DE2011254B - Gießform zur Herstellung eines Einkristallgußstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gießform zur Herstel- recht verlaufende Wachstumsteil ist. Eine solche lung eines Einkristallgußstückes und insbesondere 30 Ausführungsform wird man zum Herstellen von Eineine auf einer Kühlplatte aufsiehen .'e und von einer kristallgußstücken anwenden, welche wesentlich län-Heizeinrichtung umschlossene, unten offene Gieß- ger als breit sind, zum Beispiel Turbinenschaufeln, form zur Herstellung eines Einkristallgußstückes mit die in Richtung ihrer Längsachse durch die auf den einem seitlich und nach oben gerichteten verengten Turbinenrotor einwirkenden Fliehkräfte hoch beDurchlaß zwischen einem auf der Kühlplatte auf- 35 lastet werden.

stehenden, senkrecht verlaufenden ersten Wachs- Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Aus-

tumsteil und einem das Gußstück bildenden Form- führungsform wird die Erfindung nun weiter erläuhohlraum. tert. In der Zeichnung ist

Aus der französischen Patentschrift 1 481 366 ist Fig. 1 ein Schnitt durch eine Gießform,

eine Gießform dieser Gattung bekannt, bei der es der 40 F i g. 2 ein Schnitt durch eine abgeänderte Ausfüh-Sinn des verengten Durchlasses ist, ein von der Kühl- rungsform,

platte, auf der das Wachstumsteil aufsteht, ausgehen- Fig. 3 in vergrößertem Maßstab ein senkrechter

des Kristall in seinem Wachstum so zu bevorzugen, Schnitt durch ein Gußstück mit dendritischem Wachsdaß ausschließlich dieser Kristall den eigentlichen turn und

Formhohlraum erreicht und diesen unter Bildung des 45 F i g. 4 ein waagerechter Querschnitt durch ein gewünschten Einkristalles ausfüllt. Gußstück mit dendritischem Wachstum.

Die in dieser bekannten Gießform gegossenen Ein- Die Gießform ist allgemein mit 10 bezeichnet und

kristallgußstücke sind in einer Richtung orientiert. enthält einen Formhohlraum 12, einen Einguß 14, Ein solches Einkristall hat in dieser Richtung eine den aus den Abschnitten 16 a, 16/), 16 c bestehenden besonders hohe Festigkeit. 50 verengten Durchlaß, den ersten Wachstumsteil 20,

In modernen Strahltriebwerken verwendete Tür- den zweiten Wachstumsteil 18 sowie zwei Kühlplatbinenschaufein, die bevorzugt als Einkristallgußstücke ten 22 und 24, wovon die Kühlplatte 22 senkrecht hergestellt sind, werden durch Fliehkräfte und durch angeordnet ist und den zweiten, horizontal verlaufenthermische Einwirkungen hoch belastet. Diese Be- den Wachstumsteil 18 begrenzt, während die Kühllastung erfolgt nicht nur in einer, sondern in mehre- 55 platte 24 den ersten, senkrecht verlaufenden Wachsren Richtungen. Die in Strahltriebwerken verwende- tumsteil 20 begrenzt. Die gesamte Gießform 10 ist in ten Turbinenschaufeln müssen daher solchen in vie- einen Behälter 26 eingeschlossen. Der Raum zwilert Richtungen erfolgenden Belastungen widerstehen. sehen der Gießform 10 und dem Behälter 26 ist mit Hierdurch ergibt sich das Problem, ein Gußstück und einem feuerfesten Stützmaterial 28, z. B. Al₂O, ausinsbesondere eine Turbinenschaufel so zu gießen, daß 60 gefüllt. Die Gießform 10 ist eine Schalengießform das fertige Gußstück Belastungen in sämtlichen Rieh- üblicher Konstruktion aus einer Anzahl von aufeintungen standhält. Der Erfindung liegt daher die Auf- anderfolgenden Schichten eines geeigneten Formgabe zugrunde, die bekannte Gießform so auszubil- materials. Die Gießform 10 wird beim Gießen derart den, daß sich in ihr Einkristallgußstücke mit hoher erhitzt, daß ein Temperaturgefälle zwischen den Belastungsfähigkeit in sämtlichen Richtungen gießen 65 KUhiplatten 22, 24 und dem oberen Ende der Gieß" lassen, Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfin- form 10 entsteht. Die Erhitzung wird so durchgeführt, dung bei einer Gießform der eingangs genannten daß die Gießformtemperatur mit zunehmender Er-Oattung vor, daß ein zweiter, waagerecht verlaufender starrung allmählich herabgesetzt wird. Die Abkühlung

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erfolgt von den Kühlplatten 22, 24 aus durch den haben also die charakteristische (001) Ausrichtung

verengten Durchlaß hindurch und von dort senkrecht der Körner, welche an der waagerechten Kühlplatte

durch den Rest der Gießform hindurch. Die Tempe- 24 anliegen, und das dendritische Wachstum ist noch

ratur wird so überwacht, daß eine im wesentlichen immer im rechten Winkel zu den beiden Kühlpliitten

waagerechte fest-flüssige Grenzfläche am Kreuzungs- 5 22, 24. Auf diese Weise hat die Schaufel nach Erhär-

punkt der beiden vVachstumsteile 18, 20 entsteht. tung die e. wünschte senkrechte (001) Ausrichtung,

Die Erwärmung erfolgt durch Induktionsspulen 30, und das waagerechte Wachstum wird sich in zwei

32, 34, welche den oberen Teil, den Formteil 12 und Ebenen erstrecken, eine im rechten Winkel zu der

den Wachstumsteil 18 umgeben. Jede Induktionsspule senkrechten Kühlplatte 22 und die andere parallel

30, 32, 34 wird unabhängig überwacht, so daß die io dazu.

