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DE2609949A1 - Verfahren zur herstellung eines gusstuecks aus einer in einer richtung erstarrten metallegierung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines gusstuecks aus einer in einer richtung erstarrten metallegierung

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Publication number
DE2609949A1
DE2609949A1 DE19762609949 DE2609949A DE2609949A1 DE 2609949 A1 DE2609949 A1 DE 2609949A1 DE 19762609949 DE19762609949 DE 19762609949 DE 2609949 A DE2609949 A DE 2609949A DE 2609949 A1 DE2609949 A1 DE 2609949A1
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DE
Germany
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alloy
mold
casting
temperature
equilibrium
Prior art date
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Application number
DE19762609949
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DE2609949C3 (de
Inventor
Jean-Claude Hubert
Benno Lux
Francois Mollard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Battelle Memorial Institute Inc
Original Assignee
Battelle Memorial Institute Inc
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Publication date
Application filed by Battelle Memorial Institute Inc filed Critical Battelle Memorial Institute Inc
Publication of DE2609949A1 publication Critical patent/DE2609949A1/de
Publication of DE2609949B2 publication Critical patent/DE2609949B2/de
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Publication of DE2609949C3 publication Critical patent/DE2609949C3/de
Expired legal-status Critical Current

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    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D27/04Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045Directionally solidified castings
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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Description

ifferKörner■&. Qi^ey
BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSK1ALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49
BATTELLE MEMORIAL INSTITTiPE berlin: dipl.-ing. r. müller-börner
MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY
25 911
Berlin, den 8. März 1976
Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks aus einer
in einer Richtung erstarrten Metallegierung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks aus einer in einer Richtung erstarrten Metallegierung.
Dieses Verfahren kann insbesondere zur Herstellung von Stücken aus Superlegierunger, z.B. Gasturbinenschaufeln, verwendet
werden.
Es sind bereits Verfahren bekannt, die die Herstellung von Gußstücken aus Metallegierungen, z.B. aus Superlegierungen, mit gerichteter Erstarrungsstruktur ermöglichen.
Es ist bekannt, daß diese Verfahren wesentliche Verbesserungen der Eigenschaften der Gußstücke ermöglichen.
In den bekannten Verfahren zur Herstellung von Gußstücken
aus in einer Richtung erstarrter Legierung wird die in einer Richtung ausgerichtete Struktur dadurch erhalten, daß die
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progressive Verschiebung einer Erstarrungsfront hervorgerufen wird, die einerseits einen Teil der Legierungsmasse, der das Stück in festem Zustand darstellen soll, und andererseits einen noch in geschmolzenem Zustand befindlichen Teil dieser Masse parallel zur Erstarrungsrichtung begrenzt. Die Geschwindigkeit der Verschiebung der Erstarrungsfront ist selbstverständlich begrenzt durch die Geschwindigkeit der Erstarrung der Legierung, die ihrerseits davon abhängt, wie schnell die Legierungsmasse abkühlt.
Wenn in der Praxis übliche Verfahren zur Erstarrung in einer Richtung angewandt werden, ist die Geschwindigkeit der Verschiebung der Erstarrungsfront auf einen Wert in der Größenordnung von lO bis 30 cm pro Stunde begrenzt.
Es ist vorgeschlagen worden, an den verwendeten Vorrichtungen Änderungen vorzunehmen, um die in einer Richtung verlaufende Erstarrung der Metallegierungen insbesondere dadurch hervorzurufen, daß der Abkühlungsgrad der Legierung verbessert wird, damit die Geschwindigkeit der Verschiebung der Erstarrungsfront erhöht wird.
So erlaubt z.B. die Verwendung einer in der französischen Patentanmeldung Nr. 2 184 610 beschriebenen Vorrichtung, die Geschwindigkeit der Verschiebung der Erstarrungsfront auf einen Wert von 455 cm pro Stunde zu bringen.
