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Verbundgie ßverfahren
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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Metallgegenständen
mittels eines Verbundgießverfahrens, bei dem ein Formteil in einer Form angebracht
wird und das damit zu verbind dende Metall um ausgewählte Abschnitte dieses Formteils
gegossen wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer
Zwischenschicht zwischen dem Formteil und dem gegossenen Metall, wobei diese Zwischenschicht
als Hilfsmittel beim Verbinden des Formteils und dem Metall während des Gießens
auf Grund ihrer speziellen Eigenschaften wirkt, was zu einer Verbesserung der Festigkeit
der Verbindung nach einer anschliessenden Wärmebehandlung beiträgt.
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Verbundgießverfahren sind an sich in der Literatur und in Patentschriften
bereits beschrieben. Im Großen und dienen diese Verfahren jedoch der Erzeugung metallurgischer
Verbindungen zwischen dem Formteil und dem darumgegossenen
Metall.
Dazu wird beispielsweise auf die USA-Patentschriften 3 279 006 und 3 342 564 verwiesen.
In diesen Patentschriften ist die Herstellung von zusammengesetzten Metallgegenständen
durch Vakuumschmelzen eines metallischen Materials beschrieben, das eine gewünschte
Eigenschaft im gegossenen Bereich aufweist, wobei eine feuerfeste Form mit einem
zur Aufnahme von geschmolzenem metallischem Material geeigneten Hohlraum im Vakuum
erhitzt wird, in dem wenigstens ein Teil der Oberfläche des Metallgegenstandes freiliegt,
wonach das geschmolzene metallische Material unter Aufrechterhaltung einer inerten
Atmosphäre eingegossen wird. Die Verbindung zwischen dem erstarrten geschmolzenen
Metall und dem Formteil resultiert aus der Legierungsbildung zwischen dem Formteil
und dem angegossenen Metall unter Erzeugung eines metallurgisch verbundenen Bereichs.
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Eine metallurgische Verbindung ist zwar ein wirksames Mittel zum Verbinden
der zwei Teile zu einem Verbundgußgegenstand, doch lassen sich solche Verbindungen
nur mit Schwierigkeiten zuverlässig und reproduzierbar erzielen.
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In der Praxis ist ein sehr hohes Vakuum oder eine extrem inerte Atmosphäre
zur Verhinderung von Verunreinigungen am Grenzflächenbereich erforderlich, damit
Verunreinigungen am Grenzflächenbereich, die die Festigkeit der Verbindung herabsetzen
könnten, verhindert werden. Die Temperatur des anfänglich im Gießhohlraum vorhandenen
Formteils und des geschmolzenen Metalls müssen solche Werte haben, daß weder eine
zu rasche Abkühlung des angegossenen Metalls eintritt, was die Verbindungsfestigkeit
durch Verhinderung einer ausreichenden Legierungsbildung herabsetzen könnte, noch
eine zu langsame Abkühlung erfolgt, was zu völligem
Schmelzen des
anfänglich festen Formteils führen könnte. Der physische Kontakt zwischen den beiden
zu verbindendenMaterialen kennzeichnet sich dadurch, daß eine extreme Annäherung
nicht nur durch die Fähigkeit von geschmolzenem Metall, sogar mikroskppisch kleine
Hohlräume in dem anfänglich festen Formteil auszufüllen, sondern auch dadurch gefördert
wird, daß in dem angegossenen Material infolge seiner Erstarrung und seiner anschliessenden
Abkühlung von einer höheren Temperatur aus als die des anfänglich festen Materials
eine relativ größere Kontraktion auftritt. Der dabei entstehende physische Kontakt
schließt die zerstörungsfreie Untersuchung des Gegenstandes auf die Güte seiner
Verbindung aus, es sei denn, es wird eine vollständige Trennung vorgenommen.
