DE2053062A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Her stellung in einer Richtung erstarrter Gußteile - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Her stellung in einer Richtung erstarrter GußteileInfo
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Description
United Aircraft Corporation
400 Main Street
East Hartford
Connecticut 06108
U.S.A.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung in einer Richtung erstarrter Gussteile.
Priorität : U.S.A. Nr. 872.562 i
Patentanmeldung vom : 30 Oktober 1969
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung in einer Richtung erstarrter Gussteile, welche durch umgekehrte
Erstarrung hergestellt werden. Dir Vorrichtung oder Gießform begreift im oberen Teil eine Kühlplatte und der
Temperaturgradient wird so überwacht, dass das Erstarren von oben nach unten längs der Giessform erfolgt.
In einer Richtung erstarrte Gussstücke von säulenförmiger Ausbildung nach der Beschreibung im U.S. Patent von Ver-Snyder
Nr. 3,260,505, werden im allgemeinen hergestellt ^
durch Giessen in einer Form welche auf einer Kühlplatte ruht unter Ueberwachung des Warmegradients um eine nach aufwärts
gerichtete Bewegung des flüssig-harten Zwischenteil» von.
der Kühlplatte zum oberen Ende der Öiessform zu bewirken.
Solche Gusstücke sind im allgemeinen zufriedenstellend obwohl manchmal eine Inversion der Dichte während dem Erstarren
erfolgt, die Unvollkommenheiten im Innern oder auf der Oberfläche der Gusstücke mit sich bringt.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet dass das Erstarren
der Legierungen in der Guesform sich in einer Hichtung entwickeln,
um Unvollkommenheiten zu verhindern, die durch die-
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se Inversion verursacht worden sind. Ein anderes Kennzeichen
ist die Gussform, welche das gerichtete Erstarren von Legierungen von oben nach unten ermöglicht, mit einem
überwachten Wärmegradient zur Herstellung der gewünschten Kristallstruktur, und / oder des Kernwachstums.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. In den Zeichnungen stellt dar :
Figur 1 einen senkrechten Querschnitt durch einen Gussformbau.
Figur 2 einen waagerechten Querschnitt längs der Linie 2-2
der Figur 1.
Figur 3 eine Teilansicht einer Abänderungsform.
Die Giessfrom enthält eine zentrale, senkrechte Zubringerröhre,
10, die am unteren Ende seitliche Träger 12 begreift die mit Durchgängen 14 versehen sind. An dem äusseren Ende
der Träger befinden sich senkrechte Formelemente 16, die eich in einem bestimmten Abstand parallel der Zubringerröhre
erstrecken, und im Innern einen Hohlraum 18 haben, in dem der Gegenstand geformt wird. Dieser Hohlraum hat die Form einer
Turbinenschaufel, mit einem Flügelteil 20, einem Kopfringteil 22 am unteren Ende, und einem Vurzelteil 24 am oberen
Ende. Der Kopfringteil steht durch einen senkrechten
Durchgang 30 mit dem waagerechten Durchgang 14 in Verbindung. Der Vupzelteil des Hohlräume 18 ist durch einen schraubenförmigen
Kristallauswahldurchgang 32 mit einem VachstumsHohlraum
verbunden. Die Kühlplatte 36 der Giessform ist am oberen
Ende des Hohlraumes 34 befestigt, und an dieser Stelle
hat die Form eine Anechlueeflache 38, ·η der die Kühlplatte
befestigt ist.
Gemäse Figur 2 besteht die Giessform meistens aus einer grossen
Anzahl von senkrechten Formelementen 16, damit eint gros-
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se Anzahl von Gegenständen gleichzeitig gegossen werden kann. Die Giessform kann auf einer Mehrzahl von Fusstützen
40 ruhen. Sie ist gemäss der gebräuchlichen Giessformtechnik hergestellt, nach der ein Modell aus Wachs oder
einem anderen Material verwendet wird über das aufeinanderfolgende Schichten von Formmaterial gelegt und getrocknet
werden, während die fertigen Gusstücke gehärtet werden und das Gussmodell geschmolzen wird.
Sobald die Form zur Verwendung fertig ist, wird sie auf eine Stützplatte 42 gestellt, welche auf einer Schicht aus
hitze-isolierendem pulverfÖrmigen Material, z.B. auf Aluminiumoxyd
liegt.
Die Form ist von einem Suspector 46 umgeben, welcher seiner- "
seits durch senkrecht angeordnete Wärmeinduktionsspulen 48 und 49 umgeben ist, die wahlweise zur Kontrolle der
Giessformtemperatur unter Strom gesetzt werden. Der Suspector und die Heizkörper erstrecken sich von einem Punkt
der zumindest über der Kühlplatte liegt, zu einem Punkt der tief unter dem Kopfringteil liegt, um eine genaue
Ueberwachung des Wärmegradients von der Kühlplatte -bis
zum unteren Ende des senkrechten Durchganges 30 zu erzielen.
