DE19647313A1 - Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gerichteten Erstar­ ren einer Schmelze eines Metalls in einer Gießform, wobei das Verfahren das Aufheizen der Schmelze und der Gießform auf eine erste Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls und anschließendes Abkühlen der Schmelze in der Gießform durch Eintauchen der Gießform in ein Bad aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Temperatur befin­ det, welche unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, umfaßt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze mit einer Heizkammer, welche eine Heizzone zur Aufrechterhaltung einer ersten Tem­ peratur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls in der Schmelze und der Gießform aufweist. Die Vorrichtung hat einen unterhalb der Heizkammer angeordneten Tiegel mit einem Bad aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zwei­ ten Temperatur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, sowie eine Fahreinrichtung zur Bewegung der Gießform aus der Heizzone in das Bad.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze wird angewendet, wenn aus einer Schmelze ein Stück mit stengelkristallinem oder einkristallinem Gefüge ge­ bildet werden soll. Dies kommt insbesondere in Frage bei der Herstellung einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine aus einer Schmelze einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung, insbesondere einer Superlegierung, wie es in der WO 96/05006 A1 beschrieben ist. Auf dem Kühlmedium, welches insbesondere Zinn ist, ist eine Deckschicht aus fließfähigem Material angeordnet. Diese schirmt das Bad vollständig ab, auch während die Gießform in das Bad eintritt, da das fließ­ fähige Schüttgut die Gießform stets eng umschließt, selbst dann, wenn sich ihr Querschnitt während des Durchdringens der Deckschicht verändert. Dies gilt ebenfalls, wenn die Gießform eingerichtet ist zur Aufnahme mehrerer voneinander beabstan­ deter Schmelzen. Hierdurch wird eine weitgehend vollständige Verhinderung eines wesentlichen Wärmeeintrags in das Bad er­ reicht, während eine Schmelze in gerichteter Weise erstarrt wird. Dies bedingt eine wesentliche Vergrößerung des beim Er­ starren einer Schmelze wirksamen Temperaturgradienten und er­ laubt aufgrund der erreichbaren schnellen Abkühlung die Er­ zielung besserer Eigenschaften sowie eine hohe Produktivität bei der Serienfertigung von Gußstücken. Gemäß der WO 96/05006 A1 ist eine rationelle und serienweise Fertigung von Gußstücken mit Abmessungen gegeben, die die Anwendung der gerichteten Erstarrung für Komponenten von stationären Gasturbinen mit Nennleistungen bis 200 MW und darüber hinaus, insbesondere für Turbinenschaufeln, ermöglicht.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung kleiner Turbinenschaufeln mit gerichtet erstarrtem Gefüge ist aus der DE 28 15 818 A1 bekannt. Ein Eintauchen der Gießform in das kühlende Bad, welches insbesondere aus flüssigem Zinn be­ steht, dient dazu, in der Gießform und der Schmelze eine Zone mit einem steilen vertikalen Temperaturgradienten zu erzeu­ gen. Diese Zone wandert mit zunehmendem Eintauchen der Gieß­ form in das Bad entgegen der Richtung, in der die Gießform eingetaucht wird, durch die Schmelze. Ein Vorteil eines stei­ len Temperaturgradienten ist, daß er einen schnellen und ko­ stengünstigen Fertigungsprozeß ermöglicht. Um zu verhindern, daß Strahlung aus der Heizkammer das Bad erwärmt, ist bei der Vorrichtung gemäß der DE 28 15 881 A1 an der Unterseite der Heizkammer ein zur Gießform hin gerichteter, allgemein als "Baffle" bezeichneter Strahlungsschirm vorgesehen. Dieser soll das Bad gegen die Heizzone abschirmen. Zusätzlich schwimmt auf dem Bad eine Trennplatte aus einem wärmeisolie­ renden Material, welche zum Eintauchen der Gießform in die Schmelze eine Öffnung hat. Das Bad weist in seinem oberen Be­ reich Kühlschlangen zur Kühlung des Zinns und in seinem unte­ ren Bereich Heizelemente auf.