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Es hat sich gezeigt, daß die bei der Herstellung eines Verbundgussgegenstandes
herrschenden Bedingungen während der Vorerhitzung der Form und während des Vergießens
so sein können, daß in dem Verbindungsbereich Zonen mit einer metallurgischen Verbindung
und Zonen ohne metallurgische Verbindung nebeneinander existieren können. Wenn die
Ausgestaltung des Gegenstandes im Hinblick auf einen zufriedenstellenden Betriebseinsatz
ausschließlich auf einer metallurgischen Verbindung beruht, dann können nichtfeststellbare
Bereiche mit einer unzureichenden Verbindung zu einem vorzeitigen Ausfall führen.
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Es sei auf den vorveröffentlichten Artikel von U.Okapuu und G.S. Calvert
mit dem Titel " An Experimental Cooled Radial Turbine" in Agard Conference Proceedings
Nr. 73 über Hochtemperaturturbinen, Agard-CP-73-71, Papier Nr.10, Januar 1971 verwiesen,
wo die Herstellung des Rotors einer Gasturbine durch Verbundgießen einer Nabe aus
einer Nickelsuperlegiertmg um die Fußteile von vorhergegossenen Schaufeln aus einer
Nickelsuperlegierung beschrieben ist. Die Ausgestaltung basierte dabei auf der Erzielung
einer metallurgischen Verbindung, obwohl
einige wenige kleine Ausnehmungen
vorgesehen waren, die einen gewissen mechanischen Halt geben sollten. Die Fußteile
waren dabei so abgeschrägt, daß ohne die Ausnehmungen und ohne eine metallurgische
Verbindung die Turbinenschaufeln ohne weiteres aus dem Nabenteil entfernt werden
konnten. Die Anwendung von Vakuumvorheiz-und Vakuumgießbedingungen, die auf vorher
durchgeführten Tests an Gußstücken bewirkt, die ein Modell der Verbindung lieferten,
führten in der Praxis dazu, daß die metallurgische Verbindung auf einen einzigen
Bereich des Fußteils begrenzt war.
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Die sich dabei ergebende Leistungsfähigkeit des Verbundgußteils war
nicht voll ausreichend, da sich die Verbindung an nicht vollständig metallurgisch
gebundenen Stellen löste.
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Der zur Erzielung der erforderlichen Integrität im metallurgischen
Sinn erforderliche Grad der Verbindung ist so, daß eine Legierungszone infolge örtlichen
Schmelzens oder einer örtlichen Diffusion ohne eine deutliche, schwächende Bestandteile
enthaltende Grenzfläche auftritt. Selbst die Anwesenheit eines dünnen Films aus
einem die Verbindung schwächenden Bestandteilmit einer Dicke von nur 0,25 m (0,00001
inch) oder sogar weniger, kann zur Verhinderung der Verbindung ausreichen. In einigen
Metallen und Legierungen sind ausgeprägte Abnahmen der mechanischen Festigkeit und
der Duktilität bekannt, wenn zwischen den einzelnen Körnern Filme mit einer Dicke
von nur einigen wenigen Atomschichten vorhanden sind. Zu diesen Folgen können Verunreinigungen
der Zusammensetzung, unrichtige Metallbearbeitungs-oder Metallgießverfahren, Wärmebehandlungen
oder Kombinationen dieser Einflüsse führen.
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Mit Hilfe der Erfindung wird die metallurgische Verbindung zwischen
den Teilen eines Verbundgußgegenstandes aus wärmebeständigen Materialien verbessert,
während die Verfahrensbedingungen weniger streng werden. Beim erfindungsgemäßen
Verfahren wird ein festes metallisches Formteil, beispielsweise eine Tragfläche
mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften, mit einer Beschichtung aus einer
Legierung versehen, die auf Grund der Anwesenheit kleiner Mengen eines oder mehrerer
Elemente, beispielsweise Bor, einen herabgesetzten Schmelzpunkt hat. Die für die
Beschichtung verwendete Legierung hat einen Schmelzpunkt, der unter dem Schmelzpunkt
des Formteils und des mit diesem zu verbindenden Gießmetalls liegt. Die Beschichtung
wird im Vakuum oder in einer anderen geeigneten Schutzumgebung bei einer Temperatur
aufgebracht, die gerade zur Erzielung einer Verschmelzung mit der Formteiloberfläcne
ausreicht; ferner erfolgt die Beschichtung in einer minimalen Zeitdauer, damit eine
merkliche Zwischenlegierung mit der Legierung des Formteils vermieden wird.
