DE2450602C2

DE2450602C2 - Gießform

Info

Publication number: DE2450602C2
Application number: DE2450602A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey R. Salt Lake City Utah Brazer; Patrick Michael Tolland Conn. Curran; Bruce Ellington Cheshire Conn. Terkelsen
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-10-26
Filing date: 1974-10-24
Publication date: 1982-12-30
Also published as: DE2450602A1; CA1035538A; IT1025186B; SE7413149L; NL7413682A; JPS5074521A; FR2248897A1; GB1487598A; FR2248897B1; CH600973A5; IL45917A; SE410411B; AU7438374A; IL45917A0; NL174330C; NL174330B; US3908733A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Gießform der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zur Herstellung von Gußstücken mit Stengelgefüge aus einer hochwarmfesten Legierung.

Es ist bekannt (US-PS 37 11 337), daß gerichtet erstarrte Nickelsuperlegierungen durch einen Zusatz von geringen Anteilen bestimmter Legierungselemente, wie etwa Hafnium, bedeutend bessere mechanische Eigenschaften erhalten, insbesondere hinsichtlich der Verformbarkeit. Beispielsweise nimmt durch einen Zusatz von 1,5% bis 3,5% Hafnium die Querverformbarkeit von Turbinenlaufschaufeln stark zu, was bei deren Verwendung in einer Gasturbine zu einer besseren Leistungsfähigkeit und zur einer längeren so Lebensdauer führt.

Weil jedoch Hafnium mit Oxiden, wie etwa dem in dem Formwerkstoff enthaltenen Siliziumdioxid, reagiert, kommt es während der Erstarrung in der geschmolzenen Legierung zu einer Äbreicherung an Hafnium, und zwar insbesondere bei dem Gießen von Gußstücken mit Stengelgefüge (US-PS 32 60 505) oder bei Verwendung einer bekannten Gießform (US-PS 34 94 709) der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zur Herstellung von Einkristall-Gußstücken mit Stengelgefüge.

Bei Verwendung dieser bekannten Form zeigt es sich, daß der untere Teil des fertigen Gußstückes den Prozentsatz an Hafnium hat, der in der Legierung bei deren Eingießen vorhanden ist, daß aber weiter nach oben in dem Gußstück ein niedrigerer Hafniumgehalt vorhanden ist. Es ist bei bestimmten Turbinenschaufeln erwünscht, daß der Hafniumgehalt zwischen 1,75 Gew.-% und 2,50 Gew.-% gehalten wird. Aufgrund der Absicherung des Hafniums durch Reaktion mit dem Formwerkstoff während der Erstarrung sind jedoch an der Spitze niedrigere Hafiiiumgehalte von etwa 1,43% beobachtet worden, während der Hafniumgehalt an der Basis 2^50% beträgt. Ein so niedriger Prozentsatz an Hafnium an der Schaufelspitze ist unerwünscht. Die bekannte Gießform enthält zwar oberhalb des eigentlichen Formhohlraums einen Sekundärhohlraum, bei diesem handelt es sich jedoch nur um einen bei Gießformen üblichen Steiger.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gießform der vorgenannten Art so zu verbessern, daß die Abreicherung des mit dem Formwerkstoff reagierenden Elements der Legierung minimiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Gießform nach der Erfindung wird während der Erstarrung der Legierung das mit dem Formwerkstoff reagierende Element aus dem Reservoir für die schmelzflüssige Legierung, die in dem Reservoir geschmolzen bleibt, bis die gesamte Legierung in dem Gußstückhohlraum erstarrt ist, zugeführt. Dadurch, daß die schmelzflüssige Legierung der in dem Gußstückhohlraum erstarrenden Legierung ständig das mit dem Formverkstoff reagierende Element nachliefert, wird dessen Äbreicherung im oberen Teil des Gußstückes minimiert.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht einer Ausführungsform der Gießform nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt auf der Linie 2-2 von F i g. 1, F i g. 3 einen Querschnitt auf der Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig.4 eine Vertikalschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Gießform, die zum Herstellen von hohlen Schaufeln dient, und

F i g. 5 einen Querschnitt auf der Linie 5-5 von F i g. 4.

Gemäß Fig. 1 ist die Gießform 2, wenn sie gebrauchsfertig ist, auf der Abschreckplatte 4 angeordnet und hat ein offenes unteres Ende 6, so daß geschmolzene Legierung, wenn sie in die Gießform gegossen ist, in direkter Berührung mit der Abschreckplatte 4 ist. Die Gießform wird zum Herstellen von Gußstücken aus einer bekannten hochwarmfesten Nickelsuperlegierung (US-PS 32 60 505 und 34 94 709) verwendet, die mit einem Bestandteil angereichert worden ist, der die mechanischen Eigenschaften der Gußlegierung zwar verbessert, der aber mit dem Formoder Kernwerkstoff reagiert, so daß die Menge des Bestandteils während des Erstarrungsvorgangs verringert wird. Ein derartiger Bestandteil ist das Element Hafnium und eine der Superlegierungen, welcher Hafnium hinzugefügt ist, hat folgende Nominalzusammensetzung:

Kohlenstoff	0,14
Chrom	9,0
Kobalt	10,0
Aluminium	5,0
Titan	2,0
Wolfram	12,5
Niob	1,0
Bor	0,015
Zirkonium	0,05
Hafnium	2,5
Rest Nickel

Da es unerwünscht ist, daß die Gußlegierung mehr als einen vorbestimmten Prozentsatz von Hafnium enthält, beispielsweise 2,5%, wie oben beschrieben, kann die Menge an Hafnium in der Legierung, so wie sie eingegossen wird, nicht über diesem Wert liegen. Folglich muß der Gesamtverlust an Hafnium in dem oberen Teil des Gußstückes verringert werden.

