DE60311658T2

DE60311658T2 - Verfahren zum Giessen eines gerichtet erstarrten Giesskörpers

Info

Publication number: DE60311658T2
Application number: DE60311658T
Authority: DE
Inventors: Dr. Martin 5444 Balliel; Dr. Dietrich 5408 Eckardt; Dr. Maxim 5313 Konter; Andreas 8037 Weiland
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: US7017646B2; EP1531020B1; EP1531020A1; DE60311658D1; US20050103462A1; ATE353258T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines gerichtet erstarrten (DS) oder Einkristall-(SX)-Gießkörpers gemäß dem unabhängigen Anspruch.
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Herstellen eines gerichtet erstarrten Gießkörpers und von einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 3,532,155 beschrieben ist, aus. Das beschriebene Verfahren dient dazu, die Führungsschaufeln und Rotorblätter von Gasturbinen herzustellen, und benutzt einen Ofen, der ausgepumpt werden kann. Dieser Ofen weist zwei Kammern auf, die voneinander durch eine wassergekühlte Wand getrennt sind, und übereinander angeordnet sind, wobei die obere Kammer derart ausgelegt ist, dass sie erwärmt werden kann, und einen schwenkbaren Schmelztiegel zum Aufnehmen von zu gießendem Material, beispielsweise einer nickelbasierten Legierung, aufweist. Die untere Kammer, die durch eine Öffnung in der wassergekühlten Wand mit dieser Heizkammer verbunden ist, ist derart ausgelegt, dass sie gekühlt werden kann, und weist Wände auf, durch die Wasser fließt. Eine Schubstange, die durch den Boden dieser Kühlkammer und durch die Öffnung in der wassergekühlten Wand geführt ist, trägt ein Kühlblech, durch das Wasser fließt, und das die Basis einer Gießform bildet, die in der Heizkammer angeordnet ist.
Beim Ausführen des Verfahrens wird zunächst die gesamte Legierung, die in dem Schmelztiegel verflüssigt wurde, in die Gießform gegossen, die in der Heizkammer angeordnet ist. Eine schmale Zone von gerichtet erstarrter Legierung wird so über dem Kühlblech gebildet, und bildet die Basis der Gießform. Während die Gießform abwärts in die Kühlkammer bewegt wird, wird diese Gießform durch die Öffnung geführt, die in der wassergekühlten Wand vorgesehen ist. Eine Erstarrungsfront, die die Zone gerichtet erstarrter Legierung begrenzt, wandert von dem Boden aufwärts durch die gesamte Gießform und bildet einen gerichtet erstarrten Gießkörper.
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines gerichtet erstarrten Gießkörpers ist in der US-Patentschrift 3,763,926 offenbart. In diesem Verfahren wird eine Gießform, die mit einer geschmolzenen Legierung gefüllt ist, allmählich und kontinuierlich in ein Zinnbad getaucht, das auf etwa 260 °C erwärmt ist. Dies erzielt eine besonders schnelle Entnahme von Wärme aus der Gießform. Der gerichtet erstarrte Gießkörper, der durch dieses Verfahren gebildet wird, zeichnet sich durch eine Mikrostruktur aus, die einen geringen Grad an Ungleichmäßigkeiten aufweist. Bei der Herstellung von Gasturbinenschaufeln von vergleichbarer Auslegung ist es unter Anwendung dieses Verfahrens möglich, α-Werte zu erzielen, die nahezu doppelt so groß sind wie die bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der US-Patentschrift 3,532,155. Um jedoch unerwünschte Gasbildungsreaktionen zu verhindern, die die bei der Durchführung dieses Verfahrens verwendeten Apparate schädigen könnten, benötigt dieses Verfahren eine besonders genaue Temperatursteuerung. Zusätzlich muss die Wandstärke der Gießform größer als bei dem Verfahren gemäß US-Patentschrift 3,532,155 sein.
US-Patentschrift 5,168,916 offenbart eine Gießereianordnung, die zur Herstellung von Metallteilen mit einer gerichteten Struktur ausgelegt ist, wobei es sich um eine Anordnung des Typs handelt, der eine Gießkammer aufweist, die mit einer Schleuse zum Einführen und Entnehmen einer Gießform über eine erste Öffnung in Verbindung steht, die durch eine erste luftdichte Türvorrichtung zum Gießen und zum Kühlen der Gießform, die in der Kammer angeordnet ist, abdichtbar ist. Gemäß der Erfindung weist die Anordnung zusätzlich eine Vorheiz- und Entgasungskammer für die Gießform auf, die über eine zweite Öffnung, die durch eine zweite luft dichte Tür abdichtbar ist, mit der Schleuse in Verbindung steht.
