DE2011254B

DE2011254B - Casting mold for the production of a single crystal casting

Info

Publication number: DE2011254B
Authority: DE
Inventors: Robert Bruce Cheshire Conn.; Sink Larry Wayne Milwaukie Oreg.; Barrow (V.StA.); Piearcey, Barry James, Galmpton, Brixham (Großbritannien)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp

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.The invention relates to a casting mold for the production of a growing part. Such Development of a single crystal casting and in particular 30 embodiment is used to produce a single pull up on a cooling plate .'e and apply from a crystal castings, which substantially län heating device enclosed, open at the bottom pourers than are wide, for example turbine blades, form for the production of a single crystal casting with the in the direction of its longitudinal axis through the on the centrifugal forces acting on a laterally and upwardly narrowed turbine rotor between one on the cooling plate 35 are loaded.

stehenden, senkrecht verlaufenden ersten Wachs- Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Aus-standing, vertically running first wax Using the example of the configuration shown in the drawing

tumsteil und einem das Gußstück bildenden Form- führungsform wird die Erfindung nun weiter erläuhohlraum. tert. In der Zeichnung istThe invention will now further explain a cavity and a mold guide that forms the casting. tert. In the drawing is

Aus der französischen Patentschrift 1 481 366 ist Fig. 1 ein Schnitt durch eine Gießform,From French patent specification 1 481 366, FIG. 1 is a section through a casting mold,

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,a mold of this type is known in which the 40 F i g. 2 a section through a modified execution sense of the narrowed passage, one of the cooling form,

platte, auf der das Wachstumsteil aufsteht, ausgehen- Fig. 3 in vergrößertem Maßstab ein senkrechterPlate on which the growth part rises, go out- Fig. 3 on an enlarged scale, a vertical

des Kristall in seinem Wachstum so zu bevorzugen, Schnitt durch ein Gußstück mit dendritischem Wachsdaß ausschließlich dieser Kristall den eigentlichen turn undTo prefer the growth of the crystal, cut through a casting with dendritic wax exclusively this crystal does the actual turn and

Formhohlraum erreicht und diesen unter Bildung des 45 F i g. 4 ein waagerechter Querschnitt durch ein gewünschten Einkristalles ausfüllt. Gußstück mit dendritischem Wachstum.Reached the mold cavity and this under formation of the 45 F i g. 4 a horizontal cross section through a desired single crystal fills. Casting with dendritic growth.

Die in dieser bekannten Gießform gegossenen Ein- Die Gießform ist allgemein mit 10 bezeichnet undThe cast in this known casting mold The casting mold is generally designated 10 and

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,crystal castings are oriented in one direction. contains a mold cavity 12, a sprue 14. Such a single crystal has a particularly high strength in this direction which consists of the sections 16 a, 16 /), 16 c. 50 narrowed passage, the first growth part 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 AbkühlungIn modern jet engines, doors used the second growth part 18 and two Kühlplatbinenschaufein, which are preferably as single crystal castings 22 and 24, of which the cooling plate 22 are made vertically, are arranged by centrifugal forces and through and the second, horizontal thermal effects are highly stressed. This area limits the growth part 18, while the cooling load takes place not only in one but in several plate 24 in the first, perpendicularly extending wax directions. The limited 20 used in jet engines. The entire casting mold 10 is in th turbine blades, therefore, such blades must be enclosed in four containers 26. The space can withstand the stresses occurring in two directions. see the mold 10 and the container 26 is with This results in the problem of a casting and a refractory support material 28, z. B. Al ₂ O, in particular to cast a turbine blade so that 60 filled. The casting mold 10 is a shell casting mold, the finished casting withstands loads in all of Rieh's usual construction from a number of stresses. The invention is therefore based on the successive layers of a suitable molding material, the known casting mold in this way. During casting, the casting mold 10 is in such a way that it is heated to a high level of single crystal castings, so that a temperature gradient between the load capacity can be poured in all directions 65 KUhiplatten 22, 24 and the upper end of the casting. Form 10. The heating is carried out in such a way, in the case of a casting mold of the type mentioned at the outset, that the casting mold temperature, with increasing heat, is such that a second, horizontally extending stiffening is gradually reduced

