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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein aus Legierungen mit hoher
Schmelztemperatur und/oder reaktiven Legierungen hergestellte Gegenstände, und
sie betrifft genauer ein Verfahren zur Herstellung derartiger Gegenstände durch
Druckgießen.
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Der
Begriff Material mit hoher Schmelztemperatur, wie er hierin verwendet
wird, soll Materialien mit einer Schmelztemperatur von mindestens 2000°F/1093°C umfassen.
Zu Materialien mit hoher Schmelztemperatur gehören beispielsweise Titan und
Titanlegierungen (Schmelztemperatur typischerweise über etwa
2000°F/1650°C) und Superlegierungen
auf Nickelbasis und auf Kobaltbasis (Schmelztemperaturen typischerweise über etwa 2400°F/1315°C) und Superlegierungen
auf Eisenbasis (Schmelztemperaturen typischerweise über etwa 2200°F/1200°C). „Reaktive
Legierungen", wie
hierin verwendet, umfassen Elemente, die reagieren, wenn sie Luft
oder einer anderen Atmosphäre,
die Sauerstoff enthält,
ausgesetzt werden, Elemente wie Titan, Aluminium und Eisen, und
sie reagieren typischerweise bei erhöhter Temperatur schneller.
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Titan
und Titanlegierungen werden bei Anwendungen verwendet, die geringes
Gewicht und hohe Festigkeits-Gewicht-Verhältnisse erfordern. Diese Legierungen
weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit
auf und behalten im Allgemeinen ihre Festigkeit bis hinauf zu relativ
hohen Temperaturen, z.B. bis zu mindestens 1200°F/650°C, abhängig von der Legierungszusammensetzung.
Im weiten Sinn soll der Begriff „Titanlegierung" Legierungen umfassen,
die aus mindestens etwa 25 Atom-% Titan bestehen.
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In
Gasturbinenmaschinen beispielsweise werden Titanlegierungen in der
Kompressorsektion der Maschine verwendet, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Strömungsprofile
wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, sowie Strukturbauteile wie
Zwischengehäuse
und Kompressorgehäuse
und Kompressorscheiben. Eine Titanlegierung, die in Gasturbinenmaschinen
in breitem Umfang verwendet wird, ist die weiter unten beschriebene
Zusammensetzung Ti 6Al-4V, und sie wird in Umgebungen bis zu etwa 600°F/315°C verwendet.
Für Anwendungen
bei höherer
Temperatur, z.B. in Umgebungen bis zu etwa 1200°F/650°C, und wo verbesserte Kriecheigenschaften
und andere Hochtemperatureigenschaften gebraucht werden, wird die
weiter unten beschriebene Zusammensetzung Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo verwendet.
Andere Legierungen auf Titanbasis können auch verwendet werden,
wie die ebenfalls weiter unten beschriebene Zusammensetzung Ti 8Al-1Mo-1V,
die im Bereich von zwischen etwa 500 bis 1000°F/260 bis 538°C eine gute
Festigkeit aufweist. Titanaluminide können ebenfalls verwendet werden,
und sie bestehen im Allgemeinen aus Titan und Aluminium in stöchiometrischen
Mengen, wie TiAl und TiAl3.
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Superlegierungen
auf Nickelbasis und Kobaltbasis werden typischerweise in der Turbinensektion
von Gasturbinenmaschinen verwendet, und in manchen Maschinen in
den späteren
Stufen der Kompressorsektion, einschließlich Laufschaufeln und Leitschaufeln
sowie Bauteilen wie Zwischengehäusen
und Zwischenscheiben und Turbinengehäusen und Turbinenscheiben.