Wärmezufuhr allmählich von oben nach unten in In F i g. 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, in welbezug auf die Erstarrungszone der Legierung verrin- eher die Gießform so beschaffen ist, daß die (001) gert werden kann. Vor dem Eingießen der Legierung Ausrichtung waagerecht liegt. In dieser Ausführungswird die Gießform 10 erhitzt, bis sie über der Schmelz- form bewirkt die Gießform, daß die waagerechten temperatur der Legierung liegt. Daraufhin wird Wasser 15 und vertikalen säulenartigen Wachstumsteile 18, 20 durch die Kühlplatten 22,24 gefördert, und die Le- mit den Kühlplatten 22 und 24 zusammenarbeiten, gierung, welche um mindestens 100° C über den Der grundsätzliche Unterschied gegenüber F i g. 1 beSchmelzpunkt erhitzt ist, wird eingegossen. Durch steht darin, daß der senkrecht; Wachstumsteil 20 ländie Einwirkung der Kühlplatten 22, 24 und das da- ger ist als der waagerechte Xt ;*chstumsteil 18. In andurch entstandene Temperaturgefälle vird ein sau- 20 derer Hinsicht sind die beiden Ausführungsformen lenartiges kristallines Wachstum bewirkt, wobei die sehr ähnlich, indem die Wachstumsteile 18 und 20 Wachstumsrichtungen senkrecht zu den beiden Kühl- durch einen verengten Durchlaß 16' mit dem Formplatten 22, 24 liegen. Nach einer Überhitzung der tei¹12' in Verbindung stehen. Induktionsheizspulen Legierung wird eine Kristallkernbildung an den Sei- sind vorhanden.

tenwänden der Gießform verhindert, so daß die cha- 25 Nachdem die Gießform mit der geschmolzenen Lerakteristische (001) Wachstumsausrichtung in jedem gierung gefüllt ist, beginnt an jeder Kühlplatte die Wachstumsteil 18 und 20 erzeugt wird. Indem einer Erhärtung und setzt sich im rechten Winkel zu den der beiden Wachstumsteile 18 oder 20 kürzer als der Kühlplatten in einer säulenartigen Form bis zum andere gewählt wird, werden die Körner oder Pen- Kreuzungspunkt fort. Die Körner der kürzeren Säule driten in dem kürzeren Teil den Kreuzungspunkt zu- 30 wachsen als erste durch den Kreuzungspunkt, aber erst erreichen und das säulenartige Wachstum des das dendritische Anwachsen wird durch das säulenlängeren Teils über den Kreuzungspunkt hin ver- artige Anwachsen dsr längeren Säule in der Weise hindern. beeinflußt, daß ein dendritisches Anwachsen aus dem

Vom Kreuzungspunkt aus, wie in F i g. 1 gezeigt Kreuzungspunkt heraus in Ebenen erfolgt, welche ist, wachsen die Körner der kürzeren senkrechten 35 senkrecht zu den beiden Kühlplatten 22,24 liegen. Säule seitwärts zum verengten Durchlaß lotrecht zu Der Einfluß der zweiten Kühlplatte bewL'kt ein steiles ihrer ursprünglichen Wachsrichtung. Da beide Kühl- Temperaturgefälle, während die Erhärtung au* dem platten 22, 24 Wärme aus der erhärtenden Legierung Kreuzungspunkt der Säulen weiter fortschreitet und abführen, wird das Temperaturgefälle in dem kürze- ein schnelleres Wachstum der Körner aus der kürzeren Wachstumsteil 20 steiler, und es findet ein schnei- 40 ren Säule bewirkt. Wenn der verengte Durchlaß 16' leres Anwachsen der Dendriten statt, bis die weniger erreicht ist, wird ein einziges Korn gewählt, und dieses vorteilhaft orientierten Körner beseitigt sind und das wächst in und durch den Formleil 12', während sich dendritische Wachstum bei Erreichen des verengten das dendritische Wachstum weiter im rechten Winkel Durchlasses 16, 16 b, 16c vollständig in zwei sich zu den beiden Kühlplatten, jedoch mit waagerechter kreuzenden Ebenen im rechten Winkel zu den beiden 45 Ausrichtung entwickelt. Das in F i g. 2 gezeigU; Guß-Kühlplatten 22, 24 orientiert ist. Der verengte Durch- teil ist eine Turbinenschaufel, in welcher die Achse laß 16 a, 16 b, 16 c dient dazu, einen einzigen Kristall größter Belastung quer zum aerodynamischen Teil zum Weiterwachsen im Formteil 12 auszuwählen. liegt oder horizontal, wie in F i g. 2 gezeigt ist. Das

