DE2053062A1 - Method and device for the manufacture of castings solidified in one direction - Google Patents
Method and device for the manufacture of castings solidified in one directionInfo
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Description
United Aircraft CorporationUnited Aircraft Corporation
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U.S.A.UNITED STATES.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung in einer Richtung erstarrter Gussteile.Method and device for the production of cast parts solidified in one direction.
Priorität : U.S.A. Nr. 872.562 i Priority: USA No. 872,562 i
Patentanmeldung vom : 30 Oktober 1969Patent application dated: October 30, 1969
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung in einer Richtung erstarrter Gussteile, welche durch umgekehrte Erstarrung hergestellt werden. Dir Vorrichtung oder Gießform begreift im oberen Teil eine Kühlplatte und der Temperaturgradient wird so überwacht, dass das Erstarren von oben nach unten längs der Giessform erfolgt.The invention relates to a device for producing cast parts solidified in one direction, which by reversed Solidification are produced. The device or mold includes a cooling plate and the in the upper part The temperature gradient is monitored in such a way that the solidification takes place from top to bottom along the casting mold.
In einer Richtung erstarrte Gussstücke von säulenförmiger Ausbildung nach der Beschreibung im U.S. Patent von Ver-Snyder Nr. 3,260,505, werden im allgemeinen hergestellt ^Unidirectional solidified columnar castings as described in U.S. Pat. Ver-Snyder patent No. 3,260,505, are generally manufactured ^
durch Giessen in einer Form welche auf einer Kühlplatte ruht unter Ueberwachung des Warmegradients um eine nach aufwärts gerichtete Bewegung des flüssig-harten Zwischenteil» von. der Kühlplatte zum oberen Ende der Öiessform zu bewirken. Solche Gusstücke sind im allgemeinen zufriedenstellend obwohl manchmal eine Inversion der Dichte während dem Erstarren erfolgt, die Unvollkommenheiten im Innern oder auf der Oberfläche der Gusstücke mit sich bringt.by casting in a mold which rests on a cooling plate while monitoring the thermal gradient upwards by one directed movement of the fluid-hard intermediate part »of. to effect the cooling plate to the upper end of the Öiessform. Such castings are generally satisfactory, although sometimes inversion of density during solidification occurs, which brings imperfections inside or on the surface of the castings.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet dass das Erstarren der Legierungen in der Guesform sich in einer Hichtung entwickeln, um Unvollkommenheiten zu verhindern, die durch die-The invention is characterized in that the solidification of the alloys in the Guesform develop in a hardening to prevent imperfections caused by the-
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se Inversion verursacht worden sind. Ein anderes Kennzeichen ist die Gussform, welche das gerichtete Erstarren von Legierungen von oben nach unten ermöglicht, mit einem überwachten Wärmegradient zur Herstellung der gewünschten Kristallstruktur, und / oder des Kernwachstums.se inversion have been caused. Another characteristic is the mold that enables the directional solidification of alloys from top to bottom, with a monitored thermal gradient to produce the desired crystal structure and / or core growth.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellt dar :The invention will now be described in more detail using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings explained. In the drawings shows:
Figur 1 einen senkrechten Querschnitt durch einen Gussformbau. Figure 1 shows a vertical cross section through a mold construction.
Figur 2 einen waagerechten Querschnitt längs der Linie 2-2 der Figur 1.FIG. 2 shows a horizontal cross section along the line 2-2 of Figure 1.
Figur 3 eine Teilansicht einer Abänderungsform.Figure 3 is a partial view of a modification.
Die Giessfrom enthält eine zentrale, senkrechte Zubringerröhre, 10, die am unteren Ende seitliche Träger 12 begreift die mit Durchgängen 14 versehen sind. An dem äusseren Ende der Träger befinden sich senkrechte Formelemente 16, die eich in einem bestimmten Abstand parallel der Zubringerröhre erstrecken, und im Innern einen Hohlraum 18 haben, in dem der Gegenstand geformt wird. Dieser Hohlraum hat die Form einer Turbinenschaufel, mit einem Flügelteil 20, einem Kopfringteil 22 am unteren Ende, und einem Vurzelteil 24 am oberen Ende. Der Kopfringteil steht durch einen senkrechten Durchgang 30 mit dem waagerechten Durchgang 14 in Verbindung. Der Vupzelteil des Hohlräume 18 ist durch einen schraubenförmigen Kristallauswahldurchgang 32 mit einem VachstumsHohlraum verbunden. Die Kühlplatte 36 der Giessform ist am oberen Ende des Hohlraumes 34 befestigt, und an dieser Stelle hat die Form eine Anechlueeflache 38, ·η der die Kühlplatte befestigt ist.The Giessfrom contains a central, vertical feed pipe, 10, which grasps lateral supports 12 at the lower end, which are provided with passages 14. At the far end the carrier are vertical shaped elements 16, which are parallel to the feeder tube at a certain distance extend, and have inside a cavity 18 in which the article is molded. This cavity has the shape of a Turbine blade, with a wing part 20, a head ring part 22 at the lower end, and a root part 24 at the upper end End. The head ring part stands by a vertical one Passage 30 with the horizontal passage 14 in connection. The Vupzelteil the cavities 18 is by a helical Crystal selection passage 32 with a growth cavity tied together. The cooling plate 36 of the mold is at the top End of the cavity 34 attached, and at this point has the shape of an anechlue surface 38, · η of the cooling plate is attached.