Τ 2 Oil 254 Τ 2 Oil 254

3 43 4

erfolgt von den Kühlplatten 22, 24 aus durch den haben also die charakteristische (001) Ausrichtungtakes place from the cooling plates 22, 24 through the so have the characteristic (001) orientation

verengten Durchlaß hindurch und von dort senkrecht der Körner, welche an der waagerechten Kühlplattenarrowed passage through it and from there vertically the grains, which are attached to the horizontal cooling plate

durch den Rest der Gießform hindurch. Die Tempe- 24 anliegen, und das dendritische Wachstum ist nochthrough the rest of the mold. The tempe- 24 is applied, and the dendritic growth is still

ratur wird so überwacht, daß eine im wesentlichen immer im rechten Winkel zu den beiden KühlpliittenThe temperature is monitored so that one is essentially always at right angles to the two cooling parts

waagerechte fest-flüssige Grenzfläche am Kreuzungs- 5 22, 24. Auf diese Weise hat die Schaufel nach Erhär-horizontal solid-liquid interface at the intersection 5 22, 24. In this way, after hardening

punkt der beiden vVachstumsteile 18, 20 entsteht. tung die e. wünschte senkrechte (001) Ausrichtung,point of the two growth parts 18, 20 arises. tion the e. Desired vertical (001) alignment,

Die Erwärmung erfolgt durch Induktionsspulen 30, und das waagerechte Wachstum wird sich in zweiThe heating is done by induction coils 30, and the horizontal growth will split into two

32, 34, welche den oberen Teil, den Formteil 12 und Ebenen erstrecken, eine im rechten Winkel zu der32, 34 which extend the upper part, the mold part 12 and planes, one at right angles to the

den Wachstumsteil 18 umgeben. Jede Induktionsspule senkrechten Kühlplatte 22 und die andere parallelsurround the growth part 18. Each induction coil vertical cooling plate 22 and the other parallel

30, 32, 34 wird unabhängig überwacht, so daß die io dazu.30, 32, 34 is monitored independently, so that the io to this.

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.Heat supply gradually from top to bottom in In F i g. 2 shows an embodiment in which, in relation to the solidification zone of the alloy, the casting mold is designed in such a way that the (001) can be turned. Before pouring the alloy, alignment is horizontal. In this embodiment, the casting mold 10 is heated until it is above the melting mold, the casting mold causes the alloy to be at the horizontal temperature. Thereupon water 15 and vertical column-like growth parts 18, 20 are conveyed through the cooling plates 22, 24, and the le- with the cooling plates 22 and 24 work together, yaw which is at least 100 ° C above the. The fundamental difference compared to FIG. 1 melting point is heated, is poured. Through stands in the fact that the vertical; Growth part 20 due to the action of the cooling plates 22, 24 and that is more than the horizontal Xt ; * chstum part 18. In this way the resulting temperature gradient is more clean, the two embodiments cause len-like crystalline growth, which is very similar in that the growth parts 18 and 20 growth directions are perpendicular to the two cooling through a narrowed passage 16 'with the mold plates 22, 24. After overheating the part ¹ 12 'communicate. Induction heating coils alloy will nucleation on the side are present.

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 demten walls of the casting mold, so that the cha- 25 After the casting mold with the melted characteristics (001) The growth alignment in each yaw begins at each cooling plate Growth part 18 and 20 is produced. By a hardening and sitting at right angles to the of the two growth parts 18 or 20 shorter than the cooling plates in a columnar shape up to other is chosen, the grains or pen-crossing point will continue. The grains of the shorter column third in the shorter part of the crossing point grow as the first through the crossing point, but only reach and the columnar growth of the dendritic growth is made by the columnar longer Partly over the point of intersection, the longer column grows like this prevent. affects that a dendritic growth from the

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. DasFrom the point of intersection, as shown in FIG. 1, the crossing point shown takes place in planes, which is where the grains of the shorter perpendicular 35 grow perpendicular to the two cooling plates 22, 24. Column sideways to the narrowed passage perpendicular to The influence of the second cooling plate causes a steep growth in its original direction. Since both cooling temperature gradients, while the hardening on the plates 22, 24 continues to progress and dissipate heat from the hardening alloy crossing point of the columns, the temperature gradient becomes steeper in the shorter - a faster growth of the grains from the shorter growth part 20, and it finds a cooler pillar causes. If the narrowed passage 16 'has more dendritic growth until the less is reached, a single grain is chosen and these advantageously oriented grains are eliminated and that grows into and through the mold 12' while dendritic growths upon reaching the narrowed the dendritic growth further developed at right angles passage 16, 16 b , 16 c completely in two to the two cooling plates, but with horizontal intersecting planes at right angles to the two 45 orientations. The in Fig. 2 shownU; Cast cooling plates 22, 24 is oriented. The narrowed through part is a turbine blade in which the axis 16 a, 16 b, 16 c is used to select a single crystal with the greatest load across the aerodynamic part for further growth in the molded part 12. lies or horizontally, as in FIG. 2 is shown. The

Der verengte Durchlaß ist so angeordnet, daß nur Gießen erfolgt unter Vakuum.The narrowed passage is arranged so that only casting takes place under vacuum.

