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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Vergießen von Metallschmelze entsprechend den Oberbegriffen der
unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 8.
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Viele der bei der Herstellung van Gasturbinentriebwerken eingesetzten
Komponenten sind Präzisionsgußstucke, die mit Feingußverfahren, wie z. B.
dem Wachsausschmelzverfahren, geformt werden müssen. Für andere
Gegenstände, wie z. B. Komponenten fur Turbolader, können solche
Herstellungsverfahren ebenfalls verwendet werden.
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In der Industrie für Gasturbinentriebwerke gibt es drei unterschiedliche Typen
von metallurgischen Kornstrukturen, mit denen Komponenten hergestellt
werden. Bei diesen Strukturen handelt es sich um gleichgerichtete (EA), mit
gerichtet orientierten stengelförmigen Körnern gerichtet erstarrte (DS) und
einzel- oder monokristalline (SX) Komponenten.
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EA-Komponenten waren die ersten Feinguß-Komponenten, die kommerziell in
Gasturbinentriebwerken eingesetzt wurden. Sowohl DS- als auch
SX-Komponenten waren spdtere Entwicklungen.
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Bei der Herstellung z.B. einer EA-Turbinenschaufel gibt es viele, oftmals
einander widersprechende Variablen. Die Komponenten weisen häufig einen
relativ dicken und schweren Fußbereich an einem Ende sowie einen etwas
weniger dicken und weniger schweren Deckbandbereich am anderen Ende auf,
wobei die zwei Bereiche oft durch einen relativ langen, im Querschnitt dunnen
Flügelbereich verbunden sind. In vielen Fällen weist das Teil in seinem Inneren
auch Hohlkanäle auf, die dazu fuhren, daß der Wandabschnitt des
Flügelbereiches noch dunner wird.
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Aufgrund ihrer Querschnittsänderungen sind typische Komponenten sehr
anfällig fur die Bildung von Poren während der Erstarrung.
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Im Fall von EA-Komponenten gibt es nur eine geringe oder keine andere
Steuerung der Erstarrung als die, weiche durch das außenliegende Rinnen- und
Speisersystem aufgebracht wird. Das Speisersystem ist üblicherweise so
angeordnet, daß jeweils das letzte bzw. entfernteste Metall erstarrt, als ein
Versuch, die Zufuhrung von flussigem Metall zur erstarrenden Komponente zu
gewährleisten. Im Fall von Flugeln werden manchmal Nebenspeiser an dunnen
Querschnitten angebracht, um zu versuchen, flüssiges Metall zuführbar zu
halten und so das Entstehen von Schrumpfporosität zu verhindern oder zu
minimieren. Jedoch können solche Maßnahmen unannehmbare Schwankungen in
der Korngröße verursachen, die dazu fohren können, daß das Teil nicht
abgenommen wird. So haben Triebwerksbersteller Spezifikationen für maximal
annehmbare Porosität und deren Verteilung in Komponenten erlassen. Es
werden daher erhebliche Mittel für zerstörungsfreie Prüfmethoden usw.
aufgewendet, um unter diesem Standard liegende Komponenten feststellen zu
können.
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Im Hinblick auf DE 36 03 310 A1 hat der Anmelder freiwillig den Umfang der
vorliegenden Anmeldung bezuglich Deutschland begrenzt und getrennte
Anspruche für diesen Vertragsstaat eingereicht.
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Chandley u.a. schlagen in der US 34 20 291, die dem Oberbegriff des
Anspruchs 8 zugrundeliegt, ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung
von Restporosität durch Unterdrucksetzen des erstarrenden Metalls vor. Er
schlägt einen Druckbehälter vor, in dem entweder die Form erhitzt oder in
den eine erhitzte Form eingesetzt werden kann. Der Druckbehälter selbst muß
im Fall von typischen Legierungen für Turbinenkomponenten in einer
Vakuumschmelz- und Vakuumgießkammer eingeschlossen sein. Metallschmelze wird
unter Vakuum in die Form vergossen, wonach ein Schließteil am
Druckbehälter in Schließstellung befestigt und der Behälter mit einem Gas unter
Druck gesetzt wird, das mit der Metallschmelze nicht reagiert. Es wird hierfur
ein Druck von 1.000 bis 4.000 p.s.i. (6,9 bis 27.6 MPa) vorgeschrieben, wobei
2.000 bis 3.000 p.s.i. (13,8 bis 20,7 MPa) der bevorzugte Bereich ist. Obwohl
anscheinend deutliche Verbesserungen in der Fehlerlosigkeit der Gußteile
erreicht wurden, wurde das Verfahren von der Industrie nicht angenommen.