US-Patentschrift 5,921,310 offenbart ein Verfahren, das dazu dient, einen gerichtet erstarrten Gießkörper herzustellen, und eine Legierung benutzt, die in einer Gussform angeordnet ist. Die Gießform wird von einer Heizkammer in eine Kühlkammer geführt. Die Heizkammer liegt hier bei einer Temperatur über der Liquidustemperatur der Legierung, und die Kühlkammer liegt bei einer Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Legierung. Die Heizkammer und die Kühlkammer sind voneinander durch eine Scheidewand getrennt, die quer zu der Führungsrichtung ausgerichtet ist, und die eine Öffnung für die Gießform aufweist. Wenn das Verfahren ausgeführt wird, wird eine Erstarrungsfront gebildet, unter der der gerichtet erstarrte Gießkörper gebildet wird. Der Teil der Gießform, der in die Kühlkammer geführt wird, wird mit einem Strom von Inertgas gekühlt. Als ein Resultat werden Gießkörper, die praktisch frei von Fehlern sind, mit relativ hohen Durchsatzraten erzielt. Allerdings leidet die Qualität komplex geformter Gießkörper wie z.B. Turbinenschaufeln und Blättern mit hervortretenden geometrischen Merkmalen, z.B. Deckplatte, Plattform oder Leitschaufel, unter einem Wärmestrom, der nicht an der vertikalen Abzugsrichtung ausgerichtet ist, wenn der Inertgasstrom auf solche hervortretenden Merkmale trifft, und aufgrund des steilen Anstiegs an Außenfläche, der mit einem hervortretenden Merkmal einhergeht, zu einer exzessiven Kühlung führt. Bei gerichtet erstarrten Vielkristallen (DS) führt dies zu unerwünschten geneigten DS-Korngrenzen, und sowohl bei DS- und bei Einkristall-(SX)-Gießkörpern erhöht sich das Risiko unerwünschter Streukörner. Außerdem sinkt die Vektorkomponente des Temperaturgradienten, der an der vertikalen Abzugsrichtung ausgerichtet ist, da ein Teil des Wärmestroms nicht an der vertikalen Abzugsrichtung ausgerichtet ist und deshalb nicht dazu beiträgt, den vertikalen Temperatur gradienten aufzustellen. Auf diese Weise erzielt das Verfahren in vertikaler Richtung keinen optimalen Temperaturgradienten, und es besteht also ein Risiko für unerwünschte Freckles (Ketten kleiner Streukörner, die insbesondere in dicken Abschnitten eines Gießkörpers auftreten können). Außerdem ist die Beabstandung der Dendritarme in etwa umgekehrt proportional zu der Wurzel des Temperaturgradienten, so dass die Dendritarmbeabstandung sich durch Senken des Temperaturgradienten erhöht. Dies bedeutet, dass die Distanz von einem Dendritstamm zu einem benachbarten interdendritischen Bereich erhöht wird, was die Menge an interdendritischer Seigerung erhöht (d.h. die Diffusion muss eine größere Distanz überwinden). Dies kann zu einem unerwünschten einsetzenden Schmelzen während einer anschließenden Lösungswärmebehandlung führen, die für heutige nickelbasierte SX- und DS-Superlegierungen benötigt wird. Zusätzlich erhöht die gesteigerte Dendritarmbeabstandung die interdendritischen Abstände, wo sich Poren bilden können, und führt deshalb zu einer unerwünschten Steigerung der Porengröße.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt, ein Verfahren zum Herstellen von einem oder mehreren gerichtet erstarrten (DS) oder Einkristall-(SX)-Gießkörpern zu finden, das eine Ausrichtung des Wärmestroms vermeidet, der wesentlich von der vertikalen Abzugsrichtung an hervortretenden geometrischen Merkmalen des Gießkörpers abweicht, während der Temperaturgradient in der vertikalen Abzugsrichtung innerhalb des Gießkörpers erhöht wird.
