DE19614005A1

DE19614005A1 - Casting mould, especially for monocrystalline turbine blades

Info

Publication number: DE19614005A1
Application number: DE1996114005
Authority: DE
Inventors: Evgenij Nikolaevic Clystov; Anatolij Jakovlevic Denisov; Sergej Yuryevic Fedorov; Gennadij Ivanovic Suev
Original assignee: LYULKA SATURN Inc
Current assignee: LYULKA SATURN Inc
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 1997-12-11

Abstract

A casting mould, especially for monocrystalline turbine blades, comprises: (i) a casing (7) enclosing a mould chamber (1) with a polygonal bottom chamber (2) at its lower end; and (ii) an inoculation chamber (3) located at the lower end of a corner (11) of the starting chamber and a starting chamber (4) having a polygonal ring cross section connecting the latter with the bottom chamber (2). The bottom surfaces of the first side sections of the starting chamber (4) adjoining one corner (11) extend at an angle ( alpha ) of 10 deg to 35 deg to the corner (11) downwards towards the termination (9) of the inoculation chamber (3). The bottom surfaces of the other side sections of the starting chamber (4) extend at an angle ( beta ) of 55 deg to 85 deg to the corresponding corner downward into the bottom surfaces of the first side sections.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gießform, insbesondere für die Herstellung einkristalliner Turbinenschaufeln, nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a casting mold, in particular for the Manufacture of single-crystal turbine blades, according to the upper Concept of claim 1.

Aus der US-A-4 450 889 ist eine keramische Gießform zur Her stellung einkristalliner Metallteile bekannt. Die aus der US- A-4 450 889 bekannte Gießform weist in einer Ummantelung einen Formraum und einen mit dem Formraum über einen sich aufweiten den Starthohlraum in Verbindung stehenden Impfhohlraum auf. Der Starthohlraum hat helikale Form. Bei der Herstellung einkristalliner Metallteile mittels derartiger Gießformen fällt ein nicht unerheblicher Gußausschuß an.US-A-4 450 889 discloses a ceramic casting mold position known single-crystal metal parts. From the US A mold known from A-4 450 889 has one in a casing Mold space and one with the mold space expand over one the starting cavity related vaccination cavity. The starting cavity has a helical shape. In the preparation of monocrystalline metal parts by means of such casting molds there is a not inconsiderable casting committee.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gießform be reitzustellen, mit der der Anteil qualitätsgerechter Güsse erhöht und somit der Gußausschußanteil gesenkt werden kann.The invention has for its object to be a mold with which the proportion of quality castings increased and thus the casting scrap can be reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Gießform mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a mold with the characteristics of Claim 1 solved.

Die erfindungsgemäße Gießform kann zum Gießen einkristalliner Turbinenschaufeln aus z. B. hitzebeständigen Legierungen ver wendet werden und ermöglicht es, einen Anteil qualitätsgerech ter Güsse von 85% bis 90% zu erreichen.The casting mold according to the invention can be single-crystalline for casting Turbine blades from z. B. heat-resistant alloys be used and enables a proportion of quality to achieve castings from 85% to 90%.

Die Anordnung des Impfhohlraums an einer Eckkante des Start hohlraums ist besonders günstig für einen thermischen Aus gleich in der keramischen Ummantelung während des Kristalli sationsvorganges einer in die Gießform gefüllten Schmelze.The placement of the inoculation cavity on a corner edge of the start cavity is particularly favorable for a thermal out same in the ceramic coating during the crystallization tion process of a melt filled in the casting mold.

Wenn der Abstand zwischen der Innenwand und der Außenwand mindestens eines Seitenabschnitts des Starthohlraumes der Höhe des Bodenhohlraumes entspricht, ist es möglich, Turbinen schaufeln mit gegossenem Verankerungsflansch zu erhalten, die keiner mechanischen Bearbeitung bedürfen.If the distance between the inner wall and the outer wall at least one side portion of the starting cavity of height of the floor cavity, it is possible to use turbines shovels with cast anchoring flange to get that no mechanical processing is required.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich nung näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is based on the drawing tion explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Gieß form, Fig. 1 is an overall view of a casting according to the invention form,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung längs des Schnittes A-A von Fig. 1, Fig. 2 is a sectional view taken along the section AA of Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung längs des Schnittes B-B von Fig. 2 mit nach unten gewandtem Impfhohlraum, Fig. 3 is a sectional view taken along section BB of Fig. 2 after gewandtem below Impfhohlraum,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung längs des Schnittes C-C von Fig. 2 mit nach unten gewandtem Impfhohlraum, Fig. 4 is a sectional view taken along the section CC of FIG. 2 after gewandtem below Impfhohlraum,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung längs des Schnittes D-D von Fig. 2 mit nach unten gewandtem Impfhohlraum, Fig. 5 is a sectional view taken along the section DD of FIG. 2 after gewandtem below Impfhohlraum,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung längs des Schnittes E-E von Fig. 2 mit nach unten gewandtem Impfhohlraum und Fig. 6 is a sectional view taken along section EE of Fig. 2 with the inoculation cavity facing downwards and

Fig. 7 eine Abwicklungsdarstellung einer Starthohlrauminnen wand. Fig. 7 is a development view of a starting cavity interior wall.