Die DE-AS 19 53 716 zeigt einen Behälter mit einem Bad zur Abkühlung einer Schmelze in einer Gießform, wobei die Ober­ fläche des Bads mit einer wärmeisolierenden Deckschicht be­ deckt ist. Das Bad besteht aus flüssigem Blei oder einem Salz, wie es in Verbindung mit Salzbadöfen eingesetzt wird. Die wärmeisolierende Schicht hat den Sinn, ein Oxidieren und übermäßig starkes Abkühlen des Bades zu verhindern. Das Bad steht in keinerlei unmittelbarer Beziehung zu einer Heizvor­ richtung; vielmehr ist es von einer Kühlleitung umgeben, mit deren Hilfe die Temperatur des Bleis oder des Salzes konstant gehalten werden soll. Das Bad wird benutzt, indem zunächst die leere Gießform hineingegeben und anschließend mit der zu erstarrenden Schmelze gefüllt wird. Ein gerichtetes Erstarren der Schmelze ist nicht vorgesehen; ebensowenig ist die Erzie­ lung einer besonderen Verteilung der Temperatur im Inneren der Schmelze oder des daraus gebildeten Gußstücks Gegenstand der DE-AS 19 53 716.

Aus der DE 22 42 111 B2 ist es bei einem Verfahren und bei einer Vorrichtung zum Gießen von Gegenständen mit gerichtet erstarrtem Gefüge bekannt, die Oberfläche des Bades so dicht unterhalb der Heizkammer vorzusehen, daß eine am unteren Ende der Gießform vorgesehene Kühlplatte schon vor dem Eintauchen der eigentlichen Gießform zumindest teilweise in das Bad ein­ taucht. Dadurch wird die Kühlplatte auch dann auf einer der Temperatur des Bades entsprechenden Temperatur gehalten, wenn die Gießform sich noch in der Heizzone befindet und womöglich noch nicht gefüllt ist. Hierdurch wird die Kühlung der Schmelze am unteren Ende der Gießform intensiviert und dar­ über hinaus eine gewisse zusätzliche Beschirmung des Bades vor der von der Heizzone ausgehenden Hitzestrahlung erreicht. Analog zur DE 28 15 818 A1 sind Heiz- und Kühlspulen vorgese­ hen zum Erzeugen und Verstärken von Konvektionsströmen in dem flüssigen Bad, wodurch eine fast genau gleiche Temperatur für den Teil des Bades gehalten wird, in welchem die Form einge­ bettet ist. Die Einbettung der Form ergibt eine sehr schnelle Aufheizung der umgebenden Flüssigkeit und verursacht einen nach oben gerichteten Fluß zur Oberfläche. Die Kühlspulen in der Nähe des oberen Endes des flüssigen Bades dienen zum Ab­ kühlen der an ihnen anliegenden Flüssigkeit und verursachen einen Abwärtsfluß entlang der inneren Oberfläche des Tanks zum Boden des Tanks hin. Dort wird die Flüssigkeit durch die Heizspulen aufgeheizt und ein Aufwärtsfluß zur Mitte des Tanks hin bewirkt. Hierdurch kann eine Umwälzvorrichtung ggf. entfallen. Nach Erstarren der Schmelze wird die Gießform nach oben aus der Heizkammer herausgenommen.

In der EP 0 631 832 A1 ist ein Verfahren zum gerichteten Er­ starren einer Metallschmelze sowie eine Gießvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben. Hierin wird die nicht näher spezifizierte Gießform in eine Kühlschmelze eingeführt, wobei ein die Kühlschmelze aufnehmender Behälter gegenüber einer Heizkammer verfahren wird. Alternativ kann auch die Heizkammer gegenüber dem Behälter für die Kühlschmelze ver­ fahren werden.