Die mittlere Röhre ist von einer Heizspule 50 umgeben,
vorzugsweise einer Widerstandspule, welche von den umgebenden den Gegenstand formenden Teilen der Giessform durch ^
eine zylinderförmige Schutzvorrichtung 52 abgeschirmt ist.
Ein Graphitschieber 53 kann wie gezeigt, im Innern der Spule angebracht werden. Letztere, sowie die Schutzvorrichtung
52, können auf den seitlichen Stützen 12 ruhen, und die Spule kann, wie gezeigt, dieser Schutzvorrichtung
einverleibt werden. Ein Fülltrichter 54 ist am oberen Ende
der Röhre angebracht und leitet die geschmolzene Legierung in den senkrechten, durch die Röhre abgegrenzten Durchgang.
Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise in einem Vakuumraum errichtet, sodass das Giessverfahren unter
109819/134S
— 4 —
Vakuum und in einer trägen Atmosphäre vor sich gehen kann.
Vakuum und in einer trägen Atmosphäre vor sich gehen kann.
Man verwendet diese Vorrichtung z.B. zur Herstellung von Teilen wie Turbinenschaufeln oder-flügeln, die im Betrieb
einer hohen Temperatur ausgesetzt sind und unter grosser Beanspruchung arbeiten, und demgemäss aus den sogenannten
Superlegierungen, wie sie in dem U.S Patent von VerSnyder
beschrieben sind, gegossen werden. Der den Gegenstand formende Teil der Giessform und die daran angrenzenden
Teile werden auf eine über der Schmelztemperatur der Legierung liegende Temperatur gebracht, und die zentrale
Röhre wird auf dieselbe Temperatur geheizt. Ein Wasserstrahl fliesst dauernd durch die Kühlplatte, um zu verhindern dass
sie während diesem Erhitzungsverfahren schmilzt. Sobald die Temperaturen stabilisiert sind wird die geschmolzene,
etwas überhitzte Legierung in den Fülltrichter gegossen, um die Giessform total aufzufüllen. Eine zweckmässige
Oeffnung 56 in der Kühlplatte erlaubt das Entweichen der
im Innern der Giessform eingefangenen Gase um eine komplette Füllung zu ermöglichen.
Wenn die Giessform angefüllt ist, beginnt das Erstarren der Legierung an der wassergekühlten Kupferkühlplatte. Bis zu
diesem Augenblick sind die beiden Induktionsheizspulen 48 und 49 gespeist worden, aber in dem Masse wie die Giessform
sich anfüllt, wird die obere Spule 49 ausgeschaltet,
damit die Abkühlung der Giessform von oben nach unten beginnt. Das Entweichen der Hitze zur Kühlplatte hin bewirkt
das senkrecht verlaufende Wachstum der säulenförmigen Legierungskörner abwärts zum Wachstumshohlraum 54 und in den
schraubenförmigen Durchgang 32, wo ein einziger Kristall abgesondert wird, um das weitere Wachstum dieses Kristalls
zu dem den Gegenstand formenden Hohlraum hin abwärts fort zu setzten und somit ein Einkristallgegenetand hergestellt;
■wird.
Die Aufrechterhaltung der von der Widerstandspule ausge-
109619/mS
henden Hitze rundum die zentrale Röhre hält die Legierung in dieser Röhre geschmolzen, und die von der Induktionsspule
48 stammende Hitze hält die Legierung in den waagerechten Durchgängen geschmolzen, sodass das Metall in der
zentralen Röhre einen positiven hydrostatischen Druck auf die flüssig-harten Teile aufrecht erhält, wo die Legierung
abwärts zu dem Gegenstandhohlraum hin erstarrt.
Dieser hydrostatische Druck wächst in dem Masse wie der flüssig harte Zwischenteil sich nach unten verlagert, und
somit wächst der Druck auf den weichen Bereich am unteren
Ende des Gegenstandhohlraumes an. ä
Während der flüssig-harte Teil sich im Verlaufe des Giessverfahrens
nach unten verlagert, wird der Strom in dem unteren Heizkörper 48 gemäss einer programmierten Erstarrungsgeschwindigkeit herabgesetzt, welche durch den Erstarrungsgrad bedingt ist, und wird dann ausgeschaltet um das komplette
Erstarren zu ermöglichen. Ist die nach unten verlaufende Erstarrung in dem den Gegenstand formenden Teil
vollständig abgeschlossen wird der zentrale Heizkörper nicht mehr mit Strom versorgt, damit die Legierung erstarren
kann.
