DE2010570A1

DE2010570A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von in einer bestimmten ,Richtung erstarrten Gegenständen

Info

Publication number: DE2010570A1
Application number: DE19702010570
Authority: DE
Inventors: Stephen Michael; Kear Bernard Henry; Madison; Hornbecker Merton Frederick Woodbury; Giamei Anthony Francis Miüaletown; Conn; Copley (V.St.A.). P B22d 27-00
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1970-09-24
Also published as: DE2010570B2; FR2041073B1; GB1264053A; JPS4815134B1; US3598169A; FR2041073A1; SE348960B; CA926737A

Description

UNITED AIRCRAFT CORPORATION meine Akte 640/70

East Hartford, Connecticut 06I08

U.S.A. '

Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von in einer bestimmten Richtung erstarrten, Gegenständen

Priorität; USA 8o7.637
Patentanmeldung vom 13. März 1969

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Giessen von in einer bestimmten Richtung erstarrten Gegenständen. Das Giessen von Gegenständen die in einer bestimmten Richtung erstarrt sind und eine bestimmte Orientierung des kristallinen Gefüges in Bezug auf die Längsachse des Gegenstandes aufweisen ist in dem USA Patent Nr. 3.26o.5o5 beschrieben. Beim Giessen von Gegenständen die einen grossen Durchmesser haben ist es erwünscht die Orientierung des dendritischen Gefüges zu überwachen um die Festigkeitseigenschaften zu regeln. Wenn diese Gegenstände einen grossen Durchmesser aufweisen ist es erwünscht die Erstarrung so zu überwachen dass die gewünschte Kristalline Orientierung durch die ganze Scheibe hindurch erfolgt um damit in der Scheibe die erwünschte Festigkeit oder andere Eigenschaften in der gewünschten Richtung zu erhalten.

Ein Merkmal der Erfindung betrifft eine Anordnung durch welche ein relativ flacher in einer Richtung erstarrter Gegenstand gegossen wird und in welchem das dendritische Wachstum 'die gewählte Orientierung aufweist. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen gegossenen Gegenstandes und die Herstellung eines gegossenen Gegenstandes der nach einer bestimmten Richtung hin erstarrt und eine wesentlich (100) Tangentialorientierung aufweist ist ein weiteres Merkmal der Erfindung.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung von Scheiben die sich besonders dazu eignen eine Last in einer radialen Richtung zu tragen, z.B. Turbinenscheiben in denen die dendritische Orientierung hauptsächlich eine (010) Tangentialorientierung hat, "

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sind besondere Merkmale der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen zum Teil schematischen vertikalen Querschnitteiner Vorrichtung gemäss der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen vertikalen Querschnitt einer Vorrichtung mit einer Querschnittansicht eines Teils der Figur 1 in abgeändeter Aus fuhrungs form.

Figur 3 ist eine schematische Darstellung der dendritischen Orientierung.

Figur 4 ist ein vertikaler Querschnitt einer Giessform zur Herstellung einer ganzen Turbinenscheibe mit Schaufel.

Figur 5 ist ein Teil des Querschnitts entlang der Linie 5-5 gemä*ss Figur 4.

Figur 6 zeigt eine abgeänderte Aus fifhrungs form der Vorrichtung gemäss Figur 1.

Figur 7 ist ein horizontaler Querschnitt der Ausfflhrungsform gemäss Figur 6.

Figur 8 ist ein vertikaler Querschnitt einer weiteren Ausfährungsform gemäss Figur b.

Figur 9 ist eine horizontale Teilansicht durch die Giessform gemäss Figur 8.

Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung begreift eine Kühlplatte 10 die eine Giessform 12 trägt welche eine relativ breite horizontale Dimension hat und zur Herstellung einer Scheibe Verwendung findet. Am unteren Ende der Giessform erstreckt sich eine axiale Verlängerung 14 die auf der Kühlplatte 10 ruht, und am oberen Ende erstreckt sich eine axiale Verlängerung 16 in welcher eine Öffnung zum Füllen der Giessform vorgesehen ist. Die Innenwand der Giessrform besteht aus zwei Teilen 12a und 12b. Man kann jedoch auch eine Giessform verwenden die aus einem einzigen Teil besteht. Die Giessform kann teilweise mit einer Isolierung 18 tür die Verlängerung 14 umgeben sein während der Teil in dem die Scheibe geformt wird mit einer isolierung 20 umgeben ist, deren Dicke zur.Mitte der Scheibe hin abnimmt. Ringförmige Heizspulen 22 und 24 sind