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Das beschichtete Formteil wird dann in einer Form angebracht, die
einen Gießhohlraum aufweist, der die gewünschte Form des mit dem Formteil zu verbindenden
gegossenen Metalls hat.
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Bei der Vorbereitung zum Gießen wird die Form im Vakuum erhitzt, damit
eine Verunreinigung der beschichteten Oberfläche verhindert wird. Das geschmolzene
Metall wird im Vakuum in den Gießhohlraum eingegossenen, und es verfestigt sich
um diejenigen Abschnitte des Formteils, an denen eine Verbindung erwünscht ist.
Während des Gießens kann die Beschichtung in einem gewissen Ausmaß schmelzen, wenn
das relativ heiße Gießmetall Wärme auf das Formteil überträgt. Die Verbindung zwischen
den zwei Materialien wird daher auf Grund der Anwesenheit der einen
relativ
niedrigeren Schmelzpunkt aufweisenden Beschichtung verbessert. Im Anschluß an das
Gießen wird der Verbundgußgegenstand, der aus dem Formteil, dem angegossenen Metall
und der Zwischenbeschichtung zusammengesetzt ist, einer Wärmebehandlung bei erhöhter
Temperatur ausgesetzt, damit eine zusätzliche Verbindung bewirkt wird, indem eine
Kombination eines Rückschmelzens in der Beschichtungszone, einer Diffusion des oder
der den Schmelzpunkt herabsetzenden Elemente aus der Beschichtung in die angrenzenden>zu
verbindenden Legierungen und einer Diffusion andrer Elemente in die oder aus der
Beschichtung zur Verbesserung der Verbindungshomogenität bewirkt . Bei dem Vorgang
wird der Schmelzpunkt der Beschichtungszone durch Absenkendder Menge des oder der
den Schmelzpunkt herabsetzenden,in ihr enthaltenen Elemente wesentlich angehoben.
Die Beschichtung, die die Zwischenzone bildet, wirkt als Hartlot, das so ausgewählt
werden kann, daß es zusammensetzungsmässig dem umgebenden Metall ausreichend ähnlich
ist, so daß die sich nach der Wärmebehandlung ergebende Verbindung mechanische Eigenschaften
aufweist, die den Eigenschaften des umgebenden Metalls angenähert sind.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.
Es zeigen: Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines Formteils in Gestalt eines Tragflügelprofils,
das mit zwei Versteifungsbändern unter Anwendung des erfindunsgemäßen Verfahrens
verbunden werden soll, Fig.2 eine Darstellung, die veranscháulicht, wie das Formteil
von Fig.1 in einem Wachsmodell für die Herstellung der Präzisionsgußform aufgenommen
wird, und
Fig.3 eine Darstellung der Anordnung nach dem Bilden
der Präzisionsgußform um das Modell und dem Entfernen des Modells unter Erzeugung
eines Gießhohlraums zur Aufnahme von geschmolzenem Metall.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung
von Bauelementen für Gasturbinen aus wärmebeständigen Legierungen, insbesondere
wenn das Bauelement anisotrope metallurgische Eigenschaften aufweist.
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Unter dem Begriff "anisotrope metallurgische Eigenschaften" ist zu
verstehen, daß das Bauteil parallel zur Hauptbeanspruchungsachse verbesserte Festigkeitseigenschaften
aufweist. Im Fall einer Tragflügelform wurde diese Struktur durch eine gerichtete
Erstarrung eines Guß stücks zur Erzielung säulenförmiger Körner erzeugt, die parallel
zur Hauptachse des Tragflügels ausgerichtet sind. Diese Kornorientierung führt zu
einer beträchtlichen Verbesserung des Widerstandes gegen Intergranularbrüche bei
erhöhten Temperaturen, so daß auch die Kriechfestigkeit, die Duktilität und insbesondere
die Beständigkeit gegen Wärmeermüdung verbessert werden.