Gemäse Figur 2 besteht die Giessform meistens aus einer grossen Anzahl von senkrechten Formelementen 16, damit eint gros-According to Figure 2, the mold usually consists of a large one Number of vertical shaped elements 16, so that one large
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se Anzahl von Gegenständen gleichzeitig gegossen werden kann. Die Giessform kann auf einer Mehrzahl von Fusstützen 40 ruhen. Sie ist gemäss der gebräuchlichen Giessformtechnik hergestellt, nach der ein Modell aus Wachs oder einem anderen Material verwendet wird über das aufeinanderfolgende Schichten von Formmaterial gelegt und getrocknet werden, während die fertigen Gusstücke gehärtet werden und das Gussmodell geschmolzen wird.This number of objects can be cast at the same time. The casting mold can be placed on a plurality of foot supports 40 rest. It is made according to the customary casting mold technique, according to which a model made of wax or Another material used is placed over the successive layers of molding material and dried while the finished castings are hardened and the cast pattern is melted.
Sobald die Form zur Verwendung fertig ist, wird sie auf eine Stützplatte 42 gestellt, welche auf einer Schicht aus hitze-isolierendem pulverfÖrmigen Material, z.B. auf Aluminiumoxyd liegt.Once the mold is ready for use, it is placed on a support plate 42 which is on a layer of heat-insulating powdery material, e.g. on aluminum oxide lies.
Die Form ist von einem Suspector 46 umgeben, welcher seiner- " seits durch senkrecht angeordnete Wärmeinduktionsspulen 48 und 49 umgeben ist, die wahlweise zur Kontrolle der Giessformtemperatur unter Strom gesetzt werden. Der Suspector und die Heizkörper erstrecken sich von einem Punkt der zumindest über der Kühlplatte liegt, zu einem Punkt der tief unter dem Kopfringteil liegt, um eine genaue Ueberwachung des Wärmegradients von der Kühlplatte -bis zum unteren Ende des senkrechten Durchganges 30 zu erzielen. The mold is surrounded by a suspector 46, which its- " on the other hand is surrounded by vertically arranged heat induction coils 48 and 49, which can be used to control the Mold temperature are energized. The suspector and radiators extend from one point which is at least above the cooling plate, to a point which is deep below the head ring part, to an exact Monitoring of the thermal gradient from the cooling plate -to to achieve the lower end of the vertical passage 30.
Die mittlere Röhre ist von einer Heizspule 50 umgeben, vorzugsweise einer Widerstandspule, welche von den umgebenden den Gegenstand formenden Teilen der Giessform durch ^ eine zylinderförmige Schutzvorrichtung 52 abgeschirmt ist. Ein Graphitschieber 53 kann wie gezeigt, im Innern der Spule angebracht werden. Letztere, sowie die Schutzvorrichtung 52, können auf den seitlichen Stützen 12 ruhen, und die Spule kann, wie gezeigt, dieser Schutzvorrichtung einverleibt werden. Ein Fülltrichter 54 ist am oberen Ende der Röhre angebracht und leitet die geschmolzene Legierung in den senkrechten, durch die Röhre abgegrenzten Durchgang. Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise in einem Vakuumraum errichtet, sodass das Giessverfahren unterThe middle tube is surrounded by a heating coil 50, preferably a resistance coil, which is formed by the surrounding parts of the casting mold forming the object through ^ a cylindrical protective device 52 is shielded. A graphite slide 53 can be mounted inside the spool as shown. The latter, as well as the protective device 52, can rest on the side supports 12, and the spool can, as shown, this protective device be incorporated. A hopper 54 is at the top attached to the tube and directs the molten alloy into the vertical passage defined by the tube. The entire device is preferably set up in a vacuum space, so that the casting process under
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Vakuum und in einer trägen Atmosphäre vor sich gehen kann.- 4 -
Vacuum and in an inert atmosphere.
