DE69105059T2

DE69105059T2 - Giessform zur Herstellung von Gegenständen durch Einkristallerstarrung.

Info

Publication number: DE69105059T2
Application number: DE69105059T
Authority: DE
Inventors: Bernard Louis Lallement; Ghislaine Elisabeth Lamanthe; Alain Puissant
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-07-04
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2011-07-04
Also published as: IL98703A0; JPH04231170A; FR2664187B1; EP0465353A1; US5269365A; DE69105059D1; IL98703A; JPH07108451B2; FR2664187A1; EP0465353B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gießform, die in einem Herstellungsverfahren von Gegenständen durch Monokristallin-Erstarrung verwendet wird, insbesondere von Schaufeln für Turbomaschinen aus Superlegierung.
Gemäß diesem Verfahren und durch an sich bekannte Techniken wird der Form an ihrem oberen Abschnitt geschmolzenes Metall zugeführt und eine gerichtete Erstarrung durchgeführt, deren Front vertikal von unten nach oben fortschreitet ausgehend von einer gekühlten Bodenplatte. Bei der speziellen Anwendung für monokristalline Gegenstände gestattet eine Wahlvorrichtung, die im unteren Bereich der Form angeordnet ist, die Auswahl einer einheitlichen Kristallkorngröße an ihrem Ausgang. Beispiele für Herstellungsverfahren dieses Typs durch Gießen für monokristalline Gegenstände sind insbesondere in den FR-A-1 481 366 und FR-A 2 037 187 beschrieben.
Verschiedene Lösungen wurden angewendet, um eine bestimmte kristallographische Orientierung für den Gegenstand zu erreichen und eine geeignete Korngrößenauswahl durchzuführen. Bei bestimmten Anwendungen, insbesondere für monokristalline Blattschaufeln, bestehen jedoch ernsthafte Schwierigkeiten bei der Verwendung dieser bekannten Verfahren. Denn entweder verbietet das Auftreten eines parasitären Korns auf Höhe der Schaufelplatte die Auführung bestimmter geometrischer Formen, oder zwingt lange, heikle, kostspielige und selten befriedigende Einstellungen auf, oder hat zu hohe Ausfallzahlen zur Folge. Die in diesem Fall zu beobachtende parasitäre Keimbildung ist in einer schnelleren und verfrühten Abkühlung der Schaufelplatte begründet, die eine Erstarrung der Platte ausgehend von ihrem Umfangsbereich hervorruft unabhängig vom Rest der Platte (Plattform). Diese Erscheinung kann durch verschiedene Faktoren begünstigt werden.
Bei der Verwirklichung eines Monokristalls ist es notwendig, in einem Volumen einen Initialkeim wachsen zu lassen, bevor irgendein anderer Punkt darin die Liquidustemperatur der betreffenden Legierung erreicht. Diese Bedingung ist schwer beherrschbar im Fall einer Schaufelplatte, bei der der thermische Gradient natürlicherweise in einer Richtung senkrecht zu den großen Ausdehnungen, Länge und Breite der Platte, orientiert ist.
Parasitäre Keimbildung wird auf einer Schaufelplatte ebenso durch heterogene Keimbildung hervorgerufen, die ebenso im Fall von Schaufelplatten durch die folgenden Bedingungen begünstigt ist:
- erhöhte Rauhigkeit der Gießform zum Zeitpunkt der Erstarrung, die sich beim Gießen verstärken kann aufgrund der Reaktivität zwischen dem Metall und der Einkleidung der Form bei hoher Temperatur;
- großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen;
- Vorhandensein von winkeligen Punkten.
Unter diesen Bedingungen kann die zulässige Unterkühlung oder die Verzögerung bei der Erstarrung einige Grad nicht übersteigen. Ausgehend von den Wänden der Gießform und einem Volumenelement der Platte, das die Liquidustemperatur der geschmolzenen Legierung erreicht, tritt daraus folgend ein Risiko parasitärer Keimbildung und Kornwachstum auf, was die Ursache für Fehlstellen bei dem Gegenstand ist.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines monokristallinen Gegenstands, der durch eine Schaufel 1 gebildet ist, die in Aufsicht dargestellt ist. Der Abschnitt 2 ist das Korn, das aus dem lnitialkeim hervorgegangen ist, und umfäßt das Schaufelblatt 3 und einen Abschnitt 4a der Platte 4, die in diesem Fall zwei, im Verhältnis zu ihrer Dicke große Ausdehnungen, Länge und Breite, im Verhältnis zu ihrer Dicke aufweist. Ein parasitäres Korn hat sich in dem Bereich 4b der Platte entwickelt.
Ein Lösungsansatz bestand darin, einen parallelen Kornzufuhrkanal vorzusehen, der den Ausgang der Korugrößenauswahlvorrichtung mit dem Risikobereich der Schaufelplatte verbindet. Somit ist die ursprüngliche Orientierung am kalten Punkt der Platte wieder hergestellt, wo das Korn gleichzeitig mit dem wächst, das von dem zentralen Abschnitt der Schaufel stammt, die beiden Kornbereiche werden daraufhin vereinigt. Diese Technik ist indessen nicht ohne Risiko und Unannehmlichkeiten und erzwingt immer eine heikle, lange und für jeden Gegenstand spezielle Einstellung. Der Zuführkanal dicht bei dem Gegenstand erfordert eine sorgfältige Arbeit für seine Anbringung und seine Beseitigung, z.B. durch Stückelung, die darauf einer Fertigbearbeitung bedarf.
Bei der Vereinigung des Korns können Mißorientierungen auftreten, und das Vorhandensein der Zufuhr kann in bestimmten Fällen der Ausgangspunkt rekristallisierter Körner sein. Alle diese Unannehmlichkeiten sind nachteilig für eine industrielle Anwendung dieser Lösung im Rahmen einer Serienproduktion dieser Gegenstände.
