschwert. Auch ist es so, dass sich Natronlauge bei hohen Temperaturen in ein aggressives Salz umwandelt. Die mit Natronlauge verbliebenen Reste der keramischen Gießform und die nun aggressiven Salze verursachen höhere Wartungs- und Instandhaltungskosten im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung im Hochvakuumofen. Insbesondere graphithaltige Bauteile des Ofens unterliegen einem erhöhten Verschleiß. Auch müssen die mehrstufigen empfindlichen Vakuumpumpen des Ofens häufiger gewartet bzw. ausgetauscht werden.
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2 zeigt ein weiterentwickeltes Verfahren zur Behandlung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile. Der in 2 gezeigte Verfahrensablauf und der in 1 gezeigte Verfahrensablauf zeigen eine Übereinstimmung im Hinblick auf die ersten fünf Verfahrensschritte 1 bis 5 bzw. A bis E.
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Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Verfahrensablauf ist bei dem in 2 gezeigten Verfahrensablauf jedoch vorgesehen, dass an dem Gussteil anhaftende Reste der keramischen Gießform nach dem Prüfen des Gussteils (Verfahrensschritt E bzw. 5) zumindest teilweise durch Strahlen mit einem pflanzlichen Strahlmittel, insbesondere mit Nussschalengranulat, entfernt werden. Das Strahlen des Gussteils erfolgt im Verfahrensschritt 6. Durch die Verwendung von organischen, insbesondere pflanzlichen, Strahlmitteln können Keramikrückstände auf den äußeren Oberflächen des Gussteils im Wesentlichen vollständig entfernt werden, und zwar in einfacher Weise auch im Bereich von Speisern oder Hinterschneidungen oder dergleichen. Durch den vorgelagerten Strahlprozess können Gussteile, die schadhaft sind, sehr früh erkannt und ausgemustert werden, da die Gussteiloberflächen nach dem Strahlen freigelegt sind und visuell auf Schäden oder eine ungewünschte Gefügestruktur untersucht werden können.
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Der Strahlprozess kann manuell oder automatisch ausgeführt werden. Insbesondere kann mit einem Strahldruck von ca. 3 bis 4 bar, insbesondere ca. 3,5 bar, gearbeitet werden bei hohem Luftvolumenstrom. Der Luftvolumenstrom kann vorzugsweise mit einem Dosierventil einstellbar sein, um das Strahlmittel zu dosieren. Das gewählte Strahlmittel und die beim Strahlen eingestellten Prozessbedingungen stellen sicher, dass es beim Entfernen der Keramikrückstände von dem Gussteil nicht zu einer Gefügeänderung im Gussteil bzw. zu einer Rekristallisation mit einer negativen Beeinflussung der Materialeigenschaften kommen kann.
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Beim Strahlen kann das Strahlmittel auch von oben auf einen Kern des Gussteils aufgebracht werden, was zu einem Lockern der Verbindung zwischen dem Kern und dem Gussteil führt. Der Kern wird jedoch im Strahlprozess nicht vollständig abgetragen. Es ist daher vorgesehen, das Gussteil in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 7 – entsprechend dem Verfahrensschritt F in 1 – in einem Autoklaven mit Natronlauge in Kontakt zu bringen, um die Bindungen zwischen den Partikeln des keramischen Formstoffes aufzulösen und den Kern vollständig zu entfernen.
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Nach der Behandlung im Laugenautoklaven sind die Gussteile vollständig von Resten der keramischen Formschale und vom keramischen Kern befreit. Diese komplett sauberen Gussteile können dann ohne Vorwärmung in einem abschließenden achten Verfahrensschritt 8 – entsprechend dem Verfahrensschritt H in 1 – vorzugsweise in einem Hochvakuumofen wärmebehandelt werden. Dabei werden die Gussteile bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1300°C, vorzugsweise ca. 1100 bis 1200°C, einer Wärmebehandlung, dem sogenannten ”Lösungsglühen”, unterzogen. Vorzugsweise wird das Lösungsglühen durchgeführt, um eine γ'-Phase möglichst vollständig in Lösung zu bringen, um eutektische γ/γ'-Inseln größtenteils aufzulösen und um die Legierungsbestandteile soweit auszugleichen, dass die Gefahr der Instabilität durch Sprödphasenbildung verringert wird. Nach Bildung der flüssigen Phase wird die Temperatur der Lösung sehr schnell abgesenkt, so dass die Lösung schlagartig erstarrt. Insbesondere wird damit der eingestellte einkristalline Zustand derart stabilisiert, dass im Anschluss an die Wärmebehandlung keine Rekristallisation des Gussteils durch schlagende Beanspruchung möglich ist.