Die Aufgabe, von der die Erfindung ausgeht, liegt darin, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine höhere Temperatur des Bades und/oder einer verbesserten Wärmeabfuhr aus dem Bad heraus, insbesondere beim Einführen der Gießform mit der Schmelze in das Bad, wei­ terzuentwickeln unter Gewährleistung des gerichteten Erstar­ rens.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze eines Metalls in einer Gießform ge­ richtete Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Regulierung der zweiten Temperatur, der Temperatur des Kühlmediums in dem Bad, zwischen dem Kühlmedium und einem anorganischen Wärme­ austauschmedium ein Wärmeaustausch durchgeführt wird. Bevor­ zugtermaßen bewirkt dieser Wärmeaustausch während und/oder nach dem Eintauchen der Gießform in das Kühlmedium eine Küh­ lung des Kühlmediums, so daß die zweite Temperatur auch wäh­ rend des Eintauchens weitgehend konstant gehalten wird. Das Wärmeaustauschmedium entzieht dem Kühlmedium zusätzliche Wärme und gibt diese Wärme wiederum an die Umgebung oder ein zweites Wärmeaustauschmedium, wie Kühlwasser oder Kühlluft, ab.

Vorzugsweise ist das Wärmeaustauschmedium ein Salz oder weist zumindest ein Salz auf. Bevorzugt ist das Salz ein Alka­ lihydroxid, wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, ein Al­ kalinitrit oder ein Alkalinitrat. Als zweites Wärmeaustausch­ medium wird vorzugsweise Kühlluft verwendet.

Ein solches anorganisches Wärmeaustauschmedium, insbesondere ein Wärmeübertragungssalz, hat den Vorteil, daß es in der Re­ gel ungiftig, nicht brennbar und nicht gewässergefährdend ist. Zudem sind solche anorganischen Wärmeaustauschmedien ko­ stengünstig sowie in industriellem Großmaßstab herstellbar. Sie ermöglichen zudem einen großen Temperaturarbeitsbereich, von insbesondere zwischen 140°C bis 650°C. Sie haben zudem eine niedrige Korrosionsrate.

Der Schmelzpunkt des Wärmeaustauschmediums liegt vorzugsweise zwischen 100°C und 200°C, insbesondere zwischen 130°C und 170°C. Es eignet sich somit bevorzugtermaßen auch zur Regu­ lierung der Temperatur eines metallischen flüssigen Kühlmedi­ ums, insbesondere von Zinn. In diesem Fall ist gewährleistet, daß die zweite Temperatur auf über 240°C gehalten wird, so daß ein Eintauchen der Gießform in das Zinnbad jederzeit ge­ währleistet ist. Durch einen Wärmeaustausch mit dem anorgani­ schen Wärmeaustauschmedium wird die Temperatur des Zinns auf einem niedrigen Niveau oberhalb von 240°C gehalten, so daß ein steiler Temperaturgradient der Schmelze des in der Gieß­ form befindlichen Metalls gewährleistet bleibt. Wärmetau­ schersalze auf Basis von Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid sowie auf Basis eines Alkalinitrits oder eines Alkalinitra­ tes, wie Natriumnitrit, werden beispielsweise von der Durfer­ rit GmbH Thermotechnik, Hanau, Deutschland, unter dem Namen Durferrit AS 140, Durferrit GS 230 vertrieben. Solche Wärme­ übertragungssalze haben in der Schmelze eine Dichte zwischen 1700 kg/m³ und 2000 kg/m³ sowie einen Schmelzpunkt von etwa 140°C.

Zur Vermeidung eines ungewollten Abkühlens des Kühlmediums und zur Verhinderung eines Wärmeübertrages zwischen der Gieß­ form und dem Kühlmedium vor Eintauchen der Gießform ist vor­ zugsweise auf dem Kühlmedium eine schwimmende, fließfähige Deckschicht aus einem wärmeisolierenden Schüttgut aufge­ bracht, durch die die Gießform mit der Schmelze in das Bad hinein eingetaucht wird. Diese Deckschicht kann mit relativ geringem Aufwand und kostengünstig erzeugt werden, indem zu ihrer Bildung fließfähige und isolierende Festkörper verwen­ det werden. Als solche Festkörper kommen insbesondere kerami­ sche Vollkugeln und/oder Hohlkörper, vorzugsweise Hohlkugeln, zum Einsatz. Diese bestehen vorzugsweise aus Aluminium-, Ma­ gnesium- oder Zirkonoxid. Sie haben einen Außendurchmesser zwischen einer unteren Grenze von 0,06 mm und einer oberen Grenze von 0,4 mm. Bei Verwendung von Hohlkörpern haben diese einen Außendurchmesser zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise etwa 1 mm, und sind aus einer Aluminiumoxid-Siliciumdioxid- Keramik aufgebaut. Vorzugsweise sind die Festkörper aus einem solchen Material aufgebaut, wie es von dem Kühlmedium, insbe­ sondere Zinn, nicht benetzbar sind. Hierdurch ist gewährlei­ stet, daß bei Verwendung eines Metalls als Kühlmedium, eine Einlagerung dieses Metalles in die Deckschicht und damit eine Ausbildung einer unerwünschten Wärmebrücke vermieden ist. Bei Verwendung einer Schmelze, beispielsweise aus einem anorgani­ schen Salz, ist die Unbenetzbarkeit von weniger großer Bedeu­ tung.