Die Erhöhung der Geschwindigkeit der Verschiebung der Erstarrungsfront und damit die Geschwindigkeit der Erstarrung stellt einen Vorteil dar, v/eil sie einerseits erlaubt, die Herstellungsdauer der Stücke zu verringern
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und infolgedessen den Ertrag zu steigern, und zum anderen, Stücke mit einer feineren dentritischen Struktur zu erhalten, was günstig ist, um gute Eigenschaften zu erlangen, insbesondere wenn es sich urn Stücke handelt, die bei erhöhter Temperatur verwendet werden sollen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung eines Gußstücks aus einer mit einer sehr hohen Erstarrungsgeschwindigkeit in einer Richtung erstarrten Metallegierung zu ermöglichen, um ein Stück mit einer sehr feinen dentritischen Struktur bei einer sehr kurzen Herstellungsdauer zu erhalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß man progressiv und in umfassender Weise die Legierung in der Gießform abkühlt, wobei ein in einer Richtung parallel zu einer gegebenen Richtung der Legierungsmasse verlaufendes Temperaturgefälle aufrechterhalten wird, so daß die Gesamtheit der Legierung in Form einer homogenen Flüssigkeit in metastabiles Unterkühlungs-Gleichgewicht gebracht wird, und daß man das Unterkühlungs-Gleichgewicht aufhebt, so daß die Erstarrung der Legierung in Form eines Körpers mit dentritischer Kristallisations-Struktur hervorgerufen wird, der Dentriten umfaßt, deren Hauptachsen parallel zur Richtung des Temperaturgefälles verlaufen.
Vorzugsweise wird die Legierung in flüssigem Zustand in die Form gegossen, nachdem letztere auf eine Temperatur gebracht worden ist> die über der Schmelztemperatur der Legierung liegt, um die Erstarrung beim Eingießen in die Form zu vermeiden.
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Man kann die Legierung auch in festem Sustand in die Form einfüllen, z.B. in Form von Pulver, Spänen usw., und sie dann an Ort und Stelle schmelzen. Um eins mögliche Oxydation der Legierung zu verhindern, wenn sie sich auf erhöhter Temperatur befindet, insbesondere während ihres Schmelzens und Einfließens in die Form, kann es vorteilhaft sein, sie bei inerter Atmosphäre (z.B. unter Stickstoff) oder unter Vakuum zu halten.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man die Erstarrung der Legierung in einer Richtung durch einfaches Abkühlen der Legierungsmasse in flüssigem Zustand hervorrufen, ausgehend von einer Temperatur, die über Liquidus liegt, bis auf eine Temperatur, die unter Liquidus liegt, mit einem Wert von Δ τ , der dem praktischen Maximalwert
IHcIX
des Unterkühlungsgraäes /\ T entspricht, den man bei angenommenen Arbeitsbedingungen erreichen kann. Sobald diese letztere Temperatur erreicht ist, tritt die Erstarrung praktisch unmittelbar in der gesamten Legierungsmasse ein, ohne daß sich eine nachweisbare Erstarrungsfront bildet.
Man kann die Erstarrung auch einleiten, bevor der Wert von
T des Unterkühlungsgrades ^\ T erreicht ist, indem man das Unterkühlungsgleichgewicht in an sich bekannter Weise aufhebt, z.B. indem man einen kleinen Kristall der Legierung in die flüssige Legierungsmasse einführt oder indem man einen Metallfaden in diese eintaucht, z.B. einen Nickelfaden, oder auch, indem man auf die unterkühlte Legierungsmasse einen thermischen Schock(durch schlagartige Abkühlung) oder einen mechanischen Schock, ausgehend von ihrem niedrigsten Temperaturbereich, auslöst.
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2 6 O 9 9 A 3
Die Erstarrung findet also praktisch sofort statt, und die Geschwindigkeit des Wachstums der Dentriten hängt im Gegensatz zu den bekannten Verfahren der Erstarrung in einer Richtung nicht von der Geschwindigkeit der Verschiebung der Abkühlungsfront ab.
Der Maximalwert des Unterkühlungsgrades Δ Τ hängt von mehreren Parametern ab, wobei die wichtigsten die Art der Legierung, die Geschwindigkeit der Abkühlung der Legierung in flüssigem Zustand und auch die Art und der Zustand der Oberfläche der Innenwände der Gießform sind.