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, ista columnar growth in the horizontal 50. The best monitoring of the alignment is done in the part 16a. This part is in its downward direction of the shorter cooling growth or column measurements both vertically and horizontally growth, so that in the case of a tfrbin smaller than the horizontal growth part 18, which blade casting follows in the vertical position of FIG. Only a few grains pass through the shorter column should be vertical to form a maxidally narrowed passage, and of these few 55 male belfcs ^fi ingsachse parallel to the horizontal grains runs the dendritic alignment vertical axis of the blade. If the maximum authorization to the cooling plates 22,24. It is thus oriented in two load axes, preferably along a shorter direction. Extension should be as shown in Fig. 1 is

Vom waagerechten Teil 16 a des verengten Durch- das horizontale Sa'ulenwachstum kürzer, und somitFrom the horizontal part 16 a of the narrowed through the horizontal column growth is shorter, and thus

lasses verläuft das Körnerwachstum senkrecht durch 60 wird die Hauptbelastungsachse in dem gegossenen TeilLet the grain growth run perpendicularly through 60 becomes the main stress axis in the cast part

den Teil 16 b. Nur ein oder zwei Körner wachsen in waagerecht win. Da das beste Einkristallwachstumthe part 16 b. Only one or two grains grow in a horizontal win. Because the best single crystal growth

den Teil 16 b hinein. Der obere Seitenteil 16 c erhält erzielt wird, wenn die längste Ausdehnung des Teilsthe part 16 b into it. The upper side part 16 c is obtained when the longest extension of the part

nur ein Korn au», dem senkrechten Teil. Dieses in senkrechter Stellung ist, da das Temperaturgefälleonly one grain outside, the vertical part. This is in the vertical position because of the temperature gradient

eine Korn wächst immer in Form eines einzigen Kri- sich leichter überwachen läßt, wird die kürzereA grain always grows in the form of a single crisis; the shorter it is, the easier it is to monitor

stalls und mit der gleichen Ausrichtung wie im Teil 6g waagerechte Wachstumssäule eine geeignete Positionstable and with the same orientation as in part 6g horizontal growth column a suitable position

16 α durch ihn hindurch. Die Körner oder Dendriten der Hauptbelastungsachse sichern.16 α through it. Secure the grains or dendrites of the main stress axis.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

201! 254 1 2 growth part in the first, vertical patent claims: growth part opens out at the end of the second growth part remote from the narrowed passage

1. Is arranged on a cooling plate and a cooling plate that closes it off, a heating device enclosed, open at the bottom 5 and the first and the second growth part different casting mold for the production of a single crystal casting are long.

Piece with a sideways and upward facing. A cast or guarded in this mold narrowed passage between one on the senes single crystal casting has a double grain cooling plate upright, vertical orientation. This leads to tall berries Growth part and the casting io load strength in two mutually perpendicular stebildenden Mold cavity, directions therethrough. By the different marks that a second, horizontal length of the two growth parts can be the grain progression Growth part (18) in the first, influence growth. The crystal grains from the The growth part (20) running vertically, a shorter growth part, is the first through the opens at the narrowed passage (16 a, 166, 15 pass through the narrowed passage and in the form-16c) Grow into the remote end of the second growth cavity. The dendritic growth part (18) eL-o this final cooling plate is sen by the columnar growth (22) is arranged ui.d the first and the second of the crystal grains from the longer growth part Growth part (20, 18) are of different lengths. influenced. In the mold cavity, therefore, results

2. Casting mold according to claim 1, characterized in that a crystal wax takes place in two directions, that the first runs vertically. The casting receives its greater strength in fende growth part (20) shorter than the second, direction or parallel to the shorter growth part, horizontally extending wax part (18). Accordingly, one becomes that or that

vertical verlaufei.de Make the growth part shorter or 25 longer.

In an expedient embodiment, the invention provides for this purpose that the first, perpendicular Growth part shorter than the second, horizontally