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Ein weiteres Material mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften
ist ein zusammengesetztes, aus einer faserverstärkten Metallmatrix bestehendes Gebilde
. Dabei werden Fasern, beispielsweise Borfasern, Siliziumhorfasern oder Graphitfasern
in eine Metallmatrix, beispielsweise Aluminium, in Form dünner Lagen eingebettet,
und die Lagen werden in die gewünschte Tragflügelform eingelegt und dann durch Diffusion
miteinander verbunden, wobei die Fasern in Richtung der Achse
der
Hauptbeanspruchung verlaufen. Diese Verbundteile zeigen stark gerichtete, d.h. anisotrope
Eigenschaften; sie können auch durch Verwendung von Kombinationen aus hitzebeständigen
Materialien erzeugt werden.
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Ein weiteres Beispiel für Bauteile mit anisotropen metallurgischen
Eigenschaften sind gerichtet erstarrte eutektische Legierungen. Diese eutektischen
Legierungen erstarren zur lamellaren oder stabförmigen Strukturen, die zusammengesetzten
faserverstärkten Teilen in so fern gleichen, als ein verhältnismässig starkes stab-
oder blattförmiges Material die schwächere Matrix verstärkt.
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Es gibt weitere Beispiele für metallurgische Strukturen, die eine
ausgeprägte mikrostrukturelle Gerichtetheit und eine Anisotropie der mechanischen
Eigenschaften zeigen.
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Stark gedehnte und in Längsrichtung ausgerichtete Körner, wie sie
für Hochtemperaturlegierungen charakteristisch sind, die aus verdichtetem Metallpulver
nach dem sogenannten mechanischen Legierungsverfahren oder nach einem Verfahren
mit gerichteter Rekristallisation von geschmiedetem Material erhalten werden, sind
weitere Beispiele für anisotrope metallurgische Strukturen, in dem Sinne, wie sie
hier angewendet werden.
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Die Herstellung von Gegenständen mit solchen anisotropen Strukturen
ist mit Problemen verbunden, die in der Regel auf Querschnittsänderungen zurückzuführen
sind. So kann beispielsweise bei der Herstellung gegossener, für den Betrieb be
hoher Temperatur bestimmten Schaufeln für Gasturbinen die gerichtete Erstarrung
Schwierigkeiten bereiten, wenn dabei große Abmessungenänderungen auftreten.
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Die abruptesten und störendsten Änderungen treten dabei an den Ubergängen
des Profilteils und dem massiveren Befestigungsteil oder Fußteil der Schaufeln und
dem sogenannten Schaufelversteifungsband auf. Diese Stellen neigen oft zu inneren
Defekten und/oder Zusammensetzungsänderungen, die in der Gießereitechnik als Schrumpfporosität
bezeichnet werden und di durch Änderungen der Erstarrungsgeschwindigkeit verursacht
werden. Außerdem können die durch die Fußteile oder Schaufelversteifungsbänder gebildeten
Absätze als Haftstellen für nichtmetallische Verunreinigungen, beispielsweise für
Einschlüsse oder Schlacke wirken.
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Im Fall von Schaufeln oder Flügeln wird die gerichtete anisotrope
Gußstruktur in der Regel in dem Profilteil des Gegenstandes erwünscht, der der den
schärfsten Temperaturbedingungen und Umgebungsbeanspruchungen ausgesetzte Bereich
ist. Das Gießverfahren ist jedoch so gestaltet, daß der ganze Gegenstand nach dem
mit gerichteter Erstarrung arbeitenden Verfahren gegossen wird, das bei komplizierten
Teilen die Schwierigkeiten bei der Herstellung eines den Betriebsanforderungen Rechnung
tragenden Gegenstandes unverhältnismässig vergrößert.
