DE2011254A1 - Gußteil aus einem Kristall, welches sich in zwei Richtungen erstreckt - Google Patents

Description

1912-5.4

UUITED AIRCRAFT CORPORATION

East Hartford, Connecticut 06I0S

U.S.A. V ,

GUSSTEIL AUS EINEM KRISTALL WELCHES SICH IN. ZWEI RICHTUNGEN

ERSTRECKT.

Priorität: USA 8o6.874
Patentanmeldung vom 13. März 1969

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Einkristall gussteilen in welchen die Orientierung oder Ausrichtung des Kristalls das dendritische Anwachsen, wahlweise nach zwei Rieh- * tungen hin rechtwinklig zueinander orientiert ist.

Die Erfindung begreift eine Vorrichtung in Welcher das dendritische Anwachsen und dadurch die Festigkeitseigenschaften in einer bestimmten Beziehung zum Gussteil in jeder von zwei Richtungen wahlweise orientiert wird, also sowohl in der senkrechten als auch in der waagerechten Richtung inbezug auf den zu giessenden Gussteil. Desweiteren begreift die Erfindung ein Verfahren durch welches diese besondere Ausrichtung des Kristalls erzielt wird. Die (100) Orientierung kann wahlweise inbezug auf die verschiedenen Achsen des gegossenen Gegenstandes eingestellt werden. Die Erfindung erlaubt eine wirksame Ueberwächung der besonderen Ausrichtung des dendritischen Wachstums.

In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel einer Gussform gemäss der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen;

Fig. 1 einen senkrechten Querschnitt durch eine Gussform gema'ss der Erfindung. _f

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt durch eine inbezug auf die Gussform der Fig. 1 abgeänderte Gussform.

Fig. 3 ist eine stark vergrösserte schematische Ansicht in senkrechtem Querschnitt eines dendritischen Wachstums.

Fig. 4 zeigt eine stark vergrösserte schematische Ansicht in waagerechtem Querschnitt eines waagerechten dendritischen Wachstums. «

Das nach zwei Richtungen hin ausgerichtete Gussteil wird in einer Giessform Io hergestellt welche einen dem Gegenstand gestaltenden Teil 12 begreift, in diesem Fall ein Formteil v/elcher eine Turbinenschaufel gestaltet, einen Eingiessteil 14 am oberen Ende, eine Verengung 16 zur Gestaltung des Einkristalls und die sich kreuzenden säulenartigen Wachstumsteile 18 und 2o beziehungsweise für das horizontale und senkrechte sä'ulenartige Vachstum. Das Ende der Teile 18 und 2o welches am entferntesten von der Verengung 16 liegt wird von den Kühlplatten 22 und 24 geöffnet, beziehungsweise geschlossen. Die Giessform ist in einem Behälter 26 eingeschlossen. Der Raum zwischen der Giessform und dem Behälter ist vorzugsweise mit einem feuerfesten Stützmaterial 28, z.B. Al-03, ausgefüllt. Die Giessform ist eine bekannte Schalengiessform welche hergestellt wird indem eine Anzahl von aufeinander folgenden Schichten eines geeigneten Formmaterials um ein nur einmal verwandtes Modell gebildet wird. Das Modell wird entfernt wenn die Giessform zum Zweck des Erhärtens erhitzt v/ird.

Die Giessform kann während dem Giessverfahren in solcher Weise erhitzt werden dass ein Temperaturgefälle zwischen der Kühlplatte und dem oberen Ende der Giessform hergestellt wird, und die Erhitzung wird so durchgeführt dass die Giessformtemperatür allmählich herabgesetzt werden kann je weiter die Erhärtung fort schreitet, von der Kühlplatte aus durch die Verengung hindurch und von dort senkrecht durch den Rest der Giessform hindurch, währenddem die Temperatur so überwacht wird dass eine wesentlich waagerechte feste flüssige Grenzfläche von der Kreuzung der zwei säulenartigen Anwachsteile aus erhalten bleibt.

Die Erhitzung kann durch Induktionshei zspulen oder andere geeignete Heizmittel durchgeführt werden. In der Zeichnung sind mehrere Heizkörper 3o, 32, 34 gezeigt welche beziehungsweise den oberen Teil, den Formteil undfäie das säulenartige Wachstum hervorrufenden Teile der Giessform umgeben. Jedes Heizelement wird unabhängig überwacht so dass die Hitzezufuhr und die Giessform allmählich von oben bis unten inbezug auf Q^a Erhärtungsfortschritt der Legierung in der Giessform verringert werden kann.