Wenn ein hervortretendes geometrisches Merkmal der Maskenform, also ein steiler Anstieg des Außenflächenbereichs, wie z.B. eine Deckplatte, im Aufprallbereich der Gasstrahlen angetroffen wird, wird der Inertgasstrom reduziert oder sogar unterbrochen, um ein exzessives Kühlen zu verhindern, und um eine Wärmestromrichtung in dem Gießkörper zu vermeiden, die von der vertikalen Abzugsrichtung abweicht. Eine solche abweichende Wärmestromrichtung führt zu einer geneigten Erstarrungsfront, die wiederum unerwünschte geneigte DS-Korngrenzen oder die Bildung von Streukörnern sowohl bei DS als auch bei SX verursacht. Wenn ein solches hervortretendes geometrisches Merkmal den Aufprallbereich der Gasstrahlen passiert hat, wird der Gasstrom wieder auf einen Wert zurückgeführt, der an die Geometrie des Gießkörpers angepasst ist, der gerade den Aufprallbereich passiert.
Vorteilhafterweise sind die Stellen zur Entnahme der Wärme, die durch Gasdüsen erzeugt wird, auf einer konstanten Höhe unterhalb der Scheidewand und um den Umfang der Gießkörper in der Gießformgruppe herum angeordnet, so dass sie fortlaufende oder im Wesentlichen fortlaufende Ringe um die Gießkörper bilden, und so eine gute Gleichmäßigkeit der Wärmeentnahme erreichen, was wiederum eine erwünschte flache und horizontale Erstarrungsfront fördert.
Zusätzlich zu der Hintergrundgasdruckeinstellung kann die Gaszusammensetzung ausgewählt werden, um eine optimale Wärmeübertragung durch die Gasdüsen zu erreichen, indem die Lücke an der Übergangsfläche zwischen der Maskengießform und dem Gießmetall mit Gas gefüllt wird, indem die offene Porosität der Maskengießform mit Gas gefüllt wird, und durch Gaskonvektion in der Heizkammer und der Kühlkammer. Z.B ist bekannt, dass Helium wesentlich mehr Wärme transportiert als Argon, so dass das Variieren des Verhältnisses der beiden Gase eine wesentliche Variation der Wärmeübertragung bereitstellt. Im Allgemeinen kann jedoch das Inertgas aus einem vorgegebenen Gemisch unterschiedlicher Edelgase und/oder Stickstoff bestehen. Im Allgemeinen ist eine solche Erhöhung der Wärmeübertragung günstig, solange sie zu einem erhöhten Wärmestrom in vertikaler Richtung durch die Gießkörper führt, und so zu einem höheren Temperaturgradienten, und also zu Vorteilen für die Kornstruktur.
Das Schließen von mechanischen Gasströmungsverbindungen zwischen der Heiz- und der Kühlkammer während des Abziehens der Maskenform minimiert die schädliche Konvektion zwischen der Heiz- und der Kühlkammer.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den begleitenden Figuren dargestellt, wobei
1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, und
2 eine Maskengießform mit einer offenen Porosität zeigt (Detail II aus 1).
Die Figuren zeigen nur die für die Erfindung wichtigen Elemente. Gleiche Elemente sind in unterschiedlichen Figuren gleich bezeichnet.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Die Erfindung zum Gießen gerichtet erstarrter (DS) oder Einkristall-(SX)-Gießkörper wie z.B. Schaufeln oder Blätter oder anderer Bauteile von Gasturbinentriebwerken soll im Folgenden unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel genauer beschrieben werden. In diesem Fall zeigt 1 eine diagrammatische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Vakuumkammer 2 auf, die mit Hilfe eines Vakuumsystems 1 abgepumpt werden kann. Die Vakuumkammer 2 nimmt zwei Kammern 4, 5 auf, die voneinander durch eine Scheidewand (Strahlungs- und Gasstromschirm) 3 getrennt sind, die mit flexiblen Fingern oder Bürsten 21 verlängert sein kann, und die übereinander angeordnet sind, sowie einen schwenkbaren Schmelztiegel 6 zum Aufnehmen einer Legierung, beispielsweise einer nickelbasierten Superlegierung. Die obere 4 der zwei Kammern ist derart ausgelegt, dass sie erwärmt werden kann. Die untere Kammer 5, die über eine Öffnung 7 in der Scheidewand 3 mit der Heizkammer 4 verbunden ist, enthält eine Vorrichtung zum Erzeugen und Lenken eines Gasstroms. Diese Vorrichtung enthält einen Hohlraum mit Mündungen oder Düsen 8, die nach innen auf eine Gießform 12 gerichtet sind, sowie ein System zum Erzeugen von Gasströmen 9. Die Gasströme, die aus den Mündungen oder Düsen 8 austreten, sind hauptsächlich zentripetal gelenkt. Eine Schubstange 10, die beispielsweise durch den Boden der Kühlkammer 5 geführt ist, trägt ein Kühlblech 11, durch welches bei Bedarf Wasser fließen kann, und das die Basis einer Maskengießform 12 bildet. Mit Hilfe eines Antriebs, der auf die Schubstange 10 einwirkt, kann diese Maskengießform 12 von der Heizkammer 4 durch die Öffnung 7 in die Kühlkammer 5 geführt werden.