Die Grunde fur dieses Nichtannehmen liegen im wesentlichen in der
Kompliziertheit des Gebrauchs der beschriebenen Vorrichtung und auch
möglicherweise im eventuellen Sicherheitsrisiko. Denn zunächst ist es
notwendig, die Form oder das Behälterinnere zu erwärmen und die Form in
den Behälter zu stellen. Da der Behälter und die Form zusammen innerhalb
eines Vakuumgießofens vorliegen müssen, ist es dann nötig, den
Vakuumgießofen zu schließen und bis zum erforderlichen Druck abzupumpen. In einem
typischen Ofen, der fur die Aufnahme der Behdlter-Anordnung groß genug ist,
kann dies mehr als 15 Minuten dauern. Ist der geforderte Druck erreicht, muß
die Metallcharge geschmolzen und vor dem Vergießen auf eine konstante
Temperatur gebracht werden. Dieses benötigt ebenfalls ungefähr 10 Minuten.
Nachdem das Metall in die Form vergossen wurde, muß der Druckbehälter
abgedichtet und unter Druck gesetzt werden. Mit dem in der Vakuumkammer
isolierten Behälter ist dies äußerst schwierig durchführbar und erfordert
komplizierte fernbedienbare Mechanismen, die durch die Wände der
Vakuumkammer hindurchführen. Die Zeit zum Abdichten des Druckbehalters kann
mehr als 3 Minuten in Anspruch nehmen. Der Vakuumgießofen ist dann belegt,
während die Metallschmelze erstarrt. Es ist daher sehr schwierig, mehr als
einen oder höchstens zwei Gießvorgänge pro Stunde durchführen zu können.
Aufgrund der relativ langen Zeit, die zum Abdichten des Druckbehälters
erforderlich ist, ist das Metall teilweise schon erstarrt, bevor der Druck
aufgebracht ist, und daher ist der zum Erzielen eines vorgegebenen Ergebnisses
aufzubringende Druck hoch; bis zu 4.000 p.s.i. Der Druckbehälter selbst muß
aus Sicherheitsgrunden bei Drücken gepruft werden, die eventuell ein
Mehrfaches des Maximums des geplanten Betriebsdruckes betragen. Eine
weitere Variable liegt darin, daß der Druckbehälter selbst infolge von der
Form oder von den Formheizeinrichtungen abgestrahlter Wärme aufgeheizt
wird, wodurch das Material, aus dem der Druckbehälter gebaut ist, geschwächt
wird. Es bestehen daher erhebliche Sicherheitsgefährdungen.
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Die DE-A-32 20 744 beschreibt einen Vakuumgießofen mit einer oberen
Kammer zum Schmelzen und Vergießen von Metall und einer unteren Kammer
zum Kühlen der Form, wobei die zwei Kammern voneinander durch ein Ventil
isoliert werden können. Zwischen den beiden Kammern ist ein
Form-Transportsystem vorgesehen, jedoch kann die untere Kammer nicht mit einem Inertgas
bis zu den Drucken unter Druck gesetzt werden, die zur Verminderung der
während der Erstarrung entstehenden Porosität notwendig sind, und es sind in
der oberen Kammer auch keine Einrichtungen zum Heizen der Form
vorhanden.
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Die GB-A-13 56 890, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt,
beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von DS-Gußstucken. Die
Vorrichtung weist eine bewegbare Vakuumschmelz- und Vakuumgießkammer
auf, die zwei oder mehr Kühlkammern bedient, um die Ausnutzung der
Schmelzanlage zu verbessern. Die Vorrichtung besitzt jedoch keine
Einrichtungen zum Unterdrucksetzen der Kühlkammern, da die Komponenten
nach dem DS-Verfahren hergestellt werden und daher im wesentlichen frei von
Porosität sind, wie dies oben erläutert wurde.
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Die GB-A-21 63 684 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Behandlung und zum Vergießen von Metall in einem geschlossenen Raum. Die
betreffende Vorrichtung ist vorrangig für Metallschmelzen bestimmt, die man
als Teil des Gießvorganges mit einem Legierungsgas reagieren laßt. Das
Grundmetall wird zusammen mit einigen festen Legierungszusätzen in einer unter
Druck gesetzten Kammer geschmolzen und dann in einen Zwischenbehälter
vergossen, der einen gasdurchldssigen Boden aufweist, durch den das
Legierungsgas sprudelt, um mit der Metallschmelze im Zwischenbehälter zu
reagieren. Nachdem das Metall mit dem Gas eine Reaktion eingegangen ist,
wird es dann mittels Ventileinrichtungen in eine Form in einer zweiten
Kammer vergossen, die dann unter Druck gesetzt wird, um zu verhindern, daß
im erstarrenden Metall das zur Reaktion gebrachte Gas austritt.