Gemäß der Erfindung ist eine Gießform zur Erfüllung dieser Bedingungen dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Einguß aufweist, der in der Nähe von Bereichen des Gegenstands angebracht ist, wo eine parasitäre Keimbildung im Rahmen gerichteter Erstarrung auftreten kann, wobei der Einguß eine themische Masse bildet, die die Erstarrung des betroffenen Bereichs durch Wärmetausch mit diesem verzögert und die getrennt ist von dem gegossenen Gegenstand.
Vorteilhafterweise wird der Einguß aus einem Metall gebildet, das einen Phasenübergang vollzieht bei der gleichen Temperatur oder bei einer Temperatur etwas unter der des Metalls, das den zu erstarrenden Gegenstand bildet.
Im Fall einer Plattenschaufel ist in vorteilhafter Weise ein Einguß, der eine thermische Masse darstellt, auf beiden Seiten der Platte und in ihrer Nähe angeordnet.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung eines erfindungsgemaßen Ausführungsbeispiels besser erfaßt unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen:
- Die vorhergehend beschriebene Figur 1 zeigt eine durch monokristallinen Guß erhaltene Schaufel in Aufsicht, die eine Fehlstelle durch parasitäres Korn zeigt ohne die Vorrichtungen gemäß der Erfindung;
- Fig. 2 zeigt schematisch eine Stirnansicht der Anbringung einer Schaufel in einer Gußtraube;
- Fig. 3 zeigt schematisch in Untersicht eine monokristalline Schaufel und die entsprechende Gießform gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Herstellungstechniken von Gußteilen durch monokristalline Erstarrung werden insbesondere für Schaufeln von Turbomaschinen verwendet. Ein Beispiel einer solchen Schaufel 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Schaufel 1 weist einen Fuß 5 und ein Blatt 3 auf, zwischen denen eine Platte 4 vorgesehen ist. Die Schaufel 1 ist in einer senkrechten Posititon dargestellt, ummantelt von einer Gießtraube, wobei eine Verbindung 6 zu der Korngrößenwahlvorrichtung schematisch in dem unteren Bereich verbunden mit dem Blatt 3 dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt schematisch in Untersicht eine Schaufel 1 mit ihrem Blatt 3 und ihrer Platte 4. Eine Guußform 7 ist mit dünnen Linien schematisch dargestellt . In bemerkenswerter Weise und erfindungsgemäß weist die Form 7 zwei Eingüsse 8a und 8b in der Nähe der Platte 4 auf, einen auf jeder Seite der Platte und in Positionen zueinander versetzt. Diese Eingüsse 8a und 8b, die thermische Massen darstellen, bestehen insbesondere aus einem Metall, das einen Phasenübergang vollzieht bei der gleichen Temperatur oder vorzugsweise bei einer Temperatur etwas unter der der Legierung, die den zu erstarrenden Gegenstand bildet, der in dem dargestellten Beispiel bei den Zeichnungen eines Schaufel ist. Das erstrebte Ziel durch diese Anordnung der Eingüsse 8a und 8b ist die Steuerung der Richtung und des Betrags der thermischen Gradienten in einer horizontalen Ebene senktecht zur Ausbreitungsrichtung der Erstarrungsfront in dem Blatt 3 der Schaufel 1, insbesondere in der Höhe der Platte zwischen den Außenkanten und dem Zentrum des Gegenstands. Das Auftreten eines parasitären Korns auf der Höhe der Platte 4 wird somit vermieden und diese Vorrichtungen gestatten die Herstellung eines reinen Gegenstands wie z.B. einer fehlerlosen monokristallinen Schaufel 1. Während der Erstarrung führen die thermischen Massen 8a und 8b eine latente Wärme ab, die die Umfangsfläche der Platte 4 der Schaufel 1 aufheizt.
Diese erfindungsgemäße Lösung weist insbesondere einen Vorteil darin auf, daß keine Verbindungen zwischen dem Einguß und dem zu gießenden Gegenstand bestehen, was das Auftreten späterer Gießfehler vermeidet, wie es im vorigen bei den bekannten Techniken des Standes der Technik erläutert wurde.
Die Größe der thermischen Massen, die für jede spezielle Anwendung verwendet werden, sowie die Form und die Position der Massen werden bestimmt abhängig von den speziellen Abmessungen des Gegenstands und insbesondere von den kritischen Bereichen, die er aufweist. Die Größe muß insbesondere ausreichen, um die Erstarrung des Abschnitts des betreffenden Gegenstands zu verzögern. Die thermische Masse stellt eine große thermische Kapazität dar und sorgt für eine große Abführung der latenten Wärme; der Formfaktor muß der Bedingung der geringsten Fläche entsprechen hinsichtlich des kalten Bereichs, da die Masse in der Höhe thermischer Abschirmungen der Gießvorrichtung angebracht wird. Die thermische Masse muß dagegen eine große Wärmetauschfläche durch Leitung mit dem kritischen Bereich des Gegenstands darstellen, wie z.B. der Platte 4 der Schaufel 1. Ohne Berührungsstellen aufzuweisen, muß die Masse so nahe wie möglich bei dem kritischen Bereich des Gegenstands sein, um den Wärmetausch durch Leitung zu begünstigen.
Die in Fig. 3 schematisierte Anbringung der Form hat insbesondere völlig zufriedenstellende Ergebnisse beim Guß von monokristallinen Schaufeln mit großen Platten ergeben.