Vorzugsweise erfolgt die Durchführung des Verfahrens zum Zwecke der Vermeidung der Entstehung oxidischer Schlacken auf dem Bad unter Ausschluß von Sauerstoff, vorzugsweise unter Vakuum. Durch die Vermeidung oxidischer Schlacken auf dem Bad wird das Verkleben des Schüttgutes in der Deckschicht weitge­ hend vermieden. Das Vakuum wird vorzugsweise auf einen Rest­ druck von 10⁻³ mbar, weiter bevorzugt von höchstens 10⁻⁴ mbar, gehalten.

Das Verfahren jedweder Ausgestaltung findet im besonderen Verwendung zum gerichteten Erstarren eines Metalls in Form einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung, insbesondere einer Superlegierung, wie sie im Zusammenhang mit Turbinen­ schaufeln für Gasturbinen, insbesondere stationären Gasturbi­ nen, üblicherweise in Betracht gezogen wird.

Es ist ebenfalls möglich, als Kühlmedium neben einem Metall, wie Aluminium oder Zinn, auch ein anorganisches Salz mit zu­ mindest einem Alkalihydroxid, einem Alkalinitrit oder einem Alkalinitrat zu verwenden. Solche anorganischen Salze ermög­ lichen einen großen Temperaturarbeitsbereich, beispielsweise zwischen 160°C und 1200°C. Die verwendeten anorganischen Salze haben vorzugsweise einen Siedepunkt von oberhalb 1200°C, insbesondere oberhalb von 1400°C. Gegenüber einem Kühl­ medium aus Metall, welches sich an dem Gußteil anlagert oder einlegiert, weisen anorganische Salze eine leichte Entfern­ barkeit von dem Gußteil auf. Zudem ermöglichen sie eine gute Benetzung der vorzugsweise keramischen Gießform und daraus resultierend einen guten Wärmeübergang. Sie sind einfach handhabbar, wobei eine Umwälzung des Kühlmediums in dem Bad mittels kostengünstiger Pumpen durchführbar ist. Eine gerin­ gere Dichte gegenüber einem metallischen Kühlmedium, bei­ spielsweise Zinn, um den Faktor 3 bis 4 erniedrigt Auftriebs­ kräfte im Bereich der Befestigung der Gießform auf einer Ab­ schreckplatte. Hierdurch ist auch wirksam ein einfacher Ver­ schlußmechanismus, beispielsweise ein Bajonettverschluß, einsetzbar. Die gleichen Vorteile gegenüber einem metalli­ schen Kühlmedium sind ebenfalls mit Boroxid zu erzielen, wel­ ches einen hohen Siedepunkt von etwa 1800°C und einen Schmelzpunkt von 450°C aufweist. Das Boroxid (B₂O₃) ermög­ licht aufgrund seines sehr hohen Siedepunktes eine Badtempe­ ratur von über 600°C. Es ist extrem gering korrosiv und selbst bei sehr hohen Temperaturen stabil, so daß eine Zer­ setzung sicher vermieden ist.