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Ein alternatives Verfahren, das ebenfalls eingesetzt wurde, ist das isostatische
Heißpressen. Etwas innere Porosität kann vielleicht mit dieser Technik
eingeschlossen werden, aber sie ist sehr teuer und hat keine Wirkung auf
Oberflächenporosität. Für einige Anwendungsbereiche nehmen einige
Triebwerkshersteller keine Komponenten an, die so behandelt worden sind.
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DS- und SX-Komponenten werden mit den im wesentlichen gleichen Arten von
Vakuumöfen hergestellt. Die Formen werden auf einer wassergekuhlten
Abschreckplatte aufgebaut, die Teil des Endes eines Stempels mit steuerbarer
Stellung und Geschwindigkeit ist. Die Formen sind nicht isoliert und werden an
Ort und Stelle in der Gießkammer durch Wärmestrahlung vorgeheizt. Die kalte
Form wird in die Gießstellung mittels des Stempels nach oben verfahren und in
der Gießstellung auf die gewünschte Temperatur durch
Strahlungsheizeinrichtungen erwdrmt. Dabei werden Formtemperaturen bis zu 1600 ºC
erreicht. Die Metallschmelze wird in die Form vergossen, wo sie im
schmelzflüssigen Zustand gehalten wird. Durch langsames Zurückfahren der Form auf
dem Stempel aus der Wärmestrahlungszone wird die Erstarrung eingeleitet, so
daß eine im wesentlichen ebene Grenzfläche fest/flüssig erzeugt wird. Dem
erstarrenden Metall wird kontinuierlich flüssiges Metall zugeführt, so daß
Schwinden oder Gasporosität niemals entstehen oder eingeschlossen werden
können, da keine geschlossenen Nester von flussigem Metall im erstarrten
Metall vorhanden sind. Die Auswirkung eines solchen Erstarrungsverfahrens auf
die Struktur besteht in der Erzeugung von gerichtet orientierten
stengelförmigen Körnern in DS-Komponenten oder eines Einkristalls in
SX-Komponenten, wobei bei den letzteren spezielle anfängliche Zusatzschritte
ausgeführt werden.
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Obgleich DS- und SX-Komponenten gleichbleibend fehlerfrei beztlglich der
Porosität sind, werden sie nur in sehr schwierigen Anwendungsbereichen bei
einigen Teilen einiger Triebwerke wegen der Vorteile eingesetzt, die von der
erzeugten metallurgischen Struktur herrühren. DS- und SX-Komponenten sind
aufgrund der relativ langsamen Erstarrungsgeschwindigkeit in der Herstellung
teuer.
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Für die absehbare Zukunft wird der überwiegende Anteil von
Feinguß-Gasturbinentriebwerkskomponenten vom Typ EA sein. Aus wirtschaftlichen
Gründen ist es äußerst wünschenswert, den Anteil an Ausschuß zu vermindern,
der aufgrund von Porosität in EA-Komponenten produziert wird. Ein typischer
Ausschußanteil bei EA-Komponenten kann 30% sein und für einige besonders
schwierige Komponenten steigt die Ausschußrate auf über 50%. Es ist ebenfalls
wirtschaftlich wünschenswert, die Formen an Ort und Stelle im Gießofen
vorzuwärmen, um die kostenaufwendige Vorheizstufe in externen Öfen zu vermeiden,
die bei den für EA-Gußstücke eingesetzten Ofenarten üblich ist.
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Es ist weiterhin wunschenswert, EA-, DS- und SX-Komponenten im selben
Ofentyp bei einem minimalen Aufwand für einen Wechsel herzustellen.
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Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Vorrichtung zur Herstellung von Gußmetallteilen zur Verfügung gestellt. Die
Vorrichtung umfaßt eine Gießkammer, Einrichtungen zum Schmelzen und zum
Vergießen des Metalls, die zum Füllen einer Form in der Gießkammer
eingerichtet sind, eine Formkammer neben der Gießkammer und mit dieser durch
eine Ventileinrichtung ausreichender Größe verbunden, durch welche die
gefüllte Form hindurchführbar ist, eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines
Unterdrucks in der Gieß- und in der Formkammer, eine
Formverfahreinrichtung zum Transport der gefüllten Form von der Gießkammer zur
Formkammer und ist gekennzeichnet durch eine in der Gießkammer vorhandene
Formheizeinrichtung und eine an die Formkammer angeschlossene
Druckerzeugungseinrichtung, mit der die Formkammer bis zu einem Druck von 7
MPa mit einem Gas unabhdngig unter Druck gesetzt werden kann.