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Es gibt weitere Strukturen, bei denen die Herstellung von gerichtet
erstarrten Tragflügelprofilteilen auf Grund der vorliegenden geometrischen Einschränkungen
mit Schwierigkeiten verbunden ist. Ein Beispiel hierfür sind einstückig gegossene
Turbinenlaufräder, die aus einem Nabenteil bestehen, der an der Felge mehrere Tragflügelprofilteile
trägt.
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Solche Räder können in gegossener Form mit einer gleichachsigen gegossenen
Konstruktur nach dem Präzisionsgießverfahren hergestellt werden. Das erhaltene Produkt
zeigt sowohl im Tragflügelprofilteil als auch im Nabenteil im wesentlichen die gleiche
Mikrostruktur der gegossenen Körner, und die Eigenschaften sind mehr oder weniger
isotrop. Die Korngröße kann zwar etwas variieren, doch liegt in der Längsrichtung
der Tragflügelprofilteile keine bevorzugte Ausrichtung oder Anisotropie vor. In
der Praxis wird das Problem der Erzielung eines Rades mit gerichtet erstarrten Tragflügelprofilteilen
so angegangen, daß das Rad aus getrernft gegossenen Schaufeln zusammengebaut wird,
die mechanisch auf der Felge einer ge-trennt hergestellten Scheibe mit gleichachsigen
Körnern befestigt werden, wobei die Scheibe üblicherweise durch Schmieden hergestellt
wird.
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In der Felge der Scheibe angebrachte Nuten dienen der Verankerung
der Fußteile der einzelnen Schaufeln. Diese Art des Zusammenbaus ist im Vergleich
mit einem einstückigen Guß extrem teuer. Die technische Anwendung dieses Verfahrens
zeigt jedoch, wie günstig die selektive Verbindung anisotroper metallurgischer Strukturen
und deren Kombination mit anderen metallurgischen Strukturen zu einem Gesamtgegenstand,
beispielsweise einem Turbinenrad, ist.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Formteil
mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften hergestellt, und Abschnitte der Vorform,
die mit dem Gußmetall zu verbinden sind, werden mit einer Legierung beschichtet,
die Bor enthält, damit ihr Schmelzpunkt bezüglich des Formteils und der zu gießenden
Legierung erniedrigt wird; die Beschichtungslegierung ist dabei sowohl mit dem Formteil
als auch mit dem erstarrten geschmolzenen Metall verträglich. Abhängig vom gewünschten
Festigkeitsgrad der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzielenden metallurgischen
Verbindung kann die Zusammensetzung der Beschichtungslegierung in Bezug auf die
Legierungen
des Formteils und des angegossenen Metalls variiert
werden; von der Variation ist lediglich der Anteil an Bor ausgenommen, der wesentlich
höher als im Formteil oder im erstarrten Metall ist.
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Wenn beispielsweise zwei Materialien aus im wesentlichen ähnlichen
Superlegierungsverbindungen für das Formteil und die angegossenen Metallabschnitte
mit einem hohen erforderlichen Festigkeitsgrad der Verbindung verwendet werden sollen,
dann kann die Zusammensetzung der Beschichtungslegierung so ausgewählt werden, daß
sie der Zusammensetzung der angrenzenden Legierungen sehr nahe kommt. Wenn jedoch
die Festigkeit der metallurgischen Verbindung der Festigkeit des Formteils oder
des angegossenen Metalls nicht sehr nahe kommen muß, wie es beispielsweise bei Bauteilen
der Fall ist, die im Betrieb relativ geringen Belastungen ausgesetzt sind, wird
eine relativ einfache Beschichtungslegierung bevorzugt, die den zu verbindenden
Legierungen hinsichtlich einiger ehemischer Hauptbestandteile gleicht. In jedem
Fall sollte der Hauptbestandteil der Beschichtung gleich dem Hauptbestandteil wenigstens
eines der zu verbindenden Metalle sein.