Es hat sich herausgestellt dass bei dem üblichen Formungs- λ
verfahren von gerichtet erstarrten Gegenständen von unten nach oben flüssige Strahlen der Legierung auftreten, welche
innerhalb des weichen Bereiches aufwärts fliessen und von einer durch die Inversion de» Dichte in diesem Bereich hervorgerufene
Instabilität herstammen. Diese Strahlen beeinträchtigen das zweckmässige Erstarren der Legierung innerhalb
des weichen Bereiches. Daraus können sich lokale Bereiche abgesonderter Streifen ergeben, die reich an abgestossenen
gelösten Stoffen sind, und die auf der Oberfläche des Gusstücks als Flecken bezeichnet werden. Diese Streifen
enthalten oft kleine zufallsorientierte Körner, und sind ein Fehler durch welchen das Gusstück als unannehmbar ver#or-
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fen werden kann. Solche Flecken oder Streifen würden mit
der in umgekehrter Sichtung erfolgenden oben erwähnten Erstarrung ausgeschlossen werden da das Dichteprofil des
weichen Bereiches in Beziehung zum Schwerefeld stabil sein wird.
In Bezug auf Figur 3 kann die Giessform zur Herstellung
von Gegenständen mit einem säulenförmigen Körneraufbau verwendet werden, wie sie im VerSnyder Patent beschrieben
sind. Um dies zu erreichen, muss der Wachstumshohlraum 34
unmittelbar mit dem Wurzelteil 24 in Verbindung stehen, sodass das säulenförmige Wachstum, das an der Kühlplatte
36 beginnt, und parallel wird, eenkrecht orientierte säulenförmige
Körner in dem Wachstumsbereich abwärts durch den Gegenstand formenden Teil verbreitet. Das Giessen
von Gegenständen durch das in umgekehrter Richtung stattfindende Erstarrungsverfahren, wird zur Herstellung guter
Gegenstände mit einem säulenförmigen Körneraufbau wie z.B. Turbinenschaufeln oder -flügel, verwendet,'welche in den
Turbinenstufen höchster Temperatur des Motors Anwendung finden.
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Claims (7)
1) Giessform zum G-iessen von gerichtet erstarrten Gegenständen
mit einem Hohlraum zum "Formen der Gegenstände dadurch gekennzeichnet dass der Formhohlraum an seinem oberen
Ende geöffnet ist und in Eontakt mit einer Kühlplatte steht, eine zum Formhohlraum parallel gelegenen Füllhohlkammer
an ihrem oberen Ende zum Füllen der Giessform geöffnet ist, und ein Durchgang die beiden Hohlräume an deren
Enden verbindet, wobei das obere Ende des Füllhohlraumes höher ist als das obere Ende des Formhohlraumes.
2) Giessform nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet dass |
mehrere Formhohlräume ringförmig um den Füllhohlraum liegen, und eine Anzahl verbindender Durchgänge sich vom unteren
Teil des Füllhohlraumes zu den unteren Teilen der Formhohlräume hin erstrecken.
3) Giessform nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet dass Heizkörper ringförmig um die Füllhohlkammer angeordnet
sind, um die darin enthaltene Legierung in geschmolzenem Zustand zu erhalten während die Erstarrung der Legierung
in dem Formhohlraum sich vollzieht.
4) Giessform nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet dass
der Formhohlraum einen der Kühlplatte anliegenden und unter d
ihm gelegenen Einkristallselector begreift.
5) Verfahren zur Herstellung gerichtet erstarrter Gusstücke gemäss den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet dass eine
Giessform angewendet wird welche senkrecht sich erstreckende
nach oben offene Füllhohlräume und Formhohlräume begreift die durch ihre unteren Teile miteinander in Verbindung stehen
und mittels einer Kühlplatte die an dem oberen Ende des geöffneten Formhohlräume6 liegt, die Giessform auf eine über
dem Schmelzpunkt der Legierung gelegene Temperatur gebracht wird, die Giessform gefüllt wird, die Temperatur des Formhohlraumes
in der Richtung von der Kühlplatte nach unten
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stufenweise herabgesetzt wird um ein gerichtet stattfindendes
Erstarren im Innern des Formhohlraumes in der Richtung von der Kühlplatte aus nach unten zu erzielen,
wobei die Legierung in dem Füllhohlraum bis zum Erstarren der Legierung im Füllhohlraum über der Schmelztemperatur
gehalten wird.
6) Verfahren gemäss Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet dass
die Griessform so angefüllt wird, dass die Höhe der Legierung
im Füllhohlraum über der Kühlplatte liegt um einen positiven Druck der Legierung auf die Kühlplatte hervoraurufen.
7) Verfahren gemäss Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet dass eine Anzahl senkrecht getrennter Heiaspulen rundum den Formhohlraum
angebracht wird welche den Heizeffekt der Spulen von oben nach unten wahlweise vermindern um während dem
Erstarren der Legierung einen Warmegradient von oben nach unten in dem Formhohlraum hervorzurufen.
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