Über dem Kühlblech 11 weist die Maskengießform 12 einen dünnwandigen Abschnitt 13 auf, der beispielsweise 10 mm dick ist und aus Keramik hergestellt ist, der an seinem Bodenende zum Kühlblech 11 hin einen oder mehrere Einkristallsamen aufnehmen kann, um die Bildung von Einkristallgießkörpern und/oder mehreren Helixinitiatoren zu fördern. Indem sie von dem Kühlblech 11 abgehoben oder auf das Kühlblech 11 abgesenkt wird, kann die Maskengießform 12 jeweils geöffnet oder geschlossen werden. An ihrem oberen Ende ist die Maskengießform 12 offen, und kann mit geschmolzener Legierung 15 von dem Schmelztiegel 6 mit Hilfe einer Füllvorrichtung 14 gefüllt werden, die in die Heizkammer 4 eingeführt wird. Elektrische Heizelemente 16, die die Maskengießform 12 in der Heizkammer 4 umgeben, halten den Teil der Legierung, der in dem Teil der Maskengießform 12 an der Seite der Heizkammer 4 angeordnet ist, über seiner Liquidustemperatur.
Die Kühlkammer 5 wird mit dem Einlass eines Vakuumsystems 17 verbunden, um einströmendes Gas aus der Vakuumkammer 2 zu entfernen, und um das entfernte Gas zu kühlen und zu veredeln.
Um einen gerichtet erstarrten Gießkörper zu erzeugen, wird zunächst die Maskengießform 12 durch eine Aufwärtsbewegung der Schubstange 10 in die Heizkammer 4 gebracht (dargestellt in 1 durch gestrichelte Linien). Legierung, die in dem Schmelztiegel 6 verflüssigt wurde, wird dann mit Hilfe der Füllvorrichtung 14 in die Maskengießform 12 gegossen. Eine schmale Zone gerichtet erstarrter Legierung wird so über dem Kühlblech 11 gebildet, das die Basis der Gießform bildet (nicht in 1 dargestellt).
Während sich die Maskengießform 12 abwärts in die Kühlkammer 5 bewegt, wird der keramische Teil 13 der Maskengießform 12 nach und nach durch die Öffnung 7 geführt, die in der Scheidewand 3 vorgesehen ist. Eine Erstarrungsfront 19, die die Zone gerichtet erstarrter Legierung begrenzt, wandert von dem Boden aufwärts durch die gesamte Maskengießform 12 und bildet einen gerichtet erstarrten Gießkörper 20.
Zu Beginn des Erstarrungsprozesses werden ein hoher Temperaturgradient und eine hohe Wachstumsrate der Erstarrung erreicht, da das Material, das in die Maskengießform 12 gegossen wird, zunächst direkt auf das Kühlblech 11 trifft, und die Wärme, die von der Schmelze entfernt werden soll, von der Erstarrungsfront durch eine vergleichsweise dünne Schicht von erstarrtem Material zu dem Kühlblech 11 geführt wird. Wenn die Basis der Maskengießform 12, die durch das Kühlblech 11 gebildet wird, einige Millimeter, z.B. 5 bis 50 mm, gemessen von der Unterseite der Scheidewand 3, in die Kühlkammer 5 gedrungen ist, wird komprimiertes Inertgas, das nicht mit dem erhitzten Material reagiert, beispielsweise ein Edelgas, wie z.B. Helium oder Argon, oder ein anderes Inertfluid, von den Mündungen oder Düsen 8 zugeführt. Die Inertgasströme, die aus den Mündungen oder Düsen 8 austreten, treffen auf die Fläche des keramischen Teils 13, und werden abwärts entlang der Fläche weg geführt. Im Zuge dessen entfernen sie Wärme q von der Maskengießform 12, und also auch von dem bereits gerichtet erstarrten Teil des Maskengießforminhalts.