Die in Fig. 1 gezeigte Gießform 10 dient zur Herstellung einer Turbinenschaufel. Die Gießform 10 weist eine Ummantelung 7 auf, die aus Elektrokorund mit Ethylsilikatbinder hergestellt ist.The casting mold 10 shown in FIG. 1 is used to manufacture a turbine blade. The casting mold 10 has a casing 7 , which is made of electro-corundum with ethyl silicate binder.

Im oberen Bereich der Ummantelung 7 ist ein Formraum 1 ausge bildet, der die Form eines zu gießenden Schaufelblattes auf weist. Der Formraum 1 geht an seinem unteren Ende in einen quer zur Längsrichtung des Formraums 1 rechteckig ausgebilde ten Bodenhohlraum 2 mit der Form eines Turbinenschaufelver ankerungsflansches über.In the upper region of the casing 7 , a molding space 1 is formed, which has the shape of an airfoil to be cast. The molding space 1 merges at its lower end into a rectangularly formed bottom cavity 2 transverse to the longitudinal direction of the molding space 1 with the shape of a turbine blade anchoring flange.

Im Bereich unterhalb des Bodenhohlraums 2 hat der Querschnitt der Ummantelung 7 die Form eines rechteckigen Ringes. In diesem Bereich ist ein im Querschnitt rechteckringförmiger Starthohlraum 4 mit vier sich vertikal nach unten erstrecken den Seitenabschnitten 5, 5′, 6, 6′ in der Ummantelung 7 ausge bildet, der im Umfangsbereich des Bodenhohlraums 2 in diesen übergeht. Die Außenwand und die Innenwand des Starthohlraums 4 verlaufen parallel zueinander, wobei ihr Abstand der Höhe des Bodenhohlraums 2 entspricht.In the area below the floor cavity 2 , the cross section of the casing 7 has the shape of a rectangular ring. In this area is a cross-sectionally rectangular starting cavity 4 with four vertically downward extending the side portions 5 , 5 ', 6 , 6 ' in the casing 7 , which merges into the peripheral region of the bottom cavity 2 in this. The outer wall and the inner wall of the starting cavity 4 run parallel to one another, their distance corresponding to the height of the bottom cavity 2 .

Die vier Eckkanten des Starthohlraums 4 gehen in die vier Ecken des Bodenhohlraums 2 über.The four corner edges of the starting cavity 4 merge into the four corners of the bottom cavity 2 .

An einer der sich vertikal nach unten erstreckenden Eckkanten (im folgenden Bezugskante 11 genannt) mündet der Starthohlraum 4 auf der dem Bodenhohlraum 2 abgewandten Seite in einen Impfhohlraum 3 zur Anordnung eines einkristallinen Impfkri stalls.At one of the vertically downwardly extending corner edges (hereinafter referred to as reference edge 11 ), the starting cavity 4 opens out on the side facing away from the bottom cavity 2 into a seed cavity 3 for arranging a single-crystal seed crystal.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, daß der untere Rand und somit die Bodenfläche 8, 8′ der an die Bezugskante 11 angrenzenden Sei tenabschnitte 5 bzw. 5′ von der Mündung 9 des Impfhohlraums 3 aus zunächst bis etwa zur Hälfte der Breite des entsprechenden Seitenabschnitts 5 bzw. 5′ in einem spitzen Winkel α in Rich tung des Formraums 1 verläuft. Anschließend nimmt die Steigung der Bodenflächen 8, 8′ in Richtung der angrenzenden Seiten abschnitte 6, 6′ ab. FIGS. 3 and 4 show that the bottom edge, and thus the bottom surface 8, 8 'of the adjacent to the reference edge 11 Be tenabschnitte 5 or 5', first to about the half of the width of the corresponding one of the mouth 9 of the Impfhohlraums 3 of Side section 5 and 5 'at an acute angle α in Rich direction of the molding space 1 . Then the slope of the bottom surfaces 8 , 8 'in the direction of the adjacent side sections 6 , 6 ' from.

In den Fig. 5 und 6 ist dargestellt, wie die Bodenflächen 12, 12′ der jeweils an die Seitenabschnitte 5 bzw. 5′ angren zenden Seitenabschnitte 6 und 6′ in einem Winkel β zur ent sprechenden Eckkante in die Bodenflächen 8, 8′ übergehen.In FIGS. 5 and 6 it is shown how the bottom surfaces 12, 12 'of each of the side portions 5 and 5' angren collapsing side portions 6 and 6 'at an angle β to ent speaking corner edge in the bottom surfaces 8, 8' pass .