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Vorzugsweise erfolgt im Anschluss an die Wärmebehandlung ein Gussputzen, wobei nun Bypässe oder dergleichen abgetrennt, Kronen- und Fußbereich auf Maß geschliffen und die Oberflächen gesäubert werden können, ohne dass eine Rekristallisation des Bauteils zu befürchten ist. Im Übrigen können ergänzend nicht zustörende Werkstoffprufverfahren durchgeführt werden.
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In 3 ist eine Strahlvorrichtung 1 zur Behandlung gerichtet erstarrter oder einkristalliner Gussteile 2 gezeigt. Bei den Gussteilen 2 kann es sich um Turbinenschaufeln der in den 4 und 5 dargestellten Art handeln. Das Gussteil 2 ist in den 3 und 4 unmittelbar nach dem Gießen vor dem Strahlen gezeigt. Die Strahlvorrichtung 1 weist eine Strahlkabine 3 auf, die zur Reinigung des Gussteils 2 von an dem Gussteil 2 anhaftenden Formstoffresten 4 einer keramischen Gießform durch Strahlen mit einem Strahlmittel 5 ausgebildet ist. Die Strahlkabine 3 weist zwei Eingriffsöffnungen 6 für eine Bedienung der Strahlkabine 3 von außen auf. In der Strahlkabine 3 sind Strahldüsen 7 vorgesehen, über die das Strahlmittel 5 in die Strahlkabine 3 ausgetragen wird, und zwar gerichtet auf ein in der Strahlkabine 3 angeordnetes Gussteil 2. Um den Strahlprozess durchführen und beobachten zu können, weist die Strahlkabine 3 ein Sichtfenster 10 auf.
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Die Beschickung der Strahlkabine 3 mit einem Gussteil 2 erfolgt von der Seite über eine nicht dargestellte Beschickungsöffnung mit einer Halte- und/oder Transporteinrichtung 11. Die Halte- und Transporteinrichtung 11 weist zwei Spannstäbe 12 auf, die über eine Platte 9 an einem Drehteller 13 befestigt sind. Das Gussteil 2 ist bei dem Strahlprozess an den Spannstäben 12 gehalten. Der Drehteller 13 lässt sich mit einer Welle 19 automatisch und/oder manuell drehen. Die Halte- und Transporteinrichtung 11 lässt sich zudem in Richtung X entlang eines Maschinentisches 14 hin- und herverfahren, um ein Gussteil 2 in den Arbeitsraum der Strahlkabine 3 einbringen und aus dem Arbeitsraum der Strahlkabine 3 herausfahren zu können. Die Strahlkabine 3 kann als Injektorstrahlkabine ausgebildet sein, wobei das Strahlmittel 5 mittels eines in den Strahldüsen 7 erzeugten Unterdrucks angesaugt wird. Grundsätzlich könnte die Strahlkabine 3 jedoch auch als Druckstrahlkabine ausgebildet sein.
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Es versteht sich, dass die Halte- und Transporteinrichtung 11 auch anders als in 3 dargestellt ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Halte- und Transporteinrichtung 11 Drehkörbe, Drehtische, Düsenhubvorrichtungen, Linearvorrichtungen, Drei-Achsen-Manipulatoren, herausfahrbare Wagen oder dergleichen aufweisen.