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Die Ausbildung von Formheizeinrichtungen durch z. B. widerstandsgeheizte
Molybdän- oder induktionsgeheizte Graphitwärmestrahler in der Gießkammer
vermeidet die Notwendigkeit von externen Vorheizöfen sowie einer
zusätzlichen Formisolierung und ermöglicht höhere Temperaturen zusammen
mit einer größeren Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit von
Vorheiztemperaturen.
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Die Formkammer kann auch innere, in ihrer Dicke variable Isolierungen
aufweisen, die zu ausgewählten Bereichen einer bestimmten Form
ausgerichtet sind, um unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten in
ausgewählten Bereichen der gefüllten Form zu erreichen.
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Die Formkammer kann auch Strahlungsheizeinrichtungen zum gezielten Heizen
von Teilen der gefüllten Form aufweisen.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die
Formkammer unter der Gießkammer angeordnet. Die Formverfahreinrichtung
kann einen Stempel aufweisen, der z. B. durch hydraulische oder elektrische
Einrichtungen betätigt wird und die Form durch die Ventileinrichtungen
vertikal von der Formkammer zur Gießkammer und wieder zurück verfährt.
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Die Formverfahreinrichtung kann auch eine Isolierung zwischen der Form und
ihrem Sitz auf der Formverfahreinrichtung aufweisen. Im Fall der Herstellung
von EA-Komponenten kann eine solche Isolierung notwendig sein, um einen
übermäßig gerichteten Wärmefluß durch Wärmeleitung aus der Form zu
verhindern. Bei DS- und SX-Komponenten ist unmittelbarer Kontakt zwischen
der Form und der an die Formverfahreinrichtung angeschlossenen
Kuhleinrichtung notwendig, um einen gerichteten Wärmefluß aus der Form zu fördern.
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Die Formkammer ist als Druckbehälter gebaut und von der Ofenkammer durch
Ventileinrichtungen getrennt, die ein schnell ansprechendes Isolierungsventil
umfassen. Bei EA-Komponenten kann die die vergossene Metallschmelze
enthaltende Form schnell in die Formkammer zurückverfahren, das
Isolierungsventil geschlossen und die Formkammer mit einem Fluid, wie z.B. Argon,
unter Druck gesetzt werden. Die Form kann innerhalb von etwa 10 bis 20
Sekunden, nachdem das Metall vergossen worden ist, in die Formkammer
zurückverfahren, isoliert und unter Druck gesetzt werden. Es hat sich
herausgestellt, daß aufgrund dieser kurzen Zeitspanne der erforderliche Druck zur
Erreichung einer wesentlichen Verringerung oder Vermeidung von Restporosität
im allgemeinen auf unter 1.000 p.s.i. (6,9 MPa) und für die meisten
Anwendungsfälle auf weniger als 500 p.s.i. (3,45 MPa) abgesenkt werden kann.
Dies hat sowohl Vorteile hinsichtlich der Sicherheit des Verfahrens aufgrund
niedrigerer Drücke, als auch in wirtschaftlicher Hinsicht wegen niedrigeren
Kapitalaufwandes für Anlagen.
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Die Vorrichtung kann jedoch so gebaut werden, daß sie jedem gewünschten,
mit technischen und Sicherheitsanforderungen übereinstimmenden Druck
standhält. Es gibt keinen Grund, warum die Form, wenn dies so gewünscht
werden sollte, nicht derart konstruiert werden könnte, daß sie z. B. 35 MPa
standhält.
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Die Vorrichtung kann zur Herstellung von DS- und SX-Komponenten eingesetzt
werden, obwohl im Fall solcher Komponenten die Einrichtung zur
Unterdrucksetzung wegen des Erstarrungsmechanismus nicht erforderlich ist. Dies hat
jedoch den Vorteil, daß der Hersteller eine völlige Flexibilität dadurch erhält,
daß die Gießvorrichtung zur Herstellung jedes Komponententyps eingesetzt
werden kann.
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Da die Formkammer und ihre angeschlossenen Geräte relativ kompakt sind,
können zwei oder mehr Formkammern von einer Gießkammer bedient werden.