Eei einer ersten Näherungslösung und ganz allgemein hat es äen Anschein, daß der Wert A T umso höher ist, je größer die Geschwindigkeit der Abkühlung der Legierung in flüssigem Zustand ist.
Es ist zu bemerken, daß man den praktischen Maximalwert des ünterkühlungsgrades Δ Τ durch eine vorherige Behandlung
TUcIX
der Legierung erhöhen kann, die darin besteht, sie ausgehend vom unterkühlten flüssigen Zustand einer Reihe von Unterkühlungs- und Erstarrungszyklen auszusetzen. Es wurde tatsächlich festgestellt, daß eine solche Behandlung zur Folge hatte, den Maximalwert von Λ T, den man aus einem nächstfolgenden Zyklus erreichen kann, zu erhöhen.
Es scheint auch, daß die dentritische Struktur des erhaltenen Stücks umso feiner ist, je höher der Wert des Unterkühlungsgrades in dem Moment der Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts ist, was sich aus der Tatsache ergeben könnte, daß die Geschwindigkeit der Erstarrung der Legierung eine direkte Folge von Δ T ist. Es ist daher
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festzustellen, daß es unmöglich war, die Erstarrungsgeschwindigkeit zu messen und umso mehr, die mögliche Veränderung dieser Geschwindigkeit infolge des üntsrkühlungsgrades ΙΛ T im Moment der Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts zu studieren, da die Erstarrung der Legierung praktisch sofort eintrat.
Ss ist ebenfalls zu bemerken daß, wie soeben ausgeführt, die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierung praktisch nicht von der Abkühlungsgeschwindigkeit der flüssigen Masse abhängt, was in vollständigem Gegensatz zu dem Fall der bekannten Verfahren ausgerichteter Erstarrung steht.
WeitererGegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
Zu dieser Vorrichtung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sie mindestens eine Gießform im Inneren einer Kammer umfaßt, die mit steuerbaren Heizeinrichtungen und Mitteln versehen ist, um im Inneren der Gießform, ausgehend von einem Teil der Wand der Gießform, ein wachsendes Temperaturgefälle zu schaffen.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung ist der Fuß dieser Gießform geschlossen und nach unten durch einen Teil der Wandung der Form begrenzt, der in Berührung mit Kühleinrichtungen steht, die steuerbar sind und es ermöglichen, diesen Teil der Gießformwand ohne unmittelbare Berührung zwischen dem Inneren der Form und diesen Kühleinrichtungen abzukühlen.
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Diese Kuhleinrichtungen ermöglichen es, im Inneren der Form, wenn diese mit einer flüssigen Metallmasse in metastabilem Gleichgewicht der Unterkühlung gefüllt ist, ein Temperaturgefälle zu errichten,das von der unteren Wand des Fußes der Form aus wächst. Die Tatsache, daß diese Kühieinrichtungen nicht in direkter Berührung mit dem Inneren der Form stehen, erlaubt es, jegliche ungewollte Kristallisation der Legierung vor dem Moment zu vermeiden, wo infolge der umfassenden Abkühlung der Legierung ein ausreichender Grad an Unterkühlung /Jl T erreicht ist.
Es kann vorteilhaft sein, daß eine Hilfswand aus einem Material mit einem höheren thermischen Isolationskoeffizienten als dem der Wand der Gießform zwischen den Kühleinrichtungen und der Wand der Form eingesetzt wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, daß der Fuß der Form mit einem Rieht-Ansätζstück in der Richtung des Wachstums der Dentriten der Legierung versehen wird.
Als Heizmittel kann man jedes geeignete bekannte Mittel verwenden, z.B. einen Elektrowiderstandsofen, einen Lichtbogenofen, einen Flammofen, einen Induktionsofen usw...
Es ist besonders vorteilhaft, einen Induktionsofen zu verwenden, der mindestens einen die Heizkammer begrenzenden Suszeptor umfaßt und mindestens einen den Suszeptor umgebenden, mit elektrischem Hochfrequenz-Wechselstrom gespeisten Induktions-Solenoid.