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Bei der in 3 gezeigten Strahlkabine 3 wird das verbrauchte Strahlmittel 15 unten an der Strahlkabine 3 zusammen mit den von dem Gussteil 2 abgelösten Keramikresten ausgetragen und gelangt in einen Reststrahlmittelbehälter 16. Eine Zurückführung des verbrauchten Strahlmittels 15 in die Strahlkabine 3 für den Strahlprozess ist nicht vorgesehen, da harte Keramikrückstände die empfindliche Oberfläche des Gussteils 2 beschädigen könnten und die Gefahr der Rekristallisation im Gussteil 2 steigt.
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Beim Strahlprozess entstehende Stäube 17 werden mit einer nicht gezeigten Absaugeinrichtung in einen Sammelbehälter 18 gefördert. Die Strahlvorrichtung 1 weist zudem eine Schutzeinrichtung auf, um Explosionen ausschließen zu können.
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Das Gussteil 2 soll beim Transport und während des Strahlprozesses nicht mit metallischen Oberflächen oder sonstigen harten Oberflächen, die bei Inkontakttreten mit dem Gussteil 2 zu einer Gefügeänderung im Gussteil 2 führen könnten, in Berührung kommen. Die Halte- und/oder Transporteinrichtung 11 und/oder die Strahlkabine 3 weist zu diesem Zweck wenigstens einen Dämpfungskörper für das Gussteil 2 auf, wobei das Gussteil 2 beim Halten und/oder Transport im Wesentlichen stoßfrei an dem bzw. über den Dämpfungskörper gehalten ist und/oder auf dem Dämpfungskörper aufliegt. Bei der in 3 dargestellten Strahlvorrichtung 1 kann beispielsweise jeder Spannstab 12 eine Gummiummantelung als Dämpfungskörper aufweisen, so dass ein metallischer Stoßkontakt zwischen den Gussteilen 2 und der Halte- und Transporteinrichtung 11 beim Halten und Transport der Gussteile 2 und beim Strahlprozess sicher ausgeschlossen ist. Werden die Gussteile 2 im Inneren der Strahlkabine 3 abgelegt, so kann auf dem Untergrund eine Schaumstoffmatte oder dergleichen ausgelegt sein, um auch hier einen metallischen Stoßkontakt zu verhindern. Insgesamt kommen die Gussteile 2 dann während des Strahlprozesses nicht mit metallischen oder sonstigen harten Oberflächen in Berührung, so dass eine Änderung des Gefüges der Gussteile 2 beim Strahlprozess und beim vorherigen und nachfolgenden Transport der Gussteile 2 nicht zu befürchten ist.
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In den 4 und 5 ist beispielhaft ein Gussteil 2 gezeigt, wobei es sich bei dem Gussteil 2 um eine Turbinenschaufel handelt. Das Gussteil 2 wird in einem Gießprozess unter Verwendung einer keramischen Gießform hergestellt, die durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Wachsausschmelzverfahren einem Schaufelmodell nachgebildet wurde. Nach dem Gießprozess und dem mechanischen Abtrennen der Gießform sind insbesondere im Bereich von Hinterschneidungen am Gussteil 2, insbesondere hinter Steigern 20 des Gussteils 2 im Fußbereich des Gussteils 2, anhaftende Formstoffreste 4 der keramischen Gießform vorhanden. Im Übrigen weist das Gussteil 2 einen innenliegenden Kern 21 auf, der ebenfalls aus einem keramischen Material besteht.
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Durch Behandlung des Gussteils 2 entsprechend dem in 2 dargestellten Verfahrensablauf lassen sich die Formstoffreste 4 von den äußeren und inneren Oberflächen des Gussteils 2 in einfacher Weise durch Strahlen des Gussteils 2 mit einem organischen Strahlmittel 5 ablösen, ohne dass es zu einer Gefügeänderung im Gussteil 2 im Bereich der Formstoffreste 4 kommt. Gegebenenfalls ist es darüber hinaus möglich, durch Strahlen die Verbindung zwischen dem Kern 21 und dem Gussteil 2 zu lockern, um den Kern 21 schließlich im nachfolgenden Laugenbad in vereinfachter Weise abtrennen zu können.