Das Boroxid eignet sich mithin unabhängig von einem Wärmeaus­ tausch zwischen Kühlmedium (Boroxid) und einem Wärmeaus­ tauschmedium besonders als Kühlmedium für ein Bad zur Durch­ führung einer gerichteten Erstarrung eines Metalls in einer Gießform. Die Schmelze des Boroxids wird vorzugsweise auf ei­ ner zweiten Temperatur zwischen 450°C uns 750°C, insbeson­ dere oberhalb von 550°C, gehalten. Um einen Wärmeaustausch zwischen der Schmelze und der in der Heizkammer angeordneten Gießform zu vermeiden, ist auch in diesem Fall vorzugsweise auf dem Kühlmedium, dem Boroxid, eine schwimmende, fließfä­ hige Deckschicht aus einem wärmeisolierenden Schüttgut vorge­ sehen.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Auf­ gabe für eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15 dadurch gelöst, daß der unterhalb der Heizkammer angeord­ nete Tiegel für einen Wärmeaustausch mit einem Kühlsystem um­ fassend zumindest einen Kühlkanal für eine Durchströmung mit einem anorganischen Wärmeaustauschmedium verbunden ist. Der Kühlkanal ist vorzugsweise schraubenförmig um den Tiegel her­ umgewunden. Er kann beispielsweise an den Tiegel wärmetech­ nisch gekoppelte Rohre aufweisen. Der Tiegel ist vorzugsweise als doppelwandiger, den Kühlkanal aufweisender Behälter aus­ geführt. Ein solcher doppelwandiger Behälter ist besonders einfach dadurch herstellbar, daß an den Tiegel entsprechende L-, oder T-Profilleisten angebracht werden, die Trennwände für zu bildende Kühlkanäle formen. An diese Profilleisten wird zumindest punktuell eine äußere Wand befestigt, insbe­ sondere verschweißt. Das Kühlsystem weist vorzugsweise eine Heizeinrichtung auf, durch welche eine Beheizung des Kühlsy­ stems derart erfolgt, daß in dem Kühlsystem geführtes anorga­ nisches Kühlmedium oberhalb seines Schmelzpunktes gehalten wird.

Die oben bereits ausgeführten Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten ebenfalls für die erfindungsgemäße Vorrich­ tung. Vorzugsweise ist auf dem Kühlmedium eine Deckschicht aus schwimmendem, fließfähigem Schüttgut, wie oben bereits beschrieben, angegeben. Die Deckschicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 30 mm und 50 mm, um eine ausreichende Wärme­ isolierung zu gewährleisten. Sie ist vorzugsweise so ausge­ führt und angeordnet, daß der Abstand zwischen der Heizzone und der Oberfläche des Bades möglichst klein ist, um einen möglichst großen Temperaturgradienten zu erzeugen. Sie reicht mithin vorzugsweise bis an die Heizkammer heran.

Die Vorrichtung ist mit weiterem Vorzug umschlossen von einem evakuierbaren und/oder mit einem Schutzgas befüllbaren Schutzgefäß, um die Einwirkung schädlicher Gase wie z. B. Sau­ erstoff auf das Metall oder das Kühlmedium zu verhindern und gegebenenfalls durch Bildung eines Vakuums in dem Schutzgefäß die Ausbreitung von Wärme durch Konvektion zu verhindern. Die Temperatur im Inneren des Gefäßes kann auf einem Wert bis zu 300°C liegen, was insbesondere auch sicherstellt, daß orga­ nische Ablagerungen durch den zur Aufrechterhaltung des Vaku­ ums erforderlichen Pumpprozeß entfernt werden und weder die Vorrichtung noch die wärmeempfindlichen flüssigen Metalle und/oder organischen Wärmeaustauschmedien beeinträchtigen können.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels werden die Vorrichtung sowie das Verfahren näher er­ läutert. Zur Verdeutlichung der spezifischen Einzelheiten ist die Zeichnung nicht maßstabsgetreu und ggf. leicht verzerrt ausgeführt. Die einzige Figur zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Gießform, die eine abzukühlende Schmelze enthält.