Zur Minimierung des Gesamtverlustes an Hafnium während der Erstarrung ist die Gießform mit einem Reservoir versehen, welches so groß ausgeführt ist, daß die Abreicherungsmenge verringert wird. Gemäß F i g. 1 hat die Gießform einen Wachstumszonenhohlraum 8 in ihrem Basisteil, in welchem das Kristallwachstum in ein Stengelgefüge umgewandelt wird und welcher bis zu einer Linie 9 reicht, an der die Legierung im wesentlichen erstarrt ist. Oberhalb des Wachstumszonenhohlraums 8 in Fig. 1 ist ein Wurzelhohlraum 10 und oberhalb desselben ist ein Plattformhohlraum für die Turbinenschaufel, die gegossen wird. Oberhalb des Plattformhohlraums ist der eigentliche Gußstückhohlraum 12 für den mit Gas in Berührung kommenden Teil der Schaufel. Dieser Teil ist, wie in Fig.2 gezeigt, verhältnismäßig dünn und im Querschnitt tragflügelförmig. Wegen des dünnen Querschnitts mit einem hohen Oberflächen : Volumen-Verhältnis ist ein beträchtlicher Oberflächenbereich der Oxidoberfläche der Gießform ausgesetzt und ermöglicht die Reaktion des Hafniums in der geschmolzenen Legierung mit dem Formwerkstoff, was zu einer Hafniumabreicherung führt. An der Oberseite des Gußstückhohlraums 12 befindet sich ein Steiger 14 mit verhältnismäßig geringer Höhe und anschließend ein Reservoir 16 mit einem beträchtlichen Rauminhalt zum Zuführen der geschmolzenen Legierung.

Das Reservoir 16 steht über den Steiger 14 mit dem gesamten Bereich der Spitze des Gußstückhohlraums 12 in Verbindung. Der Steiger 14 ist folglich mit von der Spitze des Steigers 14 aus zu der Basis des Reservoirs 16 zunehmender Querschnittsfläche dargestellt, und das Reservoir 16 ist ar allen Stellen breiter als die Dicke der Spitze der Schaufel, geringfügig weiter als die Tiefe des Gußstückhohlraums 12 und erstreckt sich sowohl über die Vorderkante als auch die Hinterkante des Gußstückhohlraumquerschnitts an der Spitze hinaus, was aus der Darstellung in F i g. 3 zu erkennen ist. Das Reservoir 16 führt dem Oberteil des Gußstückhohlraums 12 geschmolzene Legierung zu, da in der Legierung während der Erstarrung eine Hafniumabreicherung stattfindet, um dadurch eine Legierung mit einer angemessenen Menge an Hafnium zuzuführen.

Das Reservoir 16 gleicht in seiner Querschnittsform etwas dem Gußstückhohlraum 12, es ist jedoch im Querschnitt breiter als in F i g. 3 dargestellt, vorzugsweise mindestens doppelt so breit. Das Reservoir 16 hat eine beträchtliche Höhe, beispielsweise von 2,5 cm bis 3,8 cm für eine Schaufel, die einen Tragflügelprofiltsil mit einer Höhe von 5,0 cm bis 7,6 cm haben kann. Der Steiger 14 ist eine Stelle, an welcher das fertige Gußstück von der in dem Reservoir 16 erstarrten Legierung abgetrennt werden kann. Oberhalb des Reservoirs 16 ist ein Kanal 18, durch welchen der Formhohlraum gefüllt wird und der mit einer nicht dargestellten Einfüllöffnung in Verbindung steht.

Im Gebrauch ist die Gießform auf der Abschreckplatte und in dem Ofen angeordnet, welcher Einrichtungen zum Aufheizen der Gießform auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung hat. Nachdem die Gießform auf diese Weise erhitzt worden ist, wird die Legierung mit <_twa 155°C Uberhitzungstemperatur in die Gießform gegossen, dit mindestens bis zu dem oberen Teil des Reservoirs 16 gefüllt wird. Die Erstarrung beginnt an der Abschreckplatte 4 und setzt sich nach oben fort, wobei ein Stengelgefüge oder ein Einkristall mit Stengelgefüge in dem Wachstumszonenhuhlraum 8 gebildet wird. Durch Kontrollieren des Temperaturgefälles in der Gießform setzt sich das Stengelgefügewachstum durch die Gießform hindurch ibis in das Reservoir 16 fort, so daß das gesamte Gußstück ein Stengel- oder Einkristaligefüge hat