Auf diese Weise kann ein größerer Ausstoß an Gußstücken erreicht werden, da
die Gießkammer auch zur Verfügung steht, während die Gußstücke in einer
Formkammer erstarren.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung von Gußstucken zur Verfugung gestellt. Das Verfahren umfaßt die
Verfahrensschritte Schmelzen einer Metallcharge, Vergießen des Metalls in
eine Form in einer Gießkammer mit einer Unterdruckatmosphäre,
Zurückfahren der gefullten Form in eine Formkammer sowie Druckisolieren der
Formkammer gegenüber der Gießkammer und ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Form in der Gießkammer vor dem Vergießen des Metalls erhitzt und nach dem
Zurückfahren der gefullten Form in die Formkammer diese mit einem Gas bis
zu einem maximalen Druck von 7 MPa für zumindest einen Teil der Zeitspanne
unter Druck gesetzt wird, die zum Erstarren des Metalls in der Form
erforderlich ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Zeit zwischen dem
Ende des Vergießens des Metalls und dem Druckaufbringen weniger als 40
Sekunden betragen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann diese
Zeit weniger als 20 Sekunden betragen. Je schneller der Druck auf das
vergossene Metall nach dem Vergießen aufgebracht wird, desto niedriger ist
der erforderliche Druck, um eine vorgegebene Verringerung an Porosität zu
bewirken. Dies setzt natürlich andere konstante Parameter voraus, wie z.
gleichbleibende Metallvergießtemperaturen und Formvorheiztemperaturen
sowie eine gleichbleibende Formausbildung und -konstruktion.
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Die Vorrichtung und das Verfahren gemd.ß der vorliegenden Erfindung können
zum Vergießen einer weiten Vielfalt von Metallen und Legierungen eingesetzt
werden, die z. B. Kupfer- und Aluminumlegierungen wie auch auf Eisen, Nickel
und Kobald basierende Superlegierungen einschließen.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun als
Erläuterung Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darin befindlichen
Form, unmittelbar vor dem Vergießen von Metallschmelze;
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Figur 2 die Vorrichtung aus Figur 1 nach dem Vergießen von Metallschmelze;
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Figur 3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darin befindlichen
Form, unmittelbar vor dem Vergießen von Metallschmelze;
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Figur 4 die Vorrichtung aus Figur 3 nach dem Vergießen von Metallschmelze;
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Figur 5 eine Abwandlung einer Vorrichtung, die der aus den Figuren 3 und 4
ähnlich ist, und
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Figur 6 eine Abwandlung einer Formvakuum-/Formdruckkammer.
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Es wird Bezug genommen auf die Figuren 1 und 2, in denen dieselben
Merkmale durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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Eine Vorrichtung zum Gießen von Teilen ist allgemein bei 10 gezeigt. Die
Vorrichtung weist eine Vakuumgießkammer 11 mit einer an einer Vakuumpumpe
(nicht dargestellt) angeschlossenen Öffnung 12 auf. In der Kammer 11 ist eine
Spulenkasten-Baugruppe 13 mit (nicht dargestellten) Induktionsheizspulen und
einem Schmelztiegel 14 enthalten; die Baugruppe 13 ist so befestigt, daß sie
zum Vergießen der Metallschmelze 15 in bekannter Weise gekippt werden
kann. Der Kammeraufbau weist auch eine Öffnung 16 und einen
Vakuumverschluß 17 auf, um ein Wiederbefüllen des Schmelztiegels 14 mit neuem
Metall unter Vakuum zu ermöglichen. In der unteren Wand 20 der Kammer 11
ist eine Öffnung 21 ausreichender Größe vorhanden, durch die eine
Form-Baugruppe 22 hindurchführbar ist. Oberhalb der und um die Öffnung 21
herum ist eine Formheizkammer 23 angeordnet, die einen äußeren
Isolierungsbehälter 24 mit darin enthaltenen bekannten Strahlungsheizeinrichtungen 25
und daran befestigten, geeigneten Energieversorgungs- und Steuereinrichtungen
(nicht dargestellt) umfaßt. In der Oberseite des Isolierungsbehälters 24 ist eine
Öffnung mit einem darin befindlichen Gießrohr 27 angebracht, um die
Metallschmelze beim Vergießen in die Form 22 zu leiten. Unter der Vakuumkammer
11 befindet sich eine Formkammer 30. Die Formkammer 30 ist in einer
dichtenden Verbindung an der unteren Wand 20 der Gießkammer 11 befestigt.