Die Figur zeigt eine Schmelze 1 eines Metalls, insbesondere einer Superlegierung zur Herstellung von Turbinenschaufeln 8, in einer Gießform (2), welche zum Zwecke der Abkühlung in ein Bad 3 eines flüssigen Kühlmediums, vorzugsweise Zinn, ein an­ organisches Salz oder Boroxid, einzutauchen ist. Das flüssige Kühlmedium befindet sich auf einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur der Schmelze 1. Das Bad 3 ist abgedeckt von einer Deckschicht 4, die aus einem fließ­ fähigen, wärmeisolierenden Schüttgut aus kugelförmigen Fest­ körpern 5, 6 (Hohlkugeln 5, Vollkugeln 6) abgedeckt ist. Die Hohlkugeln 4 bestehen vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, wie Siliciumdioxid-Aluminiumoxid (Mullit). Die Vollkugeln 6 bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirkonoxid. Festkörper aus einem Vollmaterial können beispielweise auch aus Pulverteil­ chen 6 eines marktgängigen Pulvers bestehen. Die Deckschicht 4 reduziert deutlich einen Wärmeeintrag aus der Heizzone 7, in der die Gießform 2 mit der Schmelze 1 zunächst gehalten wird, in das Bad 3. Die Gießform 2 befindet sich in der Heiz­ zone 7 auf einer sehr hohen ersten Temperatur, insbesondere um 1600°C. Im Inneren der Deckschicht 4 bildet sich ein ho­ hes Temperaturgefälle, entsprechend einem besonders hohen Temperaturgradienten, aus. Aufgrund des Wärmeeintrags in die Schmelze 1 und die Gießform 2 in der Heizzone 7, und aufgrund des Wärmeaustrags aus der Schmelze 1 und der Gießform 2 in dem Bad 3, stellt sich in der Schmelze 1 in dem Bereich, wo die Gießform 2 die Deckschicht 4 durchquert, ebenfalls ein hoher Temperaturgradient ein. Durch einen solchen hohen Tem­ peraturgradienten wird ein gerichtetes Erstarren der Schmelze 1 zu einem Werkstück oder mehreren Werkstücken, insbesondere einer Turbinenschaufel 8 mit stengelkristallinem oder einkri­ stallinem Gefüge bewirkt.

Die Heizzone 7 befindet sich in einer Heizkammer 9, die auf einen Tiegel 10 aufgesetzt ist, welcher das Bad 3 enthält. Der Tiegel 10 ist von einem Kühlsystem 20 mit zumindest einem Kühlkanal 21 umgeben. Der Kühlkanal 21 ist durch eine doppel­ wandige Ausführung des Tiegels 10 gebildet, in dem zwischen einer Innenwand 23 und einer Außenwand 24 des Tiegels 10 eine Mehrzahl von Trennwänden 25 angeordnet sind, durch die ein Kühlkanal 21 oder mehrere Kühlkanäle 21 gebildet sind. Die Trennwände 25 können durch Metallträger mit L-förmigem oder T-förmigem Profil hergestellt sein, wobei zumindestens punk­ tuell an diese Trennwände 25 die Außenwand 24 befestigt, ins­ besondere verschweißt, ist. Es ist ebenfalls möglich, Kühlka­ näle 21 durch wärmetechnisch an den Tiegel 10 gekoppelte Rohre zu bilden. Der Kühlkanal 21 ist für eine Durchströmung mit einem anorganischen Wärmeaustauschmedium, insbesondere einem anorganischen Salz auf Basis eines Alkalihydrids, eines Alkalinitrits und/oder eines Alkalinitrats ausgeführt. Da solche Wärmeaustauschmedien 19 einen Schmelzpunkt von ober­ halb 130°C aufweisen, ist wärmetechnisch an den Kühlkanal 21 eine Heizeinrichtung 22, insbesondere in Form von elektrisch beheizbaren Matten, aufgebracht. Mit dem Wärmeaustauschmedium 19 wird vorzugsweise bei und/oder nach Eintauchen der Gieß­ form 2 in das Bad 3 Wärme dem Bad 3 entzogen, so daß die zweite Temperatur auch während des gerichteten Erstarrens der Schmelze 1 weitgehend konstant bleibt. Es ist ebenfalls mög­ lich, über das Wärmeaustauschmedium 19 eine Beheizung des Ba­ des 3 durchzuführen.