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26Ü9949
Um die Durchführung des Gusses und die Erstarrung der Legierung in inerter Atmosphäre oder unter Vakuum zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, daß die Kanner, in der sich die Gießform befindet, in einem Behälter liegt, der mit Mitteln zur Schaffung einer inerten Atmosphäre oder eines Vakuums versehen ist.
Die einzige Figur der beiliegenden Zeichnung zeigt in schematischer Weise und beispielhaft eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen j Verfahrens. j
Die Zeichnung stellt eine schematische Ansicht der Vorrichtung im Längsschnitt dar. '■
Die Vorrichtung umfaßt eine Gießform 1 vom Typ "Betonschild-Gießform", die durch einen Gießtrichter 2 und einen Gießkanal 3 gefüllt wird und mit einem Gießkopf 4 versehen ist. Die Gesamtheit dieser Teile ist umgeben von einer pulverförmigen Masse 5 aus granulierten Aluminiumoxidteilchen, die ihrerseits umgeben ist von einem Suszeptor 6 in Form eines zylindrischen Behälters. Der Boden des Suszeptors 6 ist mit einer runden Öffnung 7 versehen, in die eine Kühleinrichtung eingreift, die aus einem Behälter aus gut hitzeleitendem Metall, z.B. Kupfer, besteht, und in dem eine Kühlflüssigkeit wie z.B. Wasser zirkuliert. Die Kühleinrichtung 8 ist mit einer Zuleitung 9 und einer Ableitung 10 für die Kühlflüssigkeit versehen. Die Gießform 1 liegt mit einem Zwischenpolster 11 von geringer Dicke (z.B. einigenMillimetern) aus einem Material mit hohem thermischem Isolierkoeffizienten wie Quarzwolle, auf dem in die Öffnung 7 eingreifenden Teil der Kühleinrichtung 8 auf.
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2.-r εΛ* s au
Der Susseptor 6 ist völlig von einer Hülle 12 aus einem Material mit gutem thermischem Isolierkoeffizienten wie Kohlenstoff-Filz, umgaben.
Die Hülle 12 ist ihrerseits von einer thermischen Isolierwand 13 aus einem Material mit gutem thermischen Isolierkoeffizienten wie Quarzwolle umgeben. Ein Deckel 14, der ebenfalls aus einem Material mit gutem thermischen Isolierkoeffizienten wie Quarzwalle besteht, beäackt den oberen Teil der Hülle 12 und der Wand 13. Eine runde öffnung, die mit einem abnehmbaren Stöpsel 15 aus dem gleichen Material wie der Deckel 14 versehen ist und einen 3oden 16 aus dem gleichen Material wie die Hülle 12 hat, ist in dem Deckel 14 oberhalb des Gießtrichters 2 angebracht.
Das oben beschriebene Ganze ist von einer Vielzahl von Schraubenwindungen 17 eines elektrischen Leitungsrohrs umgeben, das durch Zirkulation einer geeigneten Flüssigkeit abgekühlt wird und den Solenoid-Induktor eines in der Zeichnung nicht dargestellten Hochfrequenz-Ofens darstellt, der auf den Suszeptor 6 einwirkt.
Die in der Zeichnung dargestellte Gießform 1 entspricht einer Turbinenschaufel, wobei ein am unteren Ende der Form 1 angebrachtes Rieht-Ansätζstück 18 vorgesehen ist, um eine in einer Richtung laufende Orientierung der dentritischen Struktur der Legierung parallel zur Längsachse A-B der Gießform und damit de3 Gußstücks zu erhalten.
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- ίο -
Die Vorrichtung kann auch für die Herstellung von Gußstücken mit anderen Formen als der in der Zeichnung dargestellten Fcrti. angepaßt werden.
Vorzugsweise ist die Art der Gießform 1 oder wenigstens die ihrer Innenwände der Zusammensetzung der zur Herstellung des Gußstücks verwendeten Legierung angepaßt, so daß ermöglicht wird, einen Unterkühlungsgrad zu erreichen, der so hoch wie nur möglich ist.