Claims

1. Gießform zur Herstellung von Gegenständen durch monokristalline Erstarrung, insbesondere von Schaufeln (1) für Turbomaschinen aus Superlegierung, mit einer Kornwahlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Einguß (8a, 8b) in der Nähe von Bereichen (4) des Gegenstands aufweist, wo während gerichteter Erstarrung parasitäre Keimbildung auftreten kann, insbesondere in der Nähe einer Schaufelplatte (4), wobei der Einguß (8a, 8b) eine thermische Masse bildet, die von dem gegossenen Gegenstand getrennt ist und die Erstarrung des betreffenden Bereichs (4) durch Wärmetausch mit diesem verzögert.

2. Gießform nach Anspruch 1, bei der der Einguß (8a, 8b) aus einem Metall besteht, das einen Phasenübergang vollzieht bei der gleichen Temperatur oder bei einer etwas niedrigeren Temperatur als die des Metalls, das den zu erstarrenden Gegenstand (1) bildet.

3. Gießform nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung von monokristallinen Schaufeln (1) mit Platten (4), bei der ein Einguß (8a, 8b), der eine thermische Masse bildet, an beiden Seiten der Platte (4) und in deren Nähe vorgesehen ist in einer bei Aufsicht diagonalen Anordnung bezüglich der Platte (4).