Eine typische Superlegierung auf Nickelbasis, die in Gasturbinenmaschinen
verwendet wird, ist Inconel 718 (IN 718), die breit ausgedrückt im Allgemeinen
eine Zusammensetzung, in Gew.-%, von etwa 0,01 bis 0,05 Kohlenstoff (C),
13 bis 25 Chrom (Cr), 2,5 bis 3,5 Molybdän (Mo), 5,0 bis 5,75 (Columbium
(Cb) [auch als Niob (Nb) bezeichnet] + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,2
Titan (Ti), 0,3 bis 0,9 Aluminium (Al), bis zu etwa 21 Eisen (Fe),
Rest im Wesentlichen Ni, hat. Andere Legierungen werden ebenfalls
verwendet, wie IN 713 und Waspaloy, wie beispielsweise offenbart
in den
US-Patenten Nr. 4 574
015 und
5 120 373 mit
gleicher Inhaberschaft, die durch Bezugnahme ausdrücklich hierin
aufgenommen werden, und B-1900, siehe z.B. Sims and Hagel, The Superalloys,
(Wiley & Sons
1972), Seiten 596-7, und Legierungen auf Kobaltbasis, wie MAR-M-509,
siehe z.B. Sims and Hagel.
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IN
939 ist eine weitere Legierung auf Nickelbasis, die bis zu etwa
1500°F/815°C brauchbar
ist und eine nominelle Zusammensetzung von etwa 22,5 Cr, 19 Co,
6 Mo, 2 Al, 3,7 Ti, 2 W, 3,3 (Cb + Ta), 0,15 C, 0,005 B, Rest im
Wesentlichen Nickel hat. IN 939 ist schwierig, wenn nicht unmöglich, zu
schmieden. Gatorized Waspaloy ist eine weiter entwickelte Waspaloy-Zusammensetzung,
die entwickelt wurde, um gegenüber
konventioneller Waspaloy eine verbesserte Festigkeit und Temperaturtauglichkeit
zu schaffen. Siehe die
US-Patente
Nr. 4 574 015 und Nr.
5
120 373 . Sie hat eine allgemeine Zusammensetzung, in Gew.-%,
von 15,00 bis 17,00 Chrom, 12,00 bis 15,00 Kobalt, 3,45 bis 4,85
Molybdän,
4,45 bis 4,75 Titan, 2,00 bis 2,40 Aluminium. Gator Waspaloy kann
auch kleine Mengen an anderen Elementen.
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Zusätzlich zu
den obigen Eigenschaften, und um in Gasturbinenmaschinen verwendet
zu werden, müssen
diese Materialien zumindest in der Lage sein, zu relativ komplexen,
dreidimensionalen Formen wie Strömungsprofilen
geformt zu werden, und müssen
oxidationsbeständig
sein – besonders
bei erhöhten
Temperaturen. Die obigen Legierungen wurden in der Vergangenheit
typischerweise präzisionsgeschmiedet,
um Teile mit einer feinen mittleren Korngröße und einer Ausgewogenheit
von hoher Festigkeit, niedrigem Gewicht und Haltbarkeit oder hoher
Zyklus-Ermüdungsbeständigkeit
herzustellen. In der Gasturbinenmaschinen-Industrie ist Schmieden
ein bevorzugtes Verfahren, das zur Herstellung von Teilen mit komplexen
dreidimensionalen Formen wie Laufschaufeln und Leitschaufeln verwendet
wird. Diese Teile weisen, wenn sie richtig hergestellt werden, eine
Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, niedrigem Gewicht und Haltbarkeit
auf.
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In
Kürze,
zum Schmieden eines Teils wie eines Strömungsprofils wird ein Ingot
aus einem Material in eine Barrenform umgewandelt, typischerweise in
eine zylindrische für
Laufschaufeln und Leitschaufeln, und wird dann thermomechanisch
bearbeitet, wie durch mehrmaliges Erhitzen und Stanzen zwischen
Gesenken und/oder Hämmern,
die typischerweise der gewünschten
Gestalt zunehmend ähnlich geformt
sind, um das Material plastisch zu der gewünschten Bauteil-Gestalt zu
verformen. Die Schmiedegesenke können
typischerweise erhitzt werden. Jedes Bauteil wird typischerweise
wärmebehandelt,
um die gewünschten
Eigenschaften zu erhalten, z.B. Härtung/Festigung, Spannungsabbau, Beständigkeit
gegen Risswachstum und ein bestimmter Grad an HCF-Beständigkeit,
und es wird auch nachbearbeitet, z.B. spanabhebend bearbeitet, formgeätzt und/oder
lösungsmittelbearbeitet,
wenn erforderlich, um das Bauteil mit der präzisen Gestalt, den Abmessungen
und/oder den Oberflächenmerkmalen
auszustatten.