In dem Fall, wo man als Legierung zur Herstellung des Gußstücks eine Superlegierung auf der Grundlage von Nickel wie MAR-M2OO verwendet, ist es beispielsweise wünschenswert, eine Gießform zu nehmen, von der wenigstens der Teil der Wände, der ihre Innenfläche bildet, auf der Basis von Zirkonsilikat (ZrSiO-) oder auf der Basis einer Mischung von Zirkonsilikat und Aluminiumoxid besteht, insbesondere einer Mischung aus 70 Gew% Aluminiumoxid und 30 Gevf/o Zirkonsilikat.
Man kann z.B. auch eine Gießform verwenden, deren Wände aus Pulverteilchen aus Zirkonsilikat oder Teilchen aus einer Mischung aus Aluminiumoxid-Pulver und Zirkonsilikat-Pulver besteht, die durch eine angemessene Menge Natriumsilikat ("Wasserglas") in an sich bekannter Weise in der Form eines festen Körpers gebunden sind.
In dem Fall, wo man als Legierung zur Herstellung des Gußstücks eine Superlegierung auf der Grundlage von Kobalt, wie MAR-M 509, verwendet, ist es vorteilhaft, eine Gießform zu verwenden, bei der mindestens ein Teil der Wände, der die Innenseite bildet, auf der Basis von geschmolzenem Siliziumoxid (Kieselerde) besteht.
809837/0345 - 11 -
Der Suszeptor 6 besteht aus einem geeigneten Material, wie z.B. Graphit, Die Durchführung des Verfahrens mittels der beschriebenen Vorrichtung findet in folgender Weise statt:
Nach Vorheizen der Gießform 1 und des Gießtrichters 2 sowie des Gießkanals 3 auf eine Temperatur die über dem Legierungs-Liquidus liegt, leitet man den Gußwerkstoff in die Gießform 1 ein, indem man ihn in flüssigem Zustand durch den Gießtrichter 2 und den Kanal 3 gießt, wobei man darauf achtet, daß die Legierung, die Gießform 1, der Gießtrichter 2 und der Kanal 3 während dieses Vorganges auf einer Temperatur über Liquidus gehalten werden, um jede ungewollte Kristallisation der Legierung zu vermeiden.
Zu diesem Zweck leitet man einen hochfrequenten elektrischen Strom mit einer Intensität, die ausreicht, um den Suszeptor auf eine ausreichend hohe Temperatur zu bringen durch die Wicklungen 17, damit die Legierung über Liquidus auf einer Temperatur gehalten wird.
Sobald die Gießform 1 gefüllt ist, hält man die Temperatur während einer ausreichenden Zeit auf einem Wert über Liquidus, um eine Temperaturverteilung entsprechend einem in einer Richtung verlaufenden Gefälle zu erreichen, wobei die Temperatur progressiv von unten nach oben ansteigt und das Temperaturgefälle über einen Wärmeabzug im unteren Teil der Form 1 mittels der Kühleinrichtung 8 erreicht wird. Während dieses Vorgangs steuert man die Zufuhr der wärmeerzeugenden Energie durch die Wicklungen 17 und den Suszeptor 6, und den Abzug der Wärme durch die Kühleinrichtung 8, so daß die tiefste Temperatur der Legierungsmasse noch oberhalb des Liquidus bleibt.
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Wenn man danach die Heizenergie progressiv verringert und im Bedarfsfall auch auf die DurchflußIeistung der Kühlflüssigkeit einwirkt (indem man sie erhöht oder senkt), senkt man in umfassender Weise die Temperatur der Legierung in ihrem Unterkühlungsbereich mit einer geeigneten Geschwindigkeit, z.B. 20 C pro Minute, dann verursacht man die Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts entweder schlagartig, indem man den Unterkühlungsgrad Δ T den maximalen Unterkühlungsgrad A T erreichen läßt, oder durch Wärmeschocks, den man durch schlagartige Erhöhung der Kühlflüssigkeitsmenge in der Kühleinrichtung 8 erreichen kann.