Vor dem Eingiessen der Legierung wird die Giessform erhitzt bis

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sie über der Schmelztemperatur der Legierung liegt. Daraufhin wird Wasser durch die Kühlplatte befördert und die Legierung, welche mindestens loo über den Schmelzpunkt erhitzt ist, wird eingegossen um die Giessform zu füllen. Die Einwirkung der Kühlplatten und das dadurch entstandene Temperaturgefälle in der Giessform hat den Zweck die Bildung eines säulenartigen kristallinen Wachstums zu bewirken welches senkrecht zu den beiden Kühlplatten liegt, wie es in denTU.S.A. Patent 3.26o.5o5 ausführlich beschrieben ist. Wenn eine passende Ueberhitzung der Legierung eingetreten ist und die Giessform auf geeignete Weise erhitzt ist wird eine Kristallkernbildung an den Seitenwänden der Giessform verhindert so dass die karakterischtische (001) Wachstumsausrichtung in jedem Wachsturnsteil IS und 2q der Form erzeugt wird. Indem einer der zwei Wachstumsteile kurzer gewählt wird als der andere werden die Körner oder Dendriten in dem kürzeren Teil den Kreuzungspunkt zuerst erreichen und das säulenartige Wachsturn des längeren Teils über den Kreuzungspunkt hin verhindern.

Von der Kreuzung aus, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wachsen die Körner der kürzeren senkrechten Säule seitwärts zur Verengung in einer senkrechten Richtung zu ihrer ursprünglichen Anwachsrichtung. Da beide Kühlplatten Hitze aus der erhärtenden Legierung abführen wird das Temperaturgefälle in diesem Teil steiler und ein schnelleres Anwachsen der Dendriten in einem rechten Winkel zu beiden Teilen findet statt bis die weniger vorteilhaft orientierten Körner beseitigt sind und das dendritische Wachstum bein Erreichen der Verengung vollständig in zwei sich kreuzenden Ebenen im rechten Winkel zu den beiden Kühlplatten orientiert ist. Die Verengung dient dann dazu einen einzigen Kristall zum Anwachsen in dem Formteil der Giessform auszuwählen.

Die Verengung 16 muss natürlich so angeordnet sein dass nur ein säulenartiges Anwachsen in den waagerechten Teil 16a hinein erfolgt. Dieser Teil ist kleiner in seinen Abmessungen sowohl senkrecht als auch waagerecht als der waagerechte Wachsturnsteil 18 welcher daran anschliesst, und nur v/enige Körner wachsen durch diesen Teil 16 und von diesen wenigen Körner ist die dendritische Ausrichtung senkrecht zu den beiden Kuhlplatten, sie ist somit in zwei Richtungen orientiert.

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Von dem waagerechten Teil 16a verläuft das Körnerwachstum senkrecht durch den Teil 16b der Verengung und nur ein oder zwei Körner bestehen und wachsen senkrecht in diesem Teil. Der obere Seitenteil 16c erhält nur ein Korn aus dem senkrechten Teil und dieser eine Korn wächst durch diesen Teil hindurch und in und durch den Schaufel (Gegenstand) teil der Giessform, noch immer in der Form eines einzigen Kristalls und noch immer mit der gleichen Ausrichtung v/ie in dem Teil 16a. Die Körner oder Dendriten haben also die karakteristische (001) Ausrichtung der Körner welche an der waagerechten Kühlplatte anliegen und das dendritische Wachstum ist noch immer im rechten Winkel zu den beiden F.ühlplatten. Auf diese Weise hat die Schaufel nach Erhärtung die erwünschte senkrechte (001) Ausrichtung und das waagerechte Wachstum wird sich in zwei Bbenen erstrecken, eine im rechten Winkel zu der senkrechten Kühlplatte und die andere pamLlel dazu.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Vorrichtung gezeigt, in welcher die Giessform so geschaffen ist dass die (001) Ausrichtung waagerecht mit dem Formteil der Giessform liegt. In dieser Vorrichtung bewirkt die Giessform dass die waagerechten und vertikalen säulenartigen Wachstumsteile 18-2o der Form mit den Kühlplatten 22'und 24' zusammen arbeiten und der grundsätzliche Unterschied besteht darin dass der senkrechte Wachstumsteil 2ο¹ langer ist als der waagerechte Teil zwischen der dazu gehörenden Kühlplatte und dem Kreuzungspunkt der beiden Teile. In anderen Hinsichten sind die Giessformen sehr ähnlich indem die Wachstumsteile durch einen verengten Teil 16' mit dem Formteil 12' in Verbindung stehen. Wie Fig. 1 zeigt sind geeignete Heizkörper vorhanden.

Nachdem die Giessform mit der geschmolzenen Legierung gefüllt ist beginnt die Erhärtung an jeder Kühlplatte und setzt sich im rechten Winkel zu den Platten und in einer säulenartigen Form bis in die Kreuzung fort. Die Körner der kürzeren Säule wachsen als erste durch die Kreuzung aber das dendritische Anwachsen wird durch das säulenartige Anwachsen der längeren Säule beeinflusst in der Weise dass ein dendritisches Anwachsen aus der Kreuzung heraus in Ebenen erfolgt welche senkrecht zu den beiden Kühlplatten liegen. Der Einfluss der zweiten Kühlplatte bewirkt ein stei-

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les Temperaturgefälle während die Erhärtung aus der Kreuzung der Säulen sich weiter entwickelt und bewirkt ein schnelleres Wachstum der Körner aus der kürzeren Säule. Wenn die Verengung erreicht ist wird ein einziger Korn gewählt und dieser wächst in und durch den Formteil 12' während das dendritische Wachstum sich weiter im rechten Winkel zu den beiden Kühlplatten, jedoch mit waagerechter Ausrichtung entwickelt-.- Der- in Fig. 2 gezeigte Gegenstand ist z.B. eine Turbinenschaufel in welcher die Achse grösster Belastung, quer zum aerodynamischen Teil liegen kann oder horizontal wie in Fig. 2 gezeigt ist. Das; Giessverfahren erfolgt meistens nach dem bekannten Vakuum Giessverfahren. .