Man verwendet diese Vorrichtung z.B. zur Herstellung von Teilen wie Turbinenschaufeln oder-flügeln, die im Betrieb einer hohen Temperatur ausgesetzt sind und unter grosser Beanspruchung arbeiten, und demgemäss aus den sogenannten Superlegierungen, wie sie in dem U.S Patent von VerSnyder beschrieben sind, gegossen werden. Der den Gegenstand formende Teil der Giessform und die daran angrenzenden Teile werden auf eine über der Schmelztemperatur der Legierung liegende Temperatur gebracht, und die zentrale Röhre wird auf dieselbe Temperatur geheizt. Ein Wasserstrahl fliesst dauernd durch die Kühlplatte, um zu verhindern dass sie während diesem Erhitzungsverfahren schmilzt. Sobald die Temperaturen stabilisiert sind wird die geschmolzene, etwas überhitzte Legierung in den Fülltrichter gegossen, um die Giessform total aufzufüllen. Eine zweckmässige Oeffnung 56 in der Kühlplatte erlaubt das Entweichen der im Innern der Giessform eingefangenen Gase um eine komplette Füllung zu ermöglichen.This device is used, for example, to manufacture parts such as turbine blades or vanes that are in operation are exposed to a high temperature and work under great stress, and accordingly from the so-called Superalloys as described in the United States patent to VerSnyder are described are cast. The part of the mold that forms the object and the parts adjacent to it Parts are brought to a temperature above the melting temperature of the alloy, and the central The tube is heated to the same temperature. A jet of water flows continuously through the cooling plate to prevent that it melts during this heating process. As soon as the temperatures are stabilized, the molten, slightly overheated alloy poured into the filling funnel to completely fill the mold. A useful one Opening 56 in the cooling plate allows the escape of the Gases trapped inside the mold to allow complete filling.
Wenn die Giessform angefüllt ist, beginnt das Erstarren der Legierung an der wassergekühlten Kupferkühlplatte. Bis zu diesem Augenblick sind die beiden Induktionsheizspulen 48 und 49 gespeist worden, aber in dem Masse wie die Giessform sich anfüllt, wird die obere Spule 49 ausgeschaltet, damit die Abkühlung der Giessform von oben nach unten beginnt. Das Entweichen der Hitze zur Kühlplatte hin bewirkt das senkrecht verlaufende Wachstum der säulenförmigen Legierungskörner abwärts zum Wachstumshohlraum 54 und in den schraubenförmigen Durchgang 32, wo ein einziger Kristall abgesondert wird, um das weitere Wachstum dieses Kristalls zu dem den Gegenstand formenden Hohlraum hin abwärts fort zu setzten und somit ein Einkristallgegenetand hergestellt; ■wird.When the mold is filled, the alloy begins to solidify on the water-cooled copper cooling plate. Up to At this moment the two induction heating coils 48 and 49 have been fed, but to the same extent as the casting mold fills up, the upper coil 49 is switched off, so that the cooling of the mold begins from top to bottom. This causes the heat to escape towards the cooling plate the perpendicular growth of the columnar alloy grains down to the growth cavity 54 and into the helical passage 32 where a single crystal is secreted to allow further growth of that crystal proceeding downwardly toward the article-forming cavity, thus producing a single crystal article; ■ will.
Die Aufrechterhaltung der von der Widerstandspule ausge-The maintenance of the resistance coil
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henden Hitze rundum die zentrale Röhre hält die Legierung in dieser Röhre geschmolzen, und die von der Induktionsspule 48 stammende Hitze hält die Legierung in den waagerechten Durchgängen geschmolzen, sodass das Metall in der zentralen Röhre einen positiven hydrostatischen Druck auf die flüssig-harten Teile aufrecht erhält, wo die Legierung abwärts zu dem Gegenstandhohlraum hin erstarrt.The heat remaining around the central tube keeps the alloy in that tube melted, and that of the induction coil 48 generated heat keeps the alloy in the horizontal passages melted so that the metal in the central tube maintains a positive hydrostatic pressure on the liquid-hard parts where the alloy is made solidified downward toward the article cavity.