Das Inertgas, das in die Kühlkammer 5 geblasen wird, kann durch das Vakuumsystem 17 aus der Vakuumkammer 2 entfernt, gekühlt, gefiltert und, sobald es auf einige Bar verdichtet wurde, Leitungen 18 zugeführt werden, die wirksam mit den Mündungen oder Düsen 8 verbunden sind.
Zusätzlich zu einem Steigern des Inertgasstroms 9 nach einem Abzug von zunächst 5 bis 50 mm, wie in US-Patentschrift 5,921,310 erwähnt, wird ein zeitlich gesteuerter Strom von Kühlgas an geometrische Merkmale des Gießkörpers und der Maskengießform 12, z.B. Deckplatte, Plattform, Hauptschaufel und steile Übergänge der Außenfläche, angepasst. Wenn ein hervortretendes geometrisches Merkmal, das heißt ein steiler Anstieg der Außenfläche, wie z.B. eine Deckplatte den Aufprallbereich der Gasstrahlen passiert, wird der Inertgasstrom 9 reduziert oder sogar unterbrochen, um exzessives Kühlen zu vermeiden, und um eine Wärmestromrichtung in dem Gießkörper zu vermeiden, die von der vertikalen Abzugsrichtung abweicht. Eine solche Abweichung des Wärmestroms verursacht eine geneigte Erstarrungsfront, die wiederum unerwünschte geneigte DS-Korngrenzen oder die Bildung von Streukörnern verursachen kann. Wenn ein solches hervortretendes geometrisches Merkmal den Aufprallbereich der Gasstrahlen passiert hat, wird der Inertgasstrom 9 auf einen Wert zurückgebracht, der an die Geometrie des Gießkörpers angepasst ist, der gegenwärtig den Aufprallbereich passiert.
Die Gasdüsen 8 zusammen mit der Scheidewand 3, die als eine Ablenkwand des Inertgasstroms 9 dient, sind so ausgerichtet, dass die Gasströme entlang der Fläche der Maskengießform 12 vor allem abwärts gerichtet sind, um die Wärmeentnahme gleichmäßiger und abwärts zu verteilen. Außerdem errichtet dies eine gut abgegrenzte Obergrenze der Wärmeentnahme in einem Bereich unterhalb der Scheidewand 3, um den Temperaturgradienten zu maximieren.
Der Kühlgasstrom 9 insgesamt und die Gasabpumprate werden mit einer Steuerungsvorrichtung 24 gesteuert, um einen optimal gesteuerten Hintergrundgasdruck in der Kammer zu erreichen. Eine gute Qualität kann mit einer Druckspanne des Inertgases von 10 mbar bis 1 bar erzielt werden. Dieser Hintergrundgasdruck wird für eine erhöhte und optimale Wärmeübertragung zwischen der Maskengießform 12 und dem Gießmetall ausgewählt, und erhöht so sowohl die Wärmeentnahme in der Kühlkammer 5 als auch die Wärmezufuhr in der Heizkammer 4, so dass ein insgesamt höherer Temperaturgradient erzielt wird. Außerdem trägt der Hintergrunddruck dazu bei, die Wärmeentnahme durch Gasstrahlen um den Umfang der Gießkörper in der Maskengießformgruppe herum zu homogenisieren, da er die Gasstrahlen in gewissem Umfang streut, so dass sie einen begrenzten größeren Gießformbereich abdecken.
Diese begrenzten größeren Gießformbereiche oder Stellen der Wärmeentnahme, einer pro Düse 8, können an der Fläche der Maskengießform 12 angeordnet werden, indem die entsprechenden Düsen 8 positioniert und ausgerichtet werden und die Gasströmungsrate angepasst wird, z.B. durch eine Drosselklappe. Vorteilhafterweise sind die Stellen zur Wärmeentnahme auf einer konstanten Höhe unterhalb der Scheidewand 3 und um den Umfang der Gießkörper in der Maskengießformgruppe herum angeordnet, so dass sie fortlaufende oder im Wesentlichen fortlaufende Ringe um die Gießkörper herum bilden, und deshalb eine gute Gleichmäßigkeit der Wärmeentnahme erzielen, was wiederum eine wünschenswerte flache und horizontale Erstarrungsfront fördert. Auf diese Weise sind die Korngrenzen bei DS-Vielkristallen gut in vertikaler Richtung ausgerichtet, und das Risiko für die Bildung von Streukörnern sowohl bei DS-Vielkristallen als auch Einkristallen (SX) wird reduziert. Zusätzlich reduziert der erhöhte Temperaturgradient die Freckle-Bildung.