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über und unter der Giessform neben den axialen Verlängerungen angeordnet und weitere Heizspulen 26 und 28 sind über und unter der Glaseform zum umfang der Giessform hin angeordnet und liegen in konzentrischer Stellung inbezug auf die Heizspulen 22 und 24. Eine Heizspule 30 umgibt den Umfang der Giessform.

Um einen in einer bestimmten Richtung erstarrten Guss zu erhalten arbeitet man nach dem in dem oben genannten Patent beschriebenen Verfahren. Die Giessform befindet sich in einer geheizten Kammer in welcher die Temperatur der Giessform über den Schmelzpunkt der su giessenden Legierung hinaus erhöht wird. Wenn die geeignete Temperatur erreicht ist wird die Legierung welche mindestens bis zu lOO % über den Schmelzpunkt erhitzt wird durch die Giess-Offnung 32 in die Giessform eingefüllt, und ein Kühlmittel wird der Kühlplatte zugeführt um ein steiles Temperaturgefälle in der Giessform herzustellen. Dies veranlasst die Bildung von vertikal orientierten in einer bestimmten Richtung erstarrten Körnchen in der axialen Verlängerung 14, und diese Erstarrung erstreckt sich weiter nach oben.

Während dieses Vorganges wird der Giessform mittels der Heizspulen Hitze zugeführt um die Teile der Giessform welche von der axialen Verlängerung aus sich zum Umfang hin erstrecken und das darüber liegende Metall Ober ihrem Schmelzpunkt zu halten. Wenn sich die Erstarrung in den Teil erstreckt der direkt über dem axialen Teil 14 liegt setzt sich das Wachstum der Körnchen vertikal fort weil,durch die Kälteplatte Hitze abgeführt wird und die vertikalen Körnchen am Rande der Erstarrungszone anfangen sich radial nach auswärts zu bilden. Wenn die Erstarrung den Stand erreicht welcher duch die gestrichelte Linie 34 dargestellt ist tritt ein Temperaturgefälle in dem Scheibenteil der Giessform ein in dem die Tempera tür von der Mitte aus zum Umfang der Scheibe hin verringert wird. Die Energiezufuhr zu den Heizspulen 22 und 24 wird zuerst verringert, dann die Energiezufuhr zu den Heizspulen 26 und 28, und schliessiich diejenige zur Heizspule 30. Das so erzielte radiale Temperaturgefälle verursacht ein radiales Anwachsen der Dendriten in den vertikalen Säulenkörnchen der Rand-

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zone von dem axialen Teil 14 aus nach oben, und der radiale Wettbewerb der verschiedenartigen Orientierung der Dendriten in den verschiedenen Körnchen verursacht ein schnelles Anwachsen der radial orientierten Körnchen, wodurch wesentlich radial angeordnete Dendriten in der ganzen Scheibe gebildet werden. Das radiale Temperaturgefälle erzeugt das radiale Anwachsen in der Scheibe in derselben Weise wie das schnellere Anwachsen der vertikal orientierten Körnchen zu den anderen Körnchen in dem axialen Teil 14 verursacht wird. Dieser Vorgang wird in dem obengenannten Patent beschrieben. Ein derartiges Anwachsen der Körnchen erzeugt eine (10) radiale Orientierung und eine (100) Tangentialorientierung.

Eine ähnliche Vorrichtung kann benutzt werden wenn man eine verbesserte Form der Orientierung erreichen will, wie in Figur 2 gezeigt ist begreift der Teil 14* der Giessform 12·, welcher sich längs der Achse erstreckt und anders angeordnet ist als in Figur 1 gezeigt ist, einen Keim 36 welcher auf der Kühlplatte aufliegt. Dieser Keim besteht aus Keilen 38 wovon jeder für den Teil der Scheibe welcher nach aussen hin verläuft die gewünschte Orientierung hat. Der gleiche schon oben beschriebene Vorgang findet jetzt statt. Wenn die geschmolzene Legierung in die Giessform ein· gefüllt wird bewirken die Keile ein vertikales dendritisches Wachstum, und jeder Keil besorgt die gewünschte horizontale Orientierung des anliegenden Teils der gegossenen Scheibe.