Fig. 7 zeigt den Verlauf der einzelnen Bodenflächen 8, 8′, 12, 12′ des Starthohlraums 4 in Abwicklungsdarstellung, wobei die genannten Winkel α und β eingetragen sind. Fig. 7 shows the course of the individual floor surfaces 8 , 8 ', 12 , 12 ' of the starting cavity 4 in a development view, the angles α and β being entered.

Die Gießform 10 wird folgendermaßen verwendet:The casting mold 10 is used as follows:

In einem Vorwärmofen heizt man die Gießform 10 bis auf eine Temperatur auf, die die Liquidustemperatur einer ausgewählten Legierung um ungefähr 100 Kelvin übersteigt. Die gewünschte kristallographische Orientierung (z. B. (001)) der herzustel lenden Turbinenschaufel wird durch Anordnung eines geeignet orientierten einkristallinen Impfkristalls aus Ni-W-Legierung (30% W) im Impfhohlraum erreicht. Es erfolgt dann das Ein füllen der flüssigen Legierung in die Gießform. Schließlich wird die befüllte Gießform mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/min allmählich in ein Flüssigmetallkühlmittel (z. B. flüssi ges Aluminium) eingetaucht, was eine gerichtete Kristallisa tion der Turbinenschaufel gewährleistet.In a preheating furnace, the casting mold 10 is heated up to a temperature which exceeds the liquidus temperature of a selected alloy by approximately 100 Kelvin. The desired crystallographic orientation (e.g. (001)) of the turbine blade to be produced is achieved by arranging a suitably oriented single-crystal seed crystal made of Ni-W alloy (30% W) in the seed cavity. The liquid alloy is then filled into the casting mold. Finally, the filled casting mold is gradually immersed in a liquid metal coolant (e.g. liquid aluminum) at a speed of 10 mm / min, which ensures a directed crystallization of the turbine blade.

Experimentell wurde festgestellt, daß die Gußgüte stark von der Größe der genannten Winkel α und β abhängt. Dies ist in folgender Tabelle verdeutlicht.It was found experimentally that the casting quality varied greatly the size of said angles α and β depends. This is in following table clarifies.

Wie es aus der Tabelle zu erkennen ist, läßt sich ein beson ders gleichmäßig orientiertes, störkristallfreies Wachsen eines im Impfhohlraum 3 angeordneten Einkristalls über den gesamten Querschnitt des Turbinenschaufelverankerungsflansches und weiter in das Schaufelblatt erreichen, wenn der Winkel α einen Wert zwischen 10° und 35° und der Winkel β einen Wert zwischen 55° und 85° aufweist.As can be seen from the table, a particularly uniformly oriented, sturgeon-free growth of a single crystal arranged in the seed cavity 3 can be achieved over the entire cross section of the turbine blade anchoring flange and further into the airfoil if the angle α is between 10 ° and 35 ° and the angle β has a value between 55 ° and 85 °.

Claims

1. casting mold, in particular for the production of single-crystalline turbine blades, with a casing ( 7 ) in which

a molding space ( 1 ) which merges at its lower end into a polygonal floor cavity ( 2 ),
- A seed cavity ( 3 ) for the arrangement of a single crystal seed crystal and
- A bottom cavity ( 2 ) with the inoculation cavity ( 3 ) ver binding starting cavity ( 4 ) is formed,
characterized in that
the starting cavity ( 4 ) is polygonal in cross-section, the outer wall and the inner wall of the starting cavity ( 4 ) extending vertically downward parallel to one another,
- The starting cavity ( 4 ) opens into the circumferential area of the bottom cavity ( 2 ) in this,
- The inoculation cavity ( 3 ) is arranged at the lower end of a corner edge ( 11 ) of the starting cavity ( 4 ), which merges into a corner of the bottom cavity ( 2 ),
- The bottom surfaces ( 8 , 8 ') of the one of the corner edges ( 11 ) adjacent first side sections ( 5 , 5 ') of the starting cavity ( 4 ) at an angle (α) of 10 ° to 35 ° to the one corner edge ( 11 ) run down towards the mouth ( 9 ) of the inoculation cavity ( 3 ) in the starting cavity ( 4 ), and
- The bottom surfaces ( 12 , 12 ') each on the first side sections ( 5 , 5 ') adjacent second side sections ( 6 , 6 ') of the starting cavity ( 4 ) at an angle (β) of 55 ° to 85 ° to the corresponding corner edge down into the bottom surfaces ( 8 , 8 ') of the corresponding first Seitenab sections ( 6 , 6 ').

2. Casting mold according to claim 1, characterized in that the distance between the inner wall and the outer wall of at least one side portion ( 5 , 5 ', 6 , 6 ') of the starting cavity ( 4 ) corresponds to the height of the bottom cavity ( 2 ).