In das Innere der Heizkammer 9 ragt eine Fahreinrichtung 11, symbolisiert durch ein Haltegestell 11, mit der, bzw. mit dem die Gießform 2 verfahrbar und insbesondere aus der Heizzone 7 in das Bad 3 eintauchbar ist. Eine Abdichtung des Bades 3, und damit verbunden eine gewünschte Positionierung des Bades 3 und der Deckschicht 4 relativ zur Heizzone 7, wird erreicht mittels eines auf dem Bad 3 schwimmenden und die Deckschicht 4 umgrenzenden Ringes 12. Die ganze Vorrichtung ist umschlos­ sen von einem schematisch angedeuteten Schutzgefäß 13, insbe­ sondere zu dem Zweck, Sauerstoff, welcher das Bad 3 oder die Schmelze 1 oxidieren könnte, aus der Vorrichtung fernzuhal­ ten. Zu diesem Zweck kann das Schutzgefäß 13 evakuiert und/oder mit einem geeigneten Schutzgas, wie z. B. Argon, ge­ füllt sein.

Die Gießform 2 ruht auf einer Kühlplatte 14, die auch dann teilweise in das Bad 3 eintauchen soll, wenn die Gießform 2 selbst dies nicht tut. Dies dient dazu, den unteren Bereich der Gießform 2 gegebenenfalls bereits vor dem Eingießen der Schmelze 1 abzukühlen. Hierdurch ist für die gerichtete Er­ starrung der Schmelze 1 eine geeignete anfängliche Tempera­ turverteilung sichergestellt, welche durch langsames Eintau­ chen der Gießform 2 in das Bad 3 bewerkstelligt wird. Die Kühlplatte 14 kann gegebenenfalls entfallen. In der Heizzone 7 vertikal übereinander angeordnet sind mehrere Heizelemente 15, beispielsweise Widerstandsheizelemente, induktiv wirkende Suszeptoren oder dergleichen. Die Heizkammer 9 ist ausgeklei­ det mit einer Isolierauskleidung 16. Abgedeckt ist die Heiz­ kammer 9 mit einem Deckel 17, der einen entsprechenden Durch­ laß für das Haltegestell 11 aufweißt. Zwischen den Heizele­ menten 15 angeordnet sind Isolierringe 18, die es je nach Größe und Gestalt der Gießform 2 gegebenenfalls gestatten, eines oder mehrere der Heizelemente 15, beginnend von oben, unbenutzt zu lassen oder in der jeweils erzeugten Heizlei­ stung im Hinblick auf eine gewünschte Verteilung der Tempera­ tur anzupassen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß einerseits eine bessere Wärmeabfuhr auch bei höheren Temperaturen des Bades durch ein anorganisches Wärmeaustauschmedium, insbesondere eine Schmelze aus einem Salz beinhaltend ein Alkalihydroxid, ein Alkalinitrit und/oder ein Alkalinitrat, erreicht ist. Un­ abhängig oder zusätzlich davon ist ein Kühlmedium für die ge­ richtete Erstarrung der metallischen Schmelze vorgesehen, welches bevorzugtermaßen Boroxid ist. Durch seinen hohen Sie­ depunkt erlaubt das Boroxid die Durchführung einer gerichte­ ten Erstarrung bei einer hohen Temperatur von über 400°C, insbesondere über 500°C. Als alternatives Kühlmedium kann auch eine Schmelze aus einem anorganischen Salz, beispiels­ weise einem Alkalihydroxid oder einem Alkalinitrit und/oder einem Alkalinitrat mit entsprechend hohem Siedepunkt vorgese­ hen sein.