Es ist zu bemerken, daß im Gegensatz zu dem Fall des bekannten Verfahrens der Erstarrung in einer Richtung, das in der FR-PS 2 184 610 beschrieben wurde, nach dem die Erstarrung der Legierung durch Abkühlung eines Teils dieser Legierung auf eine niedrigere Temperatur als ihre Kristalllisationsteraperatur durchgeführt wird, so daß seine Kristallisation hervorgerufen wird, und der Rest der Legierung in flüssigem Zustand bei einer Temperatur gehalten wird, die höher ist als die Kristallisationstemperatur, man entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die gesamte Legierungsmasse abkühlt, die sich anfangs vollständig in gleichmäßig flüssigem Zustand befindet. Auf diese Weise befindet sich die gesamte Masse dieser Legierung vor Beginn ihrer Erstarrung in metastabilem Unterkühlungsgleichgewxcht in Form einer homogenen Flüssigkeit.
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Dank der Tatsache,daß der untere Teil der für die Durchführung des Verfahrens entsprechend der Erfindung verwendeter?. Gießforrr nicht offen ist, wie dies in der Vorrichtung nach der FR-?S 2 184 610 der Fall ist (siehe insbesondere Fig. 1, 2 und 5 derselben), sondern geschlossen, kommt die Legierung nicht mit einem Bereich in Berührung, dessen Temperatur unter ihrem Schmelzpunkt liegt,wenn die in Schmelze befindliche Legierung in die GisSfom gegossen wird« Auf diese Weise wird jegliche Bildung eines Kristallkeims vermieden und es ist Tr1OgIiCh, der flüssigen Legierungsraasse einen Wert zu geben, der höher ist als der ünterkühlungsgrad J\ T vor der Auslösung ihrer Erstarrung.
Beispiel 1
Unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung stellt man eine Gasturbinenschaufel aus Superlegierung auf der Bases von Nickel her, bekannt unter der Bezeichnung MAR-M 200 mit der folgenden nominalen Zusammensetzung (in Gew%) :
C =0,13 Si = 0,1 Mn = 0,05 Co = 10,09
Cr = 6,93 Fe = 0,05 W = 12,8 Ti = 2,11
Al =5,13 Sb = 0,88 B = 0,014 S = 0,002
Cu = 0,10 Zr = 0,04 N = 12 ppm Ni = der Rest.
Zu diesem Zweck geht man unter folgenden Bedingungen vor: Art der Innenwände der Gießform = Zirkonsilikat (ZrSiO4)
Anfangstemperatur der Legierungsmasse in flüssigem Zustand = 1 475°C
Abkühlungsgeschwindigkeit = 20 C/min
Unterkühlung im Moment der Aufhebung des Unterkühlungsgleich-
gewichts 609837/0345 = 30°c
- 14 -
Art der Aufhebung der Unterkühlungsgleichgewichts = spontan.
Man erhält auf diese Weise eine Gasturbinenschaufel mit einer äußerst feinen dentritischen Struktur, die in der parallel zur Längsachse des Stücks (d.h. der Richtung der Linien der größten Beanspruchung bei der Verwendung der Turbinenschaufeln) verlaufenden Richtung ausgerichtet ist.
Zugproben mit einem aus dem Mittelteil dieser Schaufel ausgeschnittenen Zugstab bei einer Verformungsgeschwindigkeit von O,145% pro Sekunde haben die folgenden Ergebnisse erbracht:
bei 20°C ) zB> Έ 0,2 ° O,2 ^ 114 : hbar
Bruchbe la stung (R1^; = 14, 5%
Dehnung (A) f£) bei 0,2% (E = 82 hbar
Elastizitätsgrenze
bei 1OOO°C Z B) 1E 0,2* ^O^1 = 71, 5 hbar
Bruchbelastung (R,^ ] = 5, 4%
Dehnung (A) f&) bei 0,2% (F = 64 hbar.