Die Kammer 30 kann gegenüber der Kammer 11 mittels des Isolierventils 31
und einer Dichtung 32 isoliert werden. Das Ventil 31 kann zwischen der
Offenstellung (Figur 1) und der Schließstellung (Figur 2) durch geeignete
bekannte, fernbedienbare Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) bewegt
werden. Um die Kammerwände herum sind Kühlkanäle 33 vorgesehen. Die
Kammer 30 weist eine Tür 34 in ihrer einen Seitenwand auf, um ein
Positionieren und ein späteres Entfernen der Form 22 zu ermöglichen, wobei
die Tür 34 gegenüber der Kammerwand 35 abdichtbar ist. In der Kammerwand
35 ist auch eine Vakuumpumpenöffnung 36 vorgesehen, die an eine (nicht
dargestellte) Vakuumpumpe über ein Ventil 37 angeschlossen ist. Eine weitere
Öffnung 38 ist in der Wand 35 vorgesehen, um Fluid unter Druck von einer
Fluid-Zuführquelle (nicht dargestellt) über ein Ventil 39 zuzuführen. Die Form
22 ist auf einem Tisch 40 befestigt, aber gegenuber diesem uber einen
Isolierblock 41 isoliert. Der Tisch 40 selbst ist auf der Oberseite eines bewegbaren
Stempels 43 befestigt, der in einer dichtenden Verbindung durch die untere
Wand 44 der Kammer 30 gleitet. Der Tisch 40 und der Stempel 43 sind mit
Kanälen 45 für Kühlwasser versehen. Der Stempel 43 wird hydraulisch
angetrieben, kann aber auch elektrisch angetrieben werden, und er verfährt die
Form 22 zwischen den Kammern 11 und 30.
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Im Betrieb wird die Kammer 11 bis zu einem niedrigen Druck ausgepumpt, der
den Anforderungen der zu vergießenden Legierung angepaßt ist. Das Ventil 31
wird geschlossen und der Stempel 43 und der Tisch 40 in ihre unterste Stellung
zurückgefahren. Das Metall im Schmelztiegel 14 wird eingeschmolzen und die
Temperatur erhöht und beim gewünschten Wert konstant gehalten. Sodann
werden die Form 22 und der Isolierblock 41 durch die Tür 34 auf den Tisch 40
gestellt, wonach die Tür 34 geschlossen und abgedichtet und sodann die
Kammer 30 auf denselben oder eine ähnlichen Druck wie dem in der Kammer
11 evakuiert wird. Beim geeigneten Druck wird das Ventil 31 geöffnet und die
Form und die zugehörigen Stützen werden mittels des Stempels in die
Formheizkammer 23 (Figur 1) nach oben verfahren. Die Formtemperatur wird
dann mittels der Strahlungsheizeinrichtung 25 auf die gewünschte Temperatur
erhöht. Sobald die Form 22 und das Metall 15 bei der gewünschten Temperatur
stabilisiert sind, wird das Metall in die Form vergossen. Unmittelbar nach dem
Vergießen des Metalls wird der Stempel 43 in die Kammer 30 zurückverfahren,
das Ventil 31 geschlossen, das Ventil 37 ebenfalls geschlossen und das Ventil
39 geöffnet, um Druck-Fluid, das z. B. Argongas sein kann, zuzuführen (Figur
2). Die Kammer wird schnell auf einen Druck von unter 7 Mpa gebracht. Die
Metallschmelze kann so unter Gasdruck erstarren, was zur Vermeidung von
Lunkerbildung bei Schwindporosität infolge des Unterdrucksetzens fuhrt, so daß
kontinuierlich flussiges Metall zwischen die zufällig wachsenden Korngebilde
der erstarrenden Masse zugeftihrt wird. Während die Erstarrung in der Kammer
30 fortschreitet, kann der Schmelztiegel 14 mit neuem Metall durch die
Öffnung 16 und den Vakuumverschluß 17 wieder befullt und das Metall fur die
nächste Form fertiggeschmolzen werden.