Wenn das Erstarren in Aufwärtsrichtung fortschreitet, reagiert das Hafnium in der geschmolzenen Legierung mit der Gießform und somit wird der Hafniumgehalt zu der Oberseite des Gußstückhohlraums 12 hin in einem größeren Ausmaß abgereichert, wodurch der Prozentsatz an Hafnium verringert wird. Wegen des niedrigen Oberfläche : Volumen-Verhältnisses des Reservoirs 16 ist jedoch die Abreicherung der Legierung in dem Reservoir geringer und somit wird die Legierung, wenn sie innerhalb des Gußstückhohlraums 12 erstarrt, aus der noch an Hafnium reichen Legierung in dem Reservoir angereichert. Infolgedessen wird der Prozentsatz an Hafnium in dem Tragflügelteil der Schaufel nicht unter das gewünschte Minimum verrin gert und es wird die in der Schaufel insbesondere in der Nähe der Schaufelspitze geforderte Verformbarkeit erzielt.

Die Übertragung des Reaktionsbestandteils in der Legierung aus dem Reservoir 16 in die Legierung in dem Gußstückhohlraum erfolgt durch Konvektionsströme und durch Abwärtsdiffusion des Hafniums in der geschmolzenen Legierung. Diese Konvektionsströme und die Diffusion werden dadurch, daß das Reservoir 16 mit der gesamten Querschnittsfläche des tragflügelförmigen Gußstückhohlraums 12 in Verbindung steht, noch vergrößert.

Bei Verwendung des Reservoirs 16 hat es sich gezeigt, daß, wenn der Prozentsatz an Hafnium in der eingefüllten Legierung 2,50 beträgt, das Hafnium in der Legierung in der erstarrten Schaufel so wenig abgereichert ist, daß selbst an der Spitze der Schaufel der Hafniumgehalt nicht unter dem gewünschten Minimum von 1,75% liegt.

Eine Gießform 2' zum Herstellen von hohlen Schaufeln ist in den Fig.4 und 5 im Schnitt dargestellt. Die Gießform 2' hat einen Kern 20, welcher ebenfalls einen hohen Gehalt an Oxiden hat, wie etwa Siliziumdioxid, das mit dem Hafnium in der geschmolzenen Legierung reagiert. Da dieser Kern sich nicht aufwärts bis in das Reservoir 16' an der Oberseite des Gußstückhohlraums 12' erstreckt, wie in F i g. 4 gezeigt, werden bei dem fertigen Gußstück dieselben Ergebnisse erzielt, wobei der resultierende ausreichende Prozentsatz an Hafnium in der fertigen Gußschaufel auch an der Spitze derselben vorhanden ist. Der Ausdruck »Gießform« schließt den Kern als einen wesentlichen Teil der Gießform ein.

Die Beschreibung ist zwar nur auf eine Gießform /um Herstellen einer Turbinenschaufel und uuf den Gebrauch einer solchen Gießform gerichtet, diese ist jedoch in gleicher Weise zum Herstellen von anderen Werkstücken geeignet, wie etwa stationären Turbinen leitschaufeln und Werkstücken mit anderer Geometrie, die ein hohes Oberfläche : Volumen-Verhältnis haben. Das wesentliche Merkmal besteht darin, diil.i eins Reservoir eine solche Größe hat. daß dns diirin enthaltene Hafnium während der Erstarrung nicht inuei

das gewünschte Minimum abgereichert wird. Auf diese Weise besteht ein ausreichender Vorrat an hafniumreicher Legierung zum Anreichern der Legierung im oberen Bereich des Gußstückhohlraums während der Erstarrung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

3 Gießform zur Herstellung von Gußstücken mit Stengelgefüge aus einer hochwarmfesten Legierung, die als einen Bestandteil ein Element enthält, das mit dem Formwerkstoff reagiert, mit einem Basisteil mit einem darin enthaltenen Wachstumszonenhohlraum (8), mit einem Wurzelhohlraum (10), der oberhalb des Wachstumszonenhohlraums angeordnet ist und mit diesem in Verbindung steht, mit einem Gußstückhohlraum (12), der oberhalb des Wurzelhohlraums angeordnet ist und mit diesem in Verbindung steht, und mit einem Sekundärhohlraum (16), der oberhalb des Gußstückhohlraums angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärhohlraum (16) als Reservoir für die schmelzflüssige Legierung mit einem so großen Volumen : Oberflächen-Verhältnis ausgebildet ist, daß eine Äbreicherung des mit dem Formwerkstoff reagierenden Elementes darin unter die erforderliehe Menge in der Legierung während deren Erstarrung verhindert wird.
2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (16) tragflügelförmig ist und eine größere Querschnittsfläche als das mit ihm in Verbindung stehende Ende des ebenfalls tragflügelförmigen Gußstückhohlraums (12) hat.
3. Gießform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (16) einen ähnlichen Querschnitt wie die Spitze des Gußstückhohlraums (12) hat und mit dem gesamten Querschnitt derselben in Verbindung steht.