Die beste Ueberwachung der Ausrichtung wird in der Richtung des kürzeren. Kühlwachstum.s oder Säulenwachstums erzielt so dass im ' Falle eines Turbinenschaufelgusses in der senkrechten Stellung der Fig. 1-die kürzere Säule senkrecht sein sollte um eine maximale Belastungsachse parllel zu der waagerechten Achse der Schaufel zu bilden. Falls die maximale Belastungsachse vorzugsweise entlang einer kürzeren Ausdehnung liegen soll, wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist das horizontale säuienwachstum kürzer und somit v/ird die Hauptbelastungsachse in dem gegossenen Teil waagerecht sein. Da das beste Einkristallwachstum erzielt wird wenn die längste Ausdehnung des Teils in senkrechter Stellung ist, da das Temperaturgefälle sich leichter überwachen lässt, wird die kürzere waagerechte Wachsturnssäule eine geeignete Position der Hauptbelastungsachse sichern.

Es soll noch hervorgehoben werden dass diese Vorrichtung von besonderer Nützlichkeit ist wenn Hochtemperatur Schmelzlegierungen gegossen werden die für die Herstellung von Gasturbinenteilen verwendet werden, und Beispiele solcher Legierungen sind im dem U.S.A. Patent 3.26o.5o5 ausführlich beschrieben.

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Claims (7)

PATENTANSPRUECHE.

1. Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallgussteilen die in zwei Richtungen orientiert sind und eine Giessform begreift welche einen das Giessteil bildenden Formteil enhält, gekennzeichnet durch eine Verengung am unteren Ende dieses Teils, und einen Wachstumsteil welcher mit der Verengung in Verbindung steht, durch sich kreuzende waagerechte und senkrechte Wachstumsdurchführungen im Wachstumsteil welche an den der Verengung entferntesten Enden offen sind, durch eine Kühlplatte welche die offenen Enden der Durchführungen schliesst,durch eine grossere Länge einer Wachstumsdurchführung als. der anderen Durchführung zwischen der zugeordneten Kühlplatte und der Kreuzung, um auf diese Weise die Ausrichtung der Hauptbelastungsachse in der Giessform gegossenen Legierung zu bestimmen und um ein überwachtes Temperaturgefälle während der Erhärtung zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die Ausdehnung der Verengung so bemessen ist dass ein einziger Korn gewählt wird der in dem Formteil der Giessform hineinwächst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 wird dadurch gekennzeichnet dass die längste Ausdehnung des Formteils senkrecht verläuft und die längere säulenartige Wachstumsdurchführung gewählt wird um die Hauptbelastungsachse der gegossenen Legierung in einer bestimmten Beziehung zu dieser längsten Ausdehnung zu orientieren.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet dass die längste Ausdehnung des Formteils vertikal verläuft und di ί kürzere Wachstumsdurchführung vertikal zur Hauptbelastungsachse der gegossenen Legierung liegt und paiaLlel zu der genannten längsten Ausdehnung.

5. Verfahren zum Giessen eines Einkristallgussteils nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass das Kristallwachstum in dem Guss teil in zwei Richtungen orientiert ist und das Verfahren die folgenden Schritte begreift:

Erzeugung eines sich kreuzenden säulenartig.-^ Wachstums in einer erstarrenden Legierung in zwei Richtungen in rechtem Winkel zueinander ausgehend von Kühlplatten welche in rechtem Winkel

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zueinander angeordnet sind?

Aufstellung der einen Kühlplatte in grösserer Nahe, der Kreuzung als die andere Kühlplatte um ein bevorzugtes dendritisches V/achSr tum in der Kreuzung zu bewirken*

Auswahl eines Einkristallwachstums zwischen der Kreuzung und dem Formteil;

Weiterführung der Erstarrung bis über die Kreuzung und in einem Formteil«

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5 dadurch gekennzeichnet dass ein Temperaturgefalle in der Richtung der Erstarrung hergestellt wird und das Temperaturgefälle während der Erstarrung von den Kühlplatten bis zum oberen Ende der Giessform überwacht wird',

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 5 , 6 dadurch gekennzeichnet dass die Hauptbelastungsachse des Formteils vertikal verläuft und die vertikale Durchführung kurzer gewählt wird ,als die waagerechte Durchführung damit die Hauptbelastungsachse der gegossenen Legierung parallel zu der gewählten Hauptbelastungsachse des Gussteils liegt.

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