Elastizitätsgrenze
609837/0346 -15-
Vergleichsweise hat ein Zugstab aus Superlegierung MAR-M 2OO gleichfalls mit einer in einer Richtung ausgerichteten dentritischen Struktur, der aber entsprechend eineoi bekannten in einer Richtung ausgerichteten Erstarrungs( <g b)
verfahren hergestellt wurde, eine Bruchbelastung
ο ο
von 100 hbar bei 20 C und 50 hbar bei lOOO C, ge unter den gleichen Testbedingungen der Zugbelastung
Beispiel 2
Unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung stellt man eine Gasturbinenschaufel aus Superlegierung auf der Basis von Kobalt her, die bekannt ist unter der Bezeichnung MAR-M 509 und die folgende nominale Zusammensetzung hat (in Gew%):
Cr = 22, 5 Ti = 0,2
Ni = 10, 0 B = 0,01
W = 7, 0 Zr = 0,5
Ta = 3, 5 Co = der Rest
C = 0, 6
Zu diesem Zweck verfährt man bei den folgenden Bedingungen:
Art der Innenwände der Gießform
Anfangstemperatur der Legierungsmasse in flüssigem Zustand
Abkühlungsgeschwindigkeit
Unterkühlung im Moment der Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts
609837/0345
geschmolzenes Siliziumoxid (Kieselerde)
1 475°C
20°C/min
60°C
- 16 -
Art der Aufhebung des Unterkühlungs-
gleichgewichts = spontan.
Man erhält auf diese Weise eine Gasturbineηschaufel mit einer äußerst feinen in einer Richtung verlaufenden dentritischen Struktur in der Richtung parallel zur Längsachse des Stücks.
Patentansprüche:
Se/MP - 25 911 - 17 -
609837/0345

Claims (14)

  1. - 17 Patentansprüche
    IJ Verfahren zur Pier stellung eines Gußstücks aus in einer -J Richtung erstarrter Metallegierung durch Erstarrung einer ursprünglich in flüssigem Zustand befindlichen Legierungsmasse in einer Gießform in Form des gewünschten Stücks, dadurch gekennzeichnet, daß man progressiv und in umfassender Weise die Legierung in der Gießform (1) abkühlt, wobei man ein in einer Richtung parallel zu einer gegebenen Richtung der Legierungsmasse verlaufendes Temperaturgefälle aufrechterhält, wodurch die Gesamtheit der Legierung in metastabiles Unterkühlungsgleichgewicht in Form einer homogenen Flüssigkeit gebracht wird, und daß man das Unterkühlungsgleichgev.-icht aufhebt, wodurch die Erstarrung der Legierung in Form eines Körpers mit einer dentritischen Kristallisationssrruktur hervorgerufen wird mit Dentriten, deren Hauptachsen parallel zur Richtung des Temperaturgefälles verlaufen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung einer Vorbehandlung unterwirft, die aus einer Reihe von Unterkühlungs- und Erstarrungszyklen ausgehend vom unterkühlten flüssigen Zustand besteht, wodurch der praktische Maximalwert /\ T ihres Unterkühlungsgrades erhöht wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß man die Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts durch umfassende Senkung der Temperatur der Legierung bis auf eine Temperatur hervorruft, die unter
    - 18 609837/0345
    - 13 -
    Liquidus mit einem Wert A T v liegt, der praktisch dem Maximalwert des Unterkühlungsgrades der Legierung entspricht .
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts hervorruft, indem man auf die in Unterkühlung befindliche Legierungsmasse einen Wärmeschock ausübt durch abrupte Abkühlung, ausgehend von demjenigen ihrer Bereiche, in dem die niedrigste Temperatur herrscht.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aufhebung des Unterkühlungsgleichgewichts hervorruft, indem man einen mechanischen Schock auf die in Unterkühlung befindliche Legierung ausübt, ausgehend von demjenigen ihrer Bereiche, in dem die niedrigste Temperatur herrscht.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Gießform (1) im Inneren einer mit steuerbaren HeizmitteIn und Mitteln zur Schaffung eines Temperaturgefälles im Inneren der Gießform versehenen Kammer aufweist, wobei das Gefälle ansteigt, ausgehend von einem Teil der Wand der Gießform.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Fuß der Gießform (1) geschlossen und nach unten durch einen Teil der Wand der Gießform begrenzt ist, der in Berührung mit steuerbaren
    - 19 -
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    Kühleinrichtungen (8) steht, die eine Abkühlung dieses Teils der Wand der Gießform ohne direkte Berührung zwischen dem Inneren der Gießform und diesen Kühleinrichtungen ermöglichen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Fuß der Gießform (1) mit einem Rieht-Ansatzstück (18) in Richtung des Wachstums der Dentriten der Legierung versehen ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn-; zeichnet, daß eine Hilfswand (11) aus einem Material mit einem thermischen Isolationskoeffizienten, der höher liegt als der der Wand der Gießform (1) zwischen die Kühleinrichtungen (18) und die Wand der Gießform eingesetzt wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch geken n— zeichnet, daß die Heizmittel mindestens einen Suszeptor (6) aufweisen, der die Heizkammer begrenzt, und mindestens eine Induktionswicklung, die den Suszeptor umgibt und durch elektrischen Wechselstrom hoher Frequenz gespeist wird.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Gußstücks aus Superlegierung auf der Basis von Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil ihrer Wände, der ihre Innenseite bildet, auf der Basis von Zirkonsilikat ZrSiO- hergestellt ist.