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Wenn das Formteil und das mit ihm verbundene erstarrte Metall aus
Nickellegierungen bestehen, wird beispielsweise die Verwendung einer Legierung vorgezogen,
die vorwiegend eine Nickelzusammensetzung ist und Chrom im Bereich von 5 bis 25%,
Kohlenstoff im Bereich von 0,05 bis 0,2% und etwa 1 bis 4% Bor zur Erzielung einer
Schmolzpunktreduzierung enthält. Besonders bevorzugt ist eine Bor enthaltende Legierung
mit 15% Chrom, etwa 3,5so Bor, etwa 0,1% Kohlenstoff und einen Rest aus Nickel.
Diese Legierung hat einen Schmelzpunkt von etwa 10540C (19300F), der niedriger als
der Schmelzpunkt einer der zwei zu verbindenden Supvrlegierungen liegt. Nickelsuperlegierungen
haben beispielsweise Schmelzpunkte im Bereich zwischen etwa 123O0C bis 16500C
(2250
bis 30000F). Die Bor enthaltende Verbindung kann auf dem Formteil als Beschichtung
mittels eines beliebigen Verfahrens aufgebracht werden, beispielsweise durch Galvanisieren,
durch Abscheidung aus der Dampfphase oder durch Auftragen in Form eines Sprühnebels,
eines Pulvers oder einer Paste. Wenn eines der beiden zuletzt genannten Aufbringungsverfahren
angewendet wird, dann sollte die Begierung mit den Beschichtungsbereichen verschmolzen
werden, damit eine kontinuierliche Schicht der borhaltigen Legierung entsteht. Das
Aufbringen der Beschichtung erfolgt vorzugeweise im Vakuum oder in einer anderen
schützenden Umgebung, damit die Verbindung mit dem Formteil unterstützt wird.
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Die spezielle Umgebung kann im Hinblick auf die Erfordernisse der
Formteillegierung und der Beschichtungszusammen -setzung variiert werden; sie könnte
beispielsweise zusätzlich zum Vakuum eine Wasserstoff- oder Argonatmosphäre enthalten.
Für den Fachmann auf dem Gebiet des Hartlötens im Brennofen ist offensichtlich,
daß die Auswahl einer falschen Umgebung zum Verschmelzen der Beschichtung ein leicht
erkennbares schlechtes Fließen und schlechtes Benetzen des Formteils mit der Beschichtung
ergibt und zur Durchführung einer korrigierenden Änderung des Verfahrens Anlaß gibt.
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In gleicherWeise können die Temperaturen, bei denen die Beschichtung
aufgeschmolzen wird, abhängig von der Beschichtungslegierung verändert werden. Für
die oben erwähnte spezielle Beschichtungslegierung hat sich gezeigt, daß eine Schmelztemperatur
von 70660C (19500F) im Vakuum die gewünschte Beschichtungsverschmelzung und Beschichtungshaftung
am Formteil in einer Zeitdauer von 5 Minuten bei der Schmelztemperatur ergibt. Allgemein
muß die Beschichtungslegierung ohne Rücksicht auf ihre Zusammensetzung bei der niedrigstmöglichen
Temperatur und in der kürzesten Zeitperiode aufgebracht werden,
damit
eine Reduzierung ihres Borgehalts durch Diffusion in das Formteil und somit eine
Anhebung ihres Schmelzpunkts vermieden wird.
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Auf Grund der Art der Aufbringungsverfahren sind die Abmessungen der
Beschichtungszone nach dem Verschmelzen klein.
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Vorzugsweise wird die Beschichtungsdicke auf weniger als 125 /um (0,005
inch) begrenzt.
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In Fig.1 ist ein mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften ausgestattetes
Formteil 20 in Form eines Tragflügelprofils dargestellt, das saulenförmige, längs
der Hauptbeanspruchungsachse verlaufende Körner 11 aufweist.