Die so erzielte Orientierung ist in Figur 3 gezeigt in welcher der Keim 36 aus Keimen besteht, so zum Beispiel aus acht Keilen, wovon jeder einen Winkel von 45 begreift und wovon jeder die angegebene Orientierung hat. Man erhält auf diese Weise eine Scheibe aus untereinander wirkenden dendritischen Gebilden die ungefähr eine (OlO) radiale und eine (loo) tangentiaIe Orientierung erzeugen. Die Anwendung einer grösseren Anzahl Keilen erzeugt eine genauer radiale Körnerverteilun^ in der Scheibe. Es ist klar dass das geregelte radiale Temperaturgefälle welches durch die Vorrichtung der Figur 1 entsteht ein geregeltes Anwachsen der Körner durch die ganze Scheibe hindurch bis zu deren Rand hin gestattet.

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In den Figuren 4 und 5 ist eine Vorrichtung dargestellt die sich für einen Guss dieser Art besonders eignen könnte. Diese Figuren zeigen eine Giessform 40 die eine scheibenartige Kammer 42 umgibt und einen sich nach unten erstreckenden axialen Vorsprung 44 begreift welcher dem Teil 14 der Figur 1 entspricht. Blätter-oder schaufeiförmige Verlängerungen 46 erstrecken sich vom Umfang der Giessform 40 nach aussen und bilden blätterförmige Kammern 48 die mit der.in Figur 5 gezeigten Scheibenkammer in Verbindung stehen. Bei Anwendung des oberjbeschriebenen Verfahrens und der obenerwähnten Vorrichtung zur Kontrolle der Wärme nach Figur 1 kann die Scheibe mit ihren Schaufeln für eine Turbinenscheibe in einem einzigen Gussteil hergestellt werden, mit der vorgezogenen Qientierung des Körnerwachstums in der Scheibe und mit der gewünschten (OlO) radialen orientierung in den Schaufeln um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erhalten. In dieser Vorrichtung würde man die nötige Zahl von Keilen verwenden um ein genaues radiales Anwachsen der Körner in den Schaufeln zu gewährleisten. So kann zum Beispiel der Keim einen Keil für je 2 Schaufeln enthalten, und die Orientierung der verschiedenen Keile wird vorsichtig gewählt um ein genaues radiales Wachstum der Körner zu gewährIeistaa.

Eine weitere abgeänderte Konstruktion ist in den Figuren 6 und 7 gezeigt, in welchen die Giessform aus einzelnen Giessformteilen 50 besteht die sich von einer zentralen Giesskammer 52 radial nach aussen erstrecken. Diese Giesskammer 52 umgibt eine vertikale zylinder förmige Kälteplatte 54. Diese Kälteplatte 54 ist von Keimabschnitten 56 umgeben, je einer für jeden Glessformteil 50, und diese Abschnitte bedingen die Richtung des Körnerwachstums in jeder Giessform. Das Körnerwachstum geschieht in radialer Richtung nach aussen in jeder Giessform 50 und in dem angeschlossenen Verbindungsstück 58, und das Hitzegefälle in radialer Richtung wird von der Kälteplatte und durch die Heizungsvorrichtungen nach Fifur 1 geregelt. Dieses geregelte Hitzegefälle welches in einer bestimmten Richtung erstarrte Legierungen in jedem Giessformteil 50 liefert in Vielehen die Richtung der Körner sich radial in jedem gegossenen Gegenstand erstreckt, ist in dem obengenannten USA Patent genau beschrieben. Die gegossenen Gegenstände sind als

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Turbinenschaufeln dargestellt und werden aus einer in dem oben genannten USA Patent beschriebenen hochschmelzenden Legierung gegossen.