Zusätzlich zu der Einstellung des Gashintergrunddrucks kann die Gaszusammensetzung ausgewählt werden, um eine optimale Wärmeübertragung durch die Gasdüsen 8 zu erreichen, indem die Lücke 12b an der Übergangsfläche zwischen der Maskengießform 12 und dem Gussmetall mit Gas gefüllt wird und, die offene Porosität der Maskengießform 12 mit Gas gefüllt wird, und durch Gaskonvektion in der Heiz- und Kühlkammer 4, 5 (wie durch Pfeile in 1 angezeigt). Z.B. ist bekannt, dass Helium wesentlich mehr Wärme überträgt als Argon, so dass das Variieren des Verhältnisses der beiden Gase eine wesentliche Variation in der Wärmeübertragung bereitstellt. Im Allgemeinen kann das Inertgas jedoch aus einem vorgegebenen Gemisch aus verschiedenen Edelgasen und/oder Stickstoff bestehen. Die resultierende Erhöhung der Wärmeübertragung ist günstig, solange sie zu einem erhöhten Wärmestrom in vertikaler Richtung durch die Gießkörper führt, und so zu einem höheren Temperaturgradienten, und also zu Vorteilen für die Kornstruktur.
Ein potentieller Nachteil des Hintergrundgasdrucks ist die Gaskonvektion zwischen der Heiz- und der Kühlkammer 4, 5, was eine reduzierte Kühlung in der Kühlkammer 5 und eine reduzierte Erwärmung in der Heizkammer 4 verursacht, und so den Temperaturgradienten in den Gießkörpern senkt. Um eine solche schädliche Konvektion zu minimieren, sind Gasströmungsverbindungen zwischen der Heiz- und der Kühlkammer 4, 5 so weit wie möglich geschlossen. Insbesondere ist die Form der Scheidewand 3 dazu ausgelegt, die Lücke zwischen dem nach innen weisenden Umriss der Scheidewand 3 und der Maskengießform 12 zu minimieren, und die Scheidewand 3 ist vorteilhaft in Richtung der Fläche der Maskengießform 12 verlängert, z.B. durch Fasern, Bürsten oder flexible Finger 21. Außerdem schließen eine Dichtung 23 zwischen der Scheidewand 3 und dem Heizelement 16 sowie während des Abziehens der Maskengießform 12 ein beweglicher Deckel 22 der Füllvorrichtung jede Gasströmungsverbindung zwischen der Heiz- und der Kühlkammer 4, 5. Wenn das Heizelement 16 kein geschlossener Aufbau ist, wenn es z.B. Öffnungen aufweist, durch die Gas strömen könnte, wird an der Außenfläche des Heizelements 16 eine Gasdichtung hinzugefügt, um solche Öffnungen zu schließen.
Außerdem können die Eigenschaften der Maskengießform 12 angepasst werden, um eine optimale Wärmeübertragung zu erreichen, z.B. die Menge an Porosität und die Wandstärke (siehe 2, mit dem Detail II aus 1, wo eine Maskengießform 12 mit einer offenen Porosität mit Poren 12a gezeigt ist). Das Erhöhen der Porosität der Gießform erhöht die Wirkung des Gases auf die Temperaturleitfähigkeit der Gießform 12, da mehr und größere Poren mit Gas gefüllt werden. Das Senken der Wandstärke der Gießform erhöht die Wärmeübertragung durch die Maskengießform 12. Eine höhere Temperaturleitfähigkeit der Maskengießform 12 und eine höhere Wärmeübertragung durch die Maskengießform 12 sind günstig, da sie sowohl die Wärmeentnahme in der Kühlkammer 5 als auch die Wärmezufuhr in der Heizkammer 4 erhöhen, und so den Temperaturgradienten in dem Gießkörper erhöhen, mit den günstigen Auswirkungen wie oben beschrieben. Für die vorliegende Erfindung kann eine Maskengießform 12 mit einer mittleren Stärke von zwei Dritteln der üblicherweise benutzten Stärke der Maskengießform 12 mit einer Spanne von ±1 mm benutzt werden.