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Es sei nun Bezug genommen auf die Figuren 3 und 4, in denen diesselben
Merkmale durch gemeinsame Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Eine
Vorrichtung zum Vakuumvergießen und zur Druckerstarrung ist allgemein bei 50
dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Schmelz und Gießkammer 51, eine
Formheizkammer 52 sowie eine Formvakuum-/Formdruckkammer 53 auf. Alle
drei Kammern können gegeneinander durch geeignete Ventile isoliert sein, wie
dies weiter unten beschrieben wird. Die Schmelz und Gießkammer 51 weist
einen Schmelztiegel 54 auf, der durch Induktionsspulen 55 beheizt wird. Metall
kann in den Schmelztiegel 54 durch Entfernen des Deckels 57 der Öffnung
eingefüllt werden. Die Kammer wird über eine Leitung 56 evakuiert, die sowohl
an eine Vakuumpumpeinrichtung (nicht dargestellt) als auch an die
Formvakuum-/Formdruckkammer 53 mittels eines Verteilers 66 angeschlossen
ist. Die Kammer 51 kann gegenuber der Kammer 53 durch ein Ventil 58 in der
Leitung 56 isoliert werden. Die Kammer 52 wird über die Leitung 59
evakuiert, die ebenfalls an die Vakuumpumpeinrichtung (nicht dargestellt)
angeschlossen ist. Die Kammer 51 kann gegenuber der Kammer 52 durch das
an einem Schwenkarm angeordnete Ventil 60 isoliert werden. Die Kammer 52
kann gegenuber der Kammer 53 durch das an einem Schwenkarm angebrachte
Ventil 62 isoliert werden. Die Kammer 52 nimmt Formheizeinrichtungen 63
auf, die eine Isolierung 64 und Strahlungsheizeinrichtungen 65 umfassen. Die
Kammer 53 wird am Verteiler 66 über eine zwischengeschaltete Dichtung 68
gehaltert. Der Verteiler 66 ist ferner mit einer Leitung 69 und einem Ventil
70 zur Zufuhr von Druckfluid aus einer Druckfluidquelle (nicht dargestellt),
wie z. B. einer Gasflasche, versehen. Die Kammern 52 und 53 weisen
außenliegende Wasser-Kuhlrohre 71 bzw. 72 auf. Eine Form 75 wird auf einem Tisch
76 mittels eines Isolierungsblocks 77 abgestutzt, wobei der Tisch auf einem
bewegbaren Stempel 78 befestigt ist. Der Tisch 76 und der Stempel 78 sind
mit innenliegenden Wasser-Kuhlungskanälen 79 versehen. Der Stempel steht in
abgedichteter Gleitverbindung mit dem unteren Deckel 80 der Kammer 53. Die
Kammer 53 selbst ist zum Verteiler 66 relativ bewegbar mittels eines
hydraulisch betätigten Mechanismus (nicht dargestellt), auf dem die Kammer
53 und der zugehörige Stempel 78 befestigt sind. Der Mechanismus verfährt
die Kammer 53 und die zugehörige Vorrichtung nach unten und außen, um
einen Zugriff auf das Innere der Kammer 53 zu ermöglichen.
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Die Betriebsweise der Vorrichtung ist im wesentlichen der ähnlich, die mit
Bezug auf die Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde.
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Die Kammer 51 wird anfangs durch die Ventil 60 und 68 gegenüber den
Kammern 52 und 53 verschlossen und uber die Rohrleitung 56 evakuiert. Die
Form 75 wird in die Kammer 53 gesetzt und die Kammer dann an die
Dichtung 68 angelegt. Die Evakuierung der Kammer 53 kann durch das Öffnen
des Ventils 58 erfolgen. Die Kammer 52 wird ebenfalls anfänglich gegen die
Kammer 53 durch das Ventil 62 isoliert und über die Leitung 59 evakuiert.
Nachdem die Evakuierung der Kammern 51, 52 und 53 bis zu dem gewunschten
Druck oder den gewunschten Drücken erfolgt ist, wird das Ventil 62 geöffnet
und die Form von der Kammer 53 zur Kammer 52 auf dem Stempel 78 und
dem zugehörigen Tisch 76 und der zugehörigen Isolierung 77 nach oben
verfahren. Während das Metall schmilzt und bei einer gewunschten Temperatur
stabilisiert wird, wird die Form durch die Strahlungsheizeinrichtung 65 bis zu
einer gewünschten Temperatur vorgeheizt. Wenn das Metall nahe seiner
gewunschten Temperatur ist, wird das Ventil 60 geöffnet. Nach dem Vergießen
des Metalls in die Form wird die gefullte Form sofort in die Kammer 53
zurückverfahren, die Ventile 58 und 62 werden geschlossen und das Ventil 70
wird geöffnet, um ein Einströmen von Druckfluid in die Kammer 53 bis zu
einem maximalen Druck von 7 MPa zu gestatten. Das Metall in der Form kann
auf diese Weise unter isostatischem Gasdruck erstarren.
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Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung aus den Figuren 3 und 4, bei
der die Kammer 53 von der Kammer 52 und dem Verteiler 66 getrennt werden
kann, ohne das Vakuum in den Kammern 51 und 52 aufzuheben oder den Druck
in der Kammer 53 zu vermindern.