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  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Gußstücks aus Superlegierung auf der Basis von Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil ihrer Wände, der ihre Innenseite bildet auf der Basis einer Aluminiumoxid- und Zirkonsilikat-Mischung hergestellt ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung 70 Gew% Aluminiumoxid und 30 Gew% Zirkonsilikat umfaßt.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Gußstücks aus Superlegierung auf der Basis von Kobalt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil ihrer Wände, der ihre Innenseite bildet, auf der Basis von geschmolzenem Siliziumoxid (Kieselerde) hergestellt ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2853162A1 (de) * 1978-12-08 1980-06-26 Vasilij Alekseevits Tschumakov Verfahren zum herstellen von gussteilen mit gerichteter kristallisation und einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
DE2933761A1 (de) * 1979-08-16 1981-02-26 Sulzer Ag Verfahren zur herstellung gerichtet erstarrter gusstuecke
DE29715846U1 (de) * 1997-09-04 1997-12-11 ALD Vacuum Technologies GmbH, 63526 Erlensee Vorrichtung zum gerichteten Erstarren von Schmelzen

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4964453A (en) * 1989-09-07 1990-10-23 The United States As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Directional solidification of superalloys
US5489194A (en) * 1990-09-14 1996-02-06 Hitachi, Ltd. Gas turbine, gas turbine blade used therefor and manufacturing method for gas turbine blade
GB9121364D0 (en) * 1991-10-09 1991-11-20 Rolls Royce Plc A mould for casting components
DE4209227C1 (en) * 1992-03-21 1993-05-06 Access E.V., 5100 Aachen, De Single crystal superalloy components, e.g. turbine blade or artificial hip joint
AU2428892A (en) * 1992-07-28 1994-02-14 Alexandr Lvovich Inozemtsev Method of making castings by oriented melt crystallization
RU2339485C2 (ru) * 2006-01-16 2008-11-27 Олег Владимирович Анисимов Способ изготовления отливки из металлического расплава
JP4914429B2 (ja) * 2008-12-05 2012-04-11 株式会社豊田中央研究所 合金溶湯の凝固解析方法およびその凝固解析プログラム
TW201940875A (zh) * 2014-10-17 2019-10-16 美商瓦里安半導體設備公司 薄片形成設備、用於測量熔體表面的薄片的厚度的系統及用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的方法
WO2020081064A1 (en) * 2018-10-16 2020-04-23 General Electric Company Directional solidification casting assembly and method
CN112553682A (zh) * 2020-11-19 2021-03-26 西安交通大学 一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3538981A (en) * 1968-08-05 1970-11-10 United Aircraft Corp Apparatus for casting directionally solidified articles
US3857436A (en) * 1973-02-13 1974-12-31 D Petrov Method and apparatus for manufacturing monocrystalline articles

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2853162A1 (de) * 1978-12-08 1980-06-26 Vasilij Alekseevits Tschumakov Verfahren zum herstellen von gussteilen mit gerichteter kristallisation und einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
DE2933761A1 (de) * 1979-08-16 1981-02-26 Sulzer Ag Verfahren zur herstellung gerichtet erstarrter gusstuecke
DE29715846U1 (de) * 1997-09-04 1997-12-11 ALD Vacuum Technologies GmbH, 63526 Erlensee Vorrichtung zum gerichteten Erstarren von Schmelzen

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