Claims (20)

1. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze (1) ei­ nes Metalls in einer Gießform (2), umfassend Bereitstellung der Schmelze (1) in der Gießform (2) auf einer ersten Tempe­ ratur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls und an­ schließendes Abkühlen der Schmelze (1) in der Gießform (2) durch Eintauchen der Gießform (2) in ein Bad (3) aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Tempera­ tur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regu­ lierung der zweiten Temperatur zwischen dem Kühlmedium und einem anorganischem Wärmeaustauschmedium (19) ein Wärmeaus­ tausch durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während und/oder nach dem Eintauchen der Gießform (2) in das Kühlmedium durch das Wärmeaustauschmedium (19) gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Wärmeaus­ tauschmedium (19) zumindest ein Salz aufweist, insbesondere ein Alkalihydroxid, wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, ein Alkalinitrit oder ein Alkalinitrat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmeaustauschmedium (19) einen Schmelzpunkt zwischen 100°C und 200°C, insbesondere zwischen 130°C und 170°C, auf­ weist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bad (3) von einer schwimmenden, fließfähigen Deckschicht (4) aus einem wärmeisolierenden Schüttgut (5, 6) bedeckt ist und die Gießform (2) mit der Schmelze (1) durch die Deck­ schicht (4) hindurch in das Bad (3) eingetaucht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Deckschicht (4) aus Festkörpern (5, 6), insbesondere keramischen Vollkugeln (6) und/oder keramischen Hohlkörpern (5), wie Hohlkugeln (5), aufgebaut wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Festkörper (5, 6) aus Aluminium-, Magnesium- oder Zirkonoxid bestehen mit einem jeweiligen Außendurchmesser zwischen 0,06 mm und 0,4 mm.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Deckschicht (4) unter einem Vakuum mit einem Restdruck von höchstens 10⁻³ mbar, vorzugsweise höchstens 10⁻⁴ mbar, gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Metall eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung, ins­ besondere eine Superlegierung, ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kühlmedium ein Metall, insbesondere Aluminium oder Zinn, ein anorganisches Salz mit zumindest einem Alka­ lihydroxid, einem Alkalinitrit oder einem Alkalnitrat oder Boroxid ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch gerichtetes Erstarren der Schmelze (1) eine Kompo­ nente (8) für eine Gasturbine, insbesondere eine Turbinen­ schaufel (8), erzeugt wird.

12. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze (1) eines Metalls in einer Gießform (2), umfassend Bereitstellung der Schmelze (1) in der Gießform (2) auf einer ersten Tempe­ ratur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls und an­ schließendes Abkühlen der Schmelze (1) in der Gießform (2) durch Eintauchen der Gießform (2) in ein Bad (3) aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Tempera­ tur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl­ medium eine Schmelze mit Boroxid verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Bad (3) von einer schwimmenden, fließfähigen Deckschicht (4) aus einem wärme­ isolierenden Schüttgut (5, 6) bedeckt ist und die Gießform (2) mit der Schmelze (1) durch die Deckschicht (4) hindurch in das Bad (3) eingetaucht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Schmelze auf der zweiten Temperatur zwischen 450°C und 750°C, ins­ besondere oberhalb 550°C, gehalten wird.

15. Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze (1) eines Metalls in einer Gießform (2), umfassend eine Heizkam­ mer (9), welche eine Heizzone (7) zur Warmhaltung der Schmelze (1) und der Gießform (2) auf eine erste Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls, einen unterhalb der Heizkammer (9) angeordneten Tiegel (10) mit einem Bad (3) aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Me­ talls liegt, sowie eine Fahreinrichtung (11) zur Bewegung der Gießform (2) aus der Heizzone (7) in das Bad (3), das Bad (3) bedeckt ist von einer schwimmenden, fließfähigen und von der Gießform (2) durchdringbaren Deckschicht (4) aus einem wärmeisolierenden Schüttgut (5, 6) dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (10) für einen Wärmeaustausch mit einem Kühlsystem (20) um­ fassend zumindest einen Kühlkanal (21) für eine Durchströmung mit einem anorganischen Wärmeaustauschmedium (19) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der einen schraubenför­ mig gewundenen Kühlkanal (13) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der der Tiegel (10) als doppelwandiger den Kühlkanal (21) aufweisender Be­ hälter ausgeführt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Deckschicht (4) bis an die Heizkammer (9) heranreicht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der die Deckschicht (4) eine Dicke zwischen 30 mm und 50 mm hat.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der für das Kühlsystem (20) eine Heizeinrichtung (22), insbeson­ dere umfassend eine elektrische Heizmatte, vorgesehen ist.