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Die Vorrichtung 50 ist im wesentlichen der ähnlich, die in den Figuren 3 und 4
dargestellt ist, ist jedoch zusätzlich mit einem zweiten Verteiler 90 versehen,
der gegenuber der Dichtung 68 des Verteilers 66 abdichtet. Die
Druckfluidleitung 69 und das Ventil 70 sind bei dieser Ausfuhrungsform nicht mehr am
Verteiler 66 angebracht und durch eine Vakuumleitung 91 und ein Ventil 92
ersetzt, das an die Vakuumpumpeinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen
ist. Der Verteiler 90 ist mit einer Vakuumleitung 94 und einem Ventil 95
versehen, die zur unabhängigen Evakuierung der Kammer 53 an die
Vakuumpumpeinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Im Verteiler 90 sind
ferner ein Ventil 97 mit einem Schwenkarm, eine Druckfluid-Einlaßleitung98
für unter Druck stehendes Fluid und ein Steuerventil 99 vorgesehen, wobei die
beiden letzteren an eine Druckfluidquelle (nicht dargestellt) angeschlossen
sind. Die Kammer 53 ist gegenuber dem Verteiler 90 uber eine Dichtung 100
abgedichtet und wird an ihm durch geeignete Klammern 101 gehalten. Die
Kammer-/Verteilerbaugruppe 53, 90 usw. ist als eine Einheit bewegbar und
kann , wobei sie weiterhin unter Druck steht, von der Dichtung 68 / dem
Verteiler 66 mittels eines hydraulisch oder elektrisch betätigten Mechanismus
(nicht dargestellt) gelöst werden, der die Baugruppe aus Kammer und
Verteiler, welche die metallgefullte Form enthält, wegführt, wobei sie durch
eine zweite, ähnliche Kammer- und Verteilerbaugruppe mit einer neuen, leeren
Form ersetzt wird. Auf diese Weise kann die Produktionsgeschwindigkeit
erhöht werden, da die Gießvorrichtung verfügbar ist, während das Metall
erstarrt.
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Die Erstarrung des Metalls in der Form erfolgt hauptsächlich durch den
Mechanismus des Abstrahlens zu den Wänden der Formkammer, von wo die
Wärme durch die Kühlungskanäle 72 abgeführt wird. In einigen Fällen kann es
wünschenswert sein, eine schnelle Wärmeabfuhrung zu verhindern und die
Abkühlungsgeschwindigkeit zu steuern. Wie in Figur 6 dargestellt, kann dies
mittels in der Formkammer angeordneter Isolierungsglieder 110 erreicht
werden. Solche Glieder 110 können in Gestalt, Dicke, Werkstoff usw. variieren,
was u.a. von der Gestaltung und den Abmessungen der zu vergießenden Teile
abhängt. Als Werkstoffe können z. B. versteifte Keramikfasertücher aus
Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Zirkoniumdioxid verwendet werden.
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Das am häufigsten eingesetzte Druckfluid dürfte wohl Argon sein; jedoch
können auch andere Gase eingesetzt werden, einschließlich Helium, Stickstoff
und Luft, wobei die Auswahl hauptsächlich durch die zu vergießenden
Werkstoffe vorgegeben wird. Obwohl Helium teurer als Argon ist, kann es zur
Beschleunigung der Abkuhlgeschwindigkeit eingesetzt werden, wenn dies in
bestimmten Fällen wunschenswert ist.
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Obwohl die verschiedenen hier beschriebenen Ausfuhrungsformen der
Vorrichtung vorrangig fur die Herstellung von EA-Turbinenkomponenten mit
niedriger Porosität vorgesehen sind, können sie auch zur Herstellung von DS-
und SX-Komponenten verwendet werden. Die Vorrichtung kann mit bekannten,
auf Mikroprozessoren basierenden Steuersystemen ausgerüstet werden, welche
die von den Strahlungsheizgeräten hervorgerufene Erwärmung sowie die
Zurückfahrgeschwindigkeit des Stempels usw. steuern. Zur Herstellung der DS- oder
SX-Komponenten wird die Isolierung zwischen der Form und dem Stempeltisch
entfernt und die Form direkt auf dem wassergekuhlten Stempeltisch oder auf
einer getrennten Abschreckplatte aufgebaut, um eine gerichtete
Wärmeabführung sowie als Folge eine ebene Grenzfläche fest/flüssig durch das
langsame, gesteuerte Zurückfahren der gefüllten Form aus der Formkammer
zu erzielen.
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Auf diese Weise wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die in den
Aufgaben, die sie erfullen kann, vollständig flexibel ist, was zu einer
verbesserten Produktionseffektivität und verringerten Kosten fuhrt.
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Es ist ferner beabsichtigt, die Technik und die Vorrichtung auch für die
Herstellung von anderen Komponenten als solchen, die für
Gasturbinentriebwerke oder Turbolader bestimmt sind, einzusetzen. Z. B. können Komponenten
aus Werkstoffen gegossen werden, die kein Vakuum zum Schutz erfordern.
Solche Komponenten können in Luft gegossen und für die Erstarrungsphase in
eine Druckkammer eingefahren werden.