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An beiden Enden des Formteils 10 befinden sich zwei Vorsprünge 12
und 13 , die so angeordnet sind, daß sie das Formteil mit dem anschließend angebrachten
Metallgußteil mittels einer metallurgischen Verbindung verankern. Die Bereiche,
in denen am Formteil 10 zuvor die Bor enthaltende Beschichtungslegierung aufzubringen
ist,liegen in den Zonen 14 und 15, die die Vorsprünge 12 und 13 einschließen.
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Anschließend wird nach Fig.2 ein verlorenes Modell aufgebaut. Das
Formteil 10 wird zwischen zwei Nachbildungen 16 und 17 von Versteifungsbändern gehalten,
mit denen das Formteil 10 verbunden werden soll. Das Modell kann aus Wachs, Polystyrol
oder aus Mischungen der beiden Materialien bestehen. Die Versteifungsbänder-Nachbildungen
16 und 17 sind mit Angußkanäle bildenden Teilen 18 bzw. 29 verbunden, die von einem
Angußtrichter 20 gespeist werden; alle diese Teile bestehen aus dem Material des
verlorenen Modells.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann das Formteil 10 aus einem beliebigen
Material mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften
bestehen.
Gerichtet erstarrte Legierungen aus Nickel und Kobalt sind für diese Zwecke besonders
geeignet.
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Die Chemie dieser Legierungen ist im Laufe der Jahre entwickelt worden;
sie bildet kein besonderes Merkmal der Erfindung. Zur Erläuterung der chemischen
und anderen Eigenschaften von Nickel- und Kobaltsuperlegierungen wird auf die Tabelle
1 im Anhang der Arbeit mit dem Titel "The Superalloys von Sims et al., veröffentlicht
bei John Wiley & Sons, verwiesen. Die Tabelle 1 erscheint auf den Seiten 596
und 597; in ihr sind viele handelsübliche Nickel- und Kobaltsuperlegierungen aufgezählt.
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Auf die an der genannten Stelle enthaltene Beschreibung wird hier
Bezug genommen.
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Die in Fig.2 dargestellte Anordnung wird dann einem üblichen Präzisionsgießverfahren
unterworfen. Es gibt zwar viele Möglichkeiten zur Herstellung von Gie13formen nach
diesem Verfahren, doch wird erfindungsgemäß bevorzugt die in der USA-Patentschrift
2 932864 beschriebene Methode angewendet. Bei der dort beschriebenen Methode wird
ein zerstörbares Modell des herzustellenden Gegenstandes bei Raumtemperatur durch
Eintauchen in eine hochschmelzende Teilchen und ein Bindemittel enthaltende wässrige
Aufschlämmung überzogen. Der Überzug wird dann isotherm getrocknet, so daß die Temperatur
des Modells konstant bleibt. Das Trocknen erfolgt durch Überleiten von Luft mit
kontrollierter Feuchtigkeit über das überzogene Modell, wobei die Luft soviel Feuchtigkeit
enthält, daß eine etwa konstante Temperatur der feuchten Thermometerkugel aufrechterhalten
wird, die etwa der Ausgangstemperatur des Modells entspricht, und wobei die Temperatur
der trocknen Thermometerkugel um mindestens 5,6 0C (100F) höher liegt als die der
feuchten. Das Modell wird dann in weitere wässrige Aufschlämmungen aus dem hochschmelzenden
Stoff
zur Bildung aufeinanderfolgender Schichten auf dem Modell getaucht. Jede nachfolgende
Schicht wird wie vorstehend beschrieben isotherm getrocknet, während die Temperatur
im wesentlichen konstant gehalten wird. Schließlich wird das Modell entweder in
einem Ofen oder in einem Autoklav herausgeschmolzen.