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Die
Herstellung von Bauteilen durch Schmieden ist ein teurer, zeitaufwändiger Prozess
und ist daher typischerweise nur für Bauteile gerechtfertigt,
die ein besonders harmonisches Verhältnis von Eigenschaften, z.B.
hohe Festigkeit, geringes Gewicht und Haltbarkeit, sowohl bei Raumtemperatur
als auch bei erhöhten Temperaturen,
erfordern. Was das Erhalten von Material zum Schmieden betrifft,
benötigen
bestimmte Materialien lange Vorlaufzeiten. Schmieden umfasst typischerweise
eine Reihe von Vorgängen, von
denen jeder separate Gesenke und zugehörige Gerätschaften erfordert. Die Nachbearbeitungsvorgänge nach
dem Schmieden, z.B. spanabhebend Bearbeiten des Wurzelbereichs einer
Laufschaufel und Schaffen der passenden Oberflächen-Beschaffenheit, machen
einen signifikanten Teil der Gesamtkosten der Herstellung geschmiedeter
Teile aus und weisen einen signifikanten Anteil an Teilen, die aussortiert
werden müssen,
auf.
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Während des
Schmiedens der Bauteile wird viel von dem ursprünglichen Material (bis zu etwa 85%
in Abhängigkeit
vom Umfang des Schmiedens) entfernt und bildet keinen Teil des fertigen
Bauteils, es ist z.B. Prozessabfall. Die Komplexität der Gestalt des
hergestellten Bauteils trägt
lediglich zu der Mühe und
zu den Kosten bei, die zur Fertigung des Bauteils erforderlich sind,
was eine noch wichtigere Überlegung
für Gasturbinenmaschinen-Bauteile
mit besonders komplexer Gestalt ist. Manche Legierungen können auch
während
des Schmiedens einen elastischen Charakter aufweisen, was während des Schmiedens
berücksichtigt
werden muss, d.h. die Teile müssen „überschmiedet" werden. Wie oben
angegeben, können
fertiggestellte Bauteile noch eine umfassende Bearbeitung nach dem
Schmieden benötigen.
Darüber
hinaus haben, da Computer-Software verwendet wird, um Computer-Fluiddynamik zum
Analysieren und Erzeugen aerodynamisch effizienterer Strömungsprofil-Gestalten
anzuwenden, derartige Strömungsprofile
und Bauteile noch kompliziertere dreidimensionale Gestalten. Es
ist schwieriger oder unmöglich,
Titanlegierungen präzise
zu diesen fortgeschrittenen, komplizierteren Gestalten zu schmieden,
was weiter zu den Kosten der Bauteile beiträgt oder die Bauteile so teuer
macht, dass es wirtschaftlich nicht machbar ist, bestimmte Fortschritte
in der Maschinentechnologie auszunutzen oder bestimmte Legierungen
für manche
Bauteilgestalten zu verwenden.
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Geschmiedete
Bauteile können
Schmiede-Unvollkommenheiten enthalten, die tendenziell schwierig
zu prüfen
sind. Darüber
hinaus ist die präzise
Reproduzierbarkeit ebenfalls ein Thema – Schmieden führt nicht
zu Bauteilen mit Abmessungen, die von Teil zu Teil präzise dieselben
sind. Nach der Prüfung
müssen
viele Teile noch erneut bearbeitet werden. Als eine allgemeine Regel
müssen
geschmiedete Teile zu etwa 20% der Zeit ausrangiert oder signifikant
erneut bearbeitet werden. Darüber hinaus
sind neuere, fortschrittlichere oder höher legierte Materialien zunehmend
schwierig (wenn nicht unmöglich)
und dementsprechend kostspieliger zu schmieden. Diese Bedenken verstärken sich
nur, wenn komplexere dreidimensionale Strömungsprofil-Geometrien verwendet
werden.
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Gießen wurde
in breitem Umfang verwendet, um Gegenstände einer Gestalt relativ nahe
an der fertigen Gestalt herzustellen.