Der verengte Durchlaß ist so angeordnet, daß nur Gießen erfolgt unter Vakuum.

ein säulenartiges Anwachsen in den waagerechten 50 Die beste Überwachung der Ausrichtung wird in der Teil 16a hinein erfolgt. Dieser Teil ist in seinen Ab- Richtung des kürzeren Kühlwachstums oder Säulenmessungen sowohl senkrecht als auch waagerecht wazhstums urzielt, so daß im Falle eines Tfrbinenkleiner als der waagerechte Wachstumsteil 18, wel- schaufelgusses in der senkrechten Stellung der Fig. 1 eher sich anschließt. Nur wenige Körner treten durch die kürzere Säule senkrecht sein sollte, um eine maxiden verengten Durchlaß, und von diesen wenigen 55 male Belfcs^fiingsachse parallel zu der waageiechten Körnern verläuft die dendritische Ausrichtung senk- Achse der Schaufel zu bilden. Falls die maximale Berecht zu den Kühlplatten 22,24. Sie ist somit in zwei lastungsachse vorzugsweise entlang einer kürzeren Richtungen orientiert. Ausdehnung liegen soll, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist

Vom waagerechten Teil 16 a des verengten Durch- das horizontale Sa'ulenwachstum kürzer, und somit

lasses verläuft das Körnerwachstum senkrecht durch 60 wird die Hauptbelastungsachse in dem gegossenen Teil

den Teil 16 b. Nur ein oder zwei Körner wachsen in waagerecht win. Da das beste Einkristallwachstum

den Teil 16 b hinein. Der obere Seitenteil 16 c erhält erzielt wird, wenn die längste Ausdehnung des Teils

nur ein Korn au», dem senkrechten Teil. Dieses in senkrechter Stellung ist, da das Temperaturgefälle

eine Korn wächst immer in Form eines einzigen Kri- sich leichter überwachen läßt, wird die kürzere

stalls und mit der gleichen Ausrichtung wie im Teil 6g waagerechte Wachstumssäule eine geeignete Position

16 α durch ihn hindurch. Die Körner oder Dendriten der Hauptbelastungsachse sichern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

201! 254 1 2 Wachstumsteil in den ersten, senkrecht verlaufenden Patentansprüche: Wachstumsteil einmündet, am vom verengten Durch laß abgelegenen Ende des zweiten Wachstumsteils

1. Auf einer Kühlplatte aufstehende und von eine diesen abschließende Kühlplatte angeordnet ist, einer Heizeinrichtung umschlossene, unten offene 5 und der erste und der zweite Wachstumsteil verschie-Gießform zur Herstellung eines Einkristallguß- den lang sind.

Stückes mit einem seitlich und nach oben gerich- Ein in dieser Gießform gegossenes bzw. gewachteten verengten Durchlaß zwischen einem auf der senes Einkristallgußstück weist eine doppelte Korn-Kühlplatte aufstehenden, senkrecht verlaufenden orientierung auf. Dies führt zu einer hohen Beersten Wachstumsteil und einem das Gußstück io lastungsfestigkeit in zwei aufeinander senkrecht stebildenden Formhohlraum, dadurch ge- henden Richtungen. Durch die unterschiedliche kennzeichnet, daß ein zweiter, waagerecht LHnge der beiden Wachstumsteile läßt sich das Kornveriaufender Wachstumsteil (18) in den ersten, wachstum beeinflussen. Die Kristallkörner aus dem senkrecht verlaufenden Wachstumsteil (20) ein- kürzeren Wachstumsteil werden als erste durch den mündet, am vom verengten Durchlaß (16 a, 166, 15 verengten Durchlaß durchtreten und in den Form-16c) abgelegenen Ende des zweiten Wachstums- hohlraum hineinwachsen. Das dendritische Anwachteils (18) eL-o diesen abschließende Kühlplatte sen wird jedoch durch das säulenartige Anwachsen (22) angeordnet ist ui.d der erste und der zweite der Kristallkörner aus dem längeren Wachstumsteil Wachstumsteil (20, 18) verschieden lang sind. beeinflußt. In dem Formhohlraum ergibt sich daher

2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 ein in zwei Richtungen stattfindendes Kristallwachskennzeichnet, daß der erste, senkrecht verlau- turn. Seine größere Festigkeit erhält das Gußstück in fende Wachstumsteil (20) kürzer als der zweite, Richtung bzw. parallel zum kürzeren Wachstumsteil, waagerecht verlaufende Wachs'umsteil (18) ist. Entsprechend wird man das waagerecht oder das

senkrecht verlaufei.de Wachstumsteil kürzer oder 25 langer ausbilden.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sieht die Erfindung hierzu vor, daß der erste, senkrecht verlaufende Wachstumsteil kurzer als der zweite, waage-