Ein weiteres Verfahren um Scheiben nach der Erfindung zu giessen* entweder mit oder ohne Schaufein als ein Ganzes, ist in Figur 8 gezeigt, in welcher die Giessform 60 sine ringförmige Scheibenkammer 52 aufweist und eine zentrale, vertikale, zylinderförmige Kühlplatte 64 umgibt. Der Umfang der Giessform kann Einschnitte 66 aufweisen um die einseinen Schaufeln am Umfang der Scheibe zu bilden wenn es erwünscht ist als gegossenen Gegenstand eine Turbinenscheibe mit Schaureiß zu erhalten* Ein Ring 68 aus einzelnen Keimabschnitten 70 von denen jeder aus in bestimmter Richtung erstarrtem Material mit geeignet orientierten Körnern besteht umgibt die Kühlplatte auf der Höhe dsr Scheibe um die Orientierung des Körnerwachstums in der Scheibe in einer bestimmten Richtung zu regeln. Selbstverständlich werden auch hier ringförmige Heizspulen wie in Figur 1 verwendet um das gewünschte radiale Hitzegefälle zu erhalten. Durch Vervrendung einer geeigneten Zahl von Keimabschnitten kann das genaue radiale Körnerwachstum durch die ganze Scheibe hindurch bis in die einzelnen Schaufeln hinein erreicht werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Giessen von wesentlich flachen Gegenständen welche eine gewünscht· Orientierung der Körner aufweisen und eine Giessform begreift die eine Giesskaarc-ner enthält welche dem zu giessenden Gegenstand entspricht und auf einer Kühlplatte ruht, dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung nach unten gerichtete Verlängerung aufweist welche zur Kühlplatte hin geöffnet ist, und eine Anzahl von Heizkörpern an der Giessform liegen welche sich stufenweise von der nach unten gerichteten Verlängerung aus bis zum Rand der Giessform erstrecken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dassdie Gieeskammer eine Anzahl von radial verlaufenden, den zu giessenden Gegenstand bildende Kammern begrenzt, die alle mit einer zentralen Kammer verbunden sind welche mit der Kühlplatte in Kontakt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet dass die Kammer scheibenförmig ist und die Verlängerung zentral zur Kammer liegt.

4. Vorrichtung nach den Ansprächen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet dass die Heizkörper aus konzentrischen Ringen bestehen und von der Verlängerung bis zum Umfang der Giessform angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet dass .die Giessform von einer Isolierung umgeben ist die sich von der Verlängerung bis zum Umfang erstreckt und deren Dicke van Aussenrand zur Verlängerung hin allmählich abnimmt«

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet dass ein wahlweise oder in mehrere Richtungen orientierter Keim auf der Kühlplatte liegt und sich im Bereich der Verlängerung befindet.

7. Verfahren zum Giessen von Scheiben und ähnlichen Gegenständen bei Verwendung der Giessform nach Anspruch 1 mit einer Giesskammer für die zu giessenden Gegenstände und einer nach unten gerichteten Verlängerung, dadurch gekennzeichnet dass eine Kühlplatte vorgeshen ist auf welcher die Verlängerung aufliegt, die GiessformflBer den Schmelzpunkt der Legierung erhitzt wird, die

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Legierung in die Giessform eingefüllt wird/ die Kühlplatte abgekühlt wird um Wärme aus der Legierung abzuführen, und ein laterales Hitzegefä'lle von der nach unten gerichteten Verlängerung der Giessform zum seitlich entferntesten Punkt der Giessform gebildet wird.

den

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7 unter Verwendung einer ringförmigen Giessform in v/elcher die Verlängerung zentral zu der Ringform angeordnet ist dadurch gekennzeichnet dass durch das laterale Temperaturgefälle ein radiales Temperaturgefälle gebildet wird welches sich von der Verlängerung bis zum Umfang der Ringform erstreckt.

den

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7 dadurch gekennzeichnet dass

vor dem Einfüllen der Legierung ein geeignet orientierter Keim in die Verlängerung eingeführt wird und dass die Orientierung der Körner des Keimes in der gewünschten Orientierung für die erstarrte Legierung in dem gegossenen Gegenstand liegt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 8 dadurch gekennzeichnet dass ein Keim verwendet wird welcher aus Keilen besteht von denen jeder radial orientierte Körner enthält um einen Ring zu bilden in welchem die Körner wesentlich alle radial orientiert sind.

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Le e rs e i te