Dieser hydrostatische Druck wächst in dem Masse wie der flüssig harte Zwischenteil sich nach unten verlagert, und somit wächst der Druck auf den weichen Bereich am unterenThis hydrostatic pressure increases to the extent that the hard liquid intermediate part moves downwards, and thus the pressure on the soft area at the bottom increases
Ende des Gegenstandhohlraumes an. ä End of the object cavity. Ä
Während der flüssig-harte Teil sich im Verlaufe des Giessverfahrens nach unten verlagert, wird der Strom in dem unteren Heizkörper 48 gemäss einer programmierten Erstarrungsgeschwindigkeit herabgesetzt, welche durch den Erstarrungsgrad bedingt ist, und wird dann ausgeschaltet um das komplette Erstarren zu ermöglichen. Ist die nach unten verlaufende Erstarrung in dem den Gegenstand formenden Teil vollständig abgeschlossen wird der zentrale Heizkörper nicht mehr mit Strom versorgt, damit die Legierung erstarren kann.While the liquid-hard part changes in the course of the casting process shifted downwards, the current in the lower heating element 48 is reduced according to a programmed solidification rate, which is determined by the degree of solidification, and is then switched off completely Allow solidification. Is the downward solidification in the part forming the object When completely closed, the central heating element is no longer supplied with electricity, so that the alloy solidifies can.
Es hat sich herausgestellt dass bei dem üblichen Formungs- λ verfahren von gerichtet erstarrten Gegenständen von unten nach oben flüssige Strahlen der Legierung auftreten, welche innerhalb des weichen Bereiches aufwärts fliessen und von einer durch die Inversion de» Dichte in diesem Bereich hervorgerufene Instabilität herstammen. Diese Strahlen beeinträchtigen das zweckmässige Erstarren der Legierung innerhalb des weichen Bereiches. Daraus können sich lokale Bereiche abgesonderter Streifen ergeben, die reich an abgestossenen gelösten Stoffen sind, und die auf der Oberfläche des Gusstücks als Flecken bezeichnet werden. Diese Streifen enthalten oft kleine zufallsorientierte Körner, und sind ein Fehler durch welchen das Gusstück als unannehmbar ver#or- It has been found that λ procedure in the conventional molding occur directionally solidified articles from bottom to top liquid jets of the alloy, which flow within the soft portion upward and originate from one caused by the inversion de »density in this area instability. These rays impair the appropriate solidification of the alloy within the soft area. Hence, local regions can secreted strip result, rich in dissolved substances are abge discharged, and which are referred to on the surface of the casting as spots. These streaks often contain small, randomly oriented grains, and are a defect by which the casting is classified as unacceptable.
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fen werden kann. Solche Flecken oder Streifen würden mit der in umgekehrter Sichtung erfolgenden oben erwähnten Erstarrung ausgeschlossen werden da das Dichteprofil des weichen Bereiches in Beziehung zum Schwerefeld stabil sein wird.can be opened. Such spots or streaks would be with the above-mentioned solidification taking place in reverse viewing can be excluded since the density profile of the soft area will be stable in relation to the gravitational field.
In Bezug auf Figur 3 kann die Giessform zur Herstellung von Gegenständen mit einem säulenförmigen Körneraufbau verwendet werden, wie sie im VerSnyder Patent beschrieben sind. Um dies zu erreichen, muss der Wachstumshohlraum 34 unmittelbar mit dem Wurzelteil 24 in Verbindung stehen, sodass das säulenförmige Wachstum, das an der Kühlplatte 36 beginnt, und parallel wird, eenkrecht orientierte säulenförmige Körner in dem Wachstumsbereich abwärts durch den Gegenstand formenden Teil verbreitet. Das Giessen von Gegenständen durch das in umgekehrter Richtung stattfindende Erstarrungsverfahren, wird zur Herstellung guter Gegenstände mit einem säulenförmigen Körneraufbau wie z.B. Turbinenschaufeln oder -flügel, verwendet,'welche in den Turbinenstufen höchster Temperatur des Motors Anwendung finden.With reference to Figure 3, the mold can be used to manufacture articles having a columnar grain structure as described in the VerSnyder patent. To accomplish this, the growth cavity 34 must communicate directly with the root portion 24 so that the columnar growth that begins at the cooling plate 36 and becomes parallel will propagate perpendicularly oriented columnar grains in the growth area down through the article forming portion. The casting of objects by the reverse solidification process is used to produce good objects with a columnar grain structure such as turbine blades or vanes, which are used in the turbine stages of the highest temperature of the engine.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2853162A1 (en) * | 1978-12-08 | 1980-06-26 | Vasilij Alekseevits Tschumakov | Castings with directional solidification - where empty moulds are heated to above m.pt. of metal to be cast, then filled and cooled from their bases |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA930929A (en) | 1973-07-31 |
| AU2084870A (en) | 1972-04-13 |
| FR2100590A1 (en) | 1972-03-24 |
| US3598172A (en) | 1971-08-10 |
| GB1270630A (en) | 1972-04-12 |
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