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Die dabei erhaltene Form ist in Fig.3 der Zeichnung dargestellt. Sie
enthält einen Angußtrichter 21, durch den zwei AngußkanGle 22 und 25 gespeist werden,
die wiederum zwei Gießhohlräume 24 und 25 speisen, die die Versteifungsbänder des
Tragflügel-Profilteils bilden sollen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die das beschichtete
Formteil enthaltende Form vor dem Gießvorgang im Vakuum auf eine Temperatur von
etwa 8700C vorgeheizt, so daß die Gießform dann bereit ist, das geschmolzene und
im Vakuum gegossene Metall aufzunehmen.
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Ein Merkmal der Erfindung bestrebt darin, das das geschmolzene Metall
bei einer relativ niedrigen Temperatur gegossen werden kann, also bei Bedingungen,
die normalerweise nur eine mechanische Verbindung erzeugen würden, da das Schmelzen
der borhaltigen Beschichtung in diesen Stadium nicht erforderlich ist.
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Nachdem das Gießmetall dann erstarrt ist, wird der Verbundgußgegenstand
aus der Form herausgenommen und einer ausreichenden Wärmebehandlung unterzogen,
damit ein Wandern von Bor aus der Zwischenschicht sowohl in das Formteil als aia=hin
das erstarrte geschmolzene Metall verursacht wird.
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Allgemein kann die Wärmebehandlung bei Temperaturen im Bereich zwischen
10100C und 123000 ausgeführt werden, wobei ein Bereich von 11200C bis 119000 bevorzugt
ist.
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Die Ausführung der Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise unter inerten
Bedingungen, beispielsweise in einem Vakuum von 10 bis 15ßm. Die Zeitdauer der Wärmebehandlung
kann
stark variieren;sie kann nur eine halbe Stunde dauern oder
bis zu 20 Stunden oder mehr verlängert werden. Während dieser Wärmebehandlung erhöht
das Wandern von Bor aus der Zwischenschicht die Schmelztemperatur dieser Schicht.
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Die Bordiffusion dient auch dazu, die erzielte Verbindung zu verbessern.
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Eine Analyse des Zwischenbereichs ergibt, daß quer zur Breite dieses
Bereichs keine plötzlichen Zusammensetzungsänderungen auftreten, so daß der Zwischenbereich
physikalische Eigenschaften aufweist, die denen der umgebenden Bereiche sehr ähnlich
sind, was insbesondere dann gilt, wenn die Zusammensetzung der borhaltigen Beschichtung
so ausgewählt war, daß sie eng an die zu verbindenden Legierungen angenähert war.
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Es war zu beobachten, daß das Gußteil in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche
zur Zwischenschicht relativ kleine säulenartige Körner aufweist, die senkrecht zur
Grenzfläche zwischen den zwei Superlegierungen verlaufen, was auf die von dem relativ
kalten Formteil abgezogene Wärme zurückzuführen ist.
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Bor stellt 2war das besonders bevorzugte Diffusionsmittel zur Verbesserung
der Verbindung dar, doch ist es auch möglich, beträchtliche Siliziumanteile in die
Zwischenschicht in einem Anteilsbereich zwischen 2 und 80,b einzubringen. Silizium
diffundiert jedoch relativ langsam in das umgebende Metall. Auch Bor mit einem anteiligen
Bereich von 1 bis 4% kann als Zusatz in der Verbindungsschicht verwendet werden,
jedoch weist dieser Stoff keine so große Wirksamkeit wie Bor auf.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit eine verbesserte
metallurgische Verbindung gewährleistet, ohne daß ein Grenzflächenschmelzen während
des Gießens zur Erzielung einer metallurgischen Verbindung notwendig ist.
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Die Diffusion des Bors bei der Wärmebehandlung führt zu einer stabilen
Zusammensetzungsbedingung an der Grenzfläche, die eine beträchtliche Ähnlichkeit
zwischen der Verbindungszone und dem angrenzenden festen Formteil sowie den angegossenen
Abschnitten ergibt.Die sich ergebende Verbindung weist somit mechanische Eigenschaften
auf, die denen der verbundenen Superlegierungen angenähert sind.
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Der Fachmann kann erkennen, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres
auch Abwandlungen vorgenommen werden können.