Obwohl unsere Erfindung durch ein Beispiel beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass Fachleute andere Formen anwenden können. Entsprechend soll der Umfang unserer Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt sein.

1: Vakuumsystem
2: Vakuumkammer
3: Scheidewand (Strahlungs- und Gasstromschirm)
4: Heizkammer
5: Kühlkammer
6: Schmelztiegel
7: Öffnung
8: Düse
9: Inertgasstrom
10: Schubstange
11: Kühlblech
12: Maskengießform
12a: Pore in Maskengießform 12
12b: Lücke
13: Keramischer Teil
14: Füllvorrichtung
15: Geschmolzene Legierung
16: Heizelement
17: Vakuumsystem
18: Leitungen
19: Erstarrungsfront
20: Gießkörper
21: Flexible Finger oder Bürsten
22: Beweglicher Deckel
23: Dichtung
24: Steuerungsvorrichtung

Claims

Verfahren zum Gießen eines gerichtet erstarrten (DS) oder Einkristall-(SX)-Gießkörpers mit einem Gießofen, der eine Heizkammer (4) mit wenigstens einem Heizelement (16), eine Kühlkammer (5), eine trennende Scheidewand (3) zwischen der Heiz- und der Kühlkammer (4, 5) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Versorgen der Maskengießform (12) in der Heizkammer (4) mit flüssigem Metall (15) durch eine Füllvorrichtung (14), (b) Abziehen der Maskengießform (12) aus der Heizkammer (4) durch die Scheidewand (3) in die Kühlkammer (5), wodurch das flüssige Metall (15) gerichtet erstarrt und so den Gießkörper bildet, wobei (c) nach anfänglichem Abziehen der Maskengießform (12) um 5 bis 50 mm in die Kühlkammer (5) ein Inertgas von den Düsen (8), die unterhalb der Scheidewand (3) angeordnet sind, auf die Maskengießform (12) trifft und so einen Aufprallbereich bildet, wobei (d) wenn ein steiler Anstieg des Außenflächenbereichs oder ein hervortretendes geometrisches Merkmal der Maskengießform (12) an dem Aufprallbereich auftritt, der Strom von Inertgas (9) reduziert oder unterbrochen wird, um ein exzessives Kühlen und eine Wärmestromrichtung in dem Teil der Maskengießform zu verhindern, die von der vertikalen Abzugsrichtung abweicht, und (e) wenn der steile Anstieg oder das hervortretende geometrische Merkmal den Aufprallbereich der Gasstrahlen passiert hat, wird der Gasstrom (9) auf einen Wert zurückgebracht, der an die Geometrie des Gießkörpers angepasst ist, der gegenwärtig den Aufprallbereich passiert.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem folgenden Schritt aufweist: Lenken des Gasstroms (9) um den Umfang von wenigstens einem Gießkörper in der Maskengießformgruppe (12) in einer gleichmäßigen Art und Weise auf einer konstanten Höhe unterhalb der Scheidewand (3).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das folgenden Schritt aufweist: Lenken des Gasstroms (9) abwärts entlang der Fläche der Maskengießform (12).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das außerdem folgenden Schritt aufweist: Gießen des Gießkörpers in dem Gießofen, der einen gesteuerten Hintergrunddruck des Inertgases aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das außerdem folgenden Schritt aufweist: Gießen des Gießkörpers in dem Gießofen mit einem Inertgas, das aus einem vorgegebenen Gemisch verschiedener Edelgase und/oder Stickstoff besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das außerdem folgenden Schritt aufweist: Schließen mechanischer Gasströmungsverbindungen zwischen der Heiz- und der Kühlkammer (4, 5) während des Abziehens der Maskengießform (12) durch eine Scheidewand (3), die flexible Finger oder Bürsten (12) aufweist, in Richtung der Maskengießform (12), durch Schließen der Füllvorrichtung (14) mit einem beweglichen Deckel (22), und durch eine Dichtung (23) zwischen der Scheidewand (3) und dem Heizelement (16).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das außerdem folgenden Schritt aufweist: Gießen des Gießkörpers in einer Maskengießform (12) mit einer gesteuerten offenen Porosität, die Poren (12a) aufweist, die mit dem Inertgas gefüllt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das außerdem folgenden Schritt aufweist: Gießen des Gießkörpers in einer Maskengießform (12) mit einer mittleren Stärke von zwei Dritteln der üblicherweise benutzten Stärke der Masksengießform (12) mit einer Spanne von ±1 mm.