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Investmentgießen, bei
dem geschmolzenes Metall in eine Keramik-Gießmaske mit einem Hohlraum in
der Gestalt des zu gießenden
Gegenstands gegossen wird, kann zur Herstellung derartiger Gegenstände verwendet
werden. Investmentgießen
erzeugt jedoch extrem große
Körner,
z.B. ASTM 0 oder größer (relativ
zu der kleinen mittleren Korngröße, die durch
Schmieden erzielbar ist), und in manchen Fällen weist das gesamte Teil
ein einziges Korn auf. Darüber
hinaus ist dieser Prozess teuer, da für jedes Teil eine individuelle
Form hergestellt wird. Eine Reproduzierbarkeit sehr präziser Abmessungen
von Teil zu Teil ist schwierig zu erreichen. Wenn das Material in Anwesenheit
eines Gases geschmolzen, gegossen und/oder fest werden lassen wird,
können
die Teile unerwünschte
Eigenschaften wie Einschlüsse
und Porosität
haben, insbesondere für
Materialien, die reaktive Elemente wie Titan oder Aluminium enthalten. Die
Zertrümmerung
der Keramik-Gießmaske
trägt auch
zur Anwesenheit von Einschlüssen
und Verunreinigungen bei.
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Kokillenguss,
bei dem geschmolzenes Material in eine mehrteilige, wiederverwendbare
Form gegossen wird und nur unter der Kraft der Schwerkraft in die
Form fließt,
wurde auch allgemein zum Gießen von
Teilen verwendet. Siehe z.B. das
US-Patent
Nr. 5 505 246 von Colvin. Kokillenguss hat jedoch mehrere
Nachteile. Bei dünnen
Gussteilen wir Strömungsprofilen
kann die Kraft der Schwerkraft nicht ausreichend sein, um das Material
in dünnere
Abschnitte zu drängen,
besonders dann, wenn Materialien mit hoher Schmelztemperatur und
geringe Überhitzungen
verwendet werden, und dementsprechend füllt sich die Form nicht durchweg,
und die Teile müssen
ausrangiert werden. Die Abmessungstoleranzen müssen relativ groß sein und
erfordern dementsprechend mehr Bearbeitung nach dem Gießen, und
eine Wiederholbarkeit ist schwierig zu erreichen. Kokillenguss führt auch
zu einer relativ schlechten Oberflächen-Beschaffenheit, was auch
eine signifikante Bearbeitung nach dem Gießen erfordert.
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Druckgießen, bei
dem geschmolzenes Metall unter Druck in eine wiederverwendbare Gießform eingespritzt
wird, wurde in der Vergangenheit erfolgreich verwendet, um Gegenstände aus
Materialien mit relativ niedrigen Schmelztemperaturen, z.B. unter etwa
2000°F/1093°C, herzustellen.
Wie beispielsweise in den
US-Patenten
Nr. 2 932 865 , Nr.
3
106 002 , Nr.
3 532 561 und
Nr.
3 646 990 dargelegt,
umfasst eine konventionelle Druckgussmaschine einen Schusskanal,
der an eine (typischerweise fixierte) Platte einer mehrteiligen
Gießform,
z.B. einer zweiteiligen Gießform
mit einer fixierten und einer beweglichen Platte, die zusammenwirken,
um einen Gießform-Hohlraum
zu definieren, montiert ist. Der Schusskanal ist horizontal, vertikal
oder zwischen horizontal und vertikal geneigt ausgerichtet. Der
Kanal ist typischerweise nur an einem Ende, durch die Gießform, fixiert,
z.B. ist der Kanal nicht in einen Materialblock eingebettet. Der
Kanal steht mit einem Gießlauf
der Gießform
in Verbindung und weist eine Öffnung
auf dem Kanal auf, durch die geschmolzenes Metall gegossen wird.
Ein Kolben ist zur Bewegung in dem Kanal angeordnet, und ein Antriebsmechanismus
bewegt den Kolben und zwingt geschmolzenes Metall aus dem Kanal
in die Gießform.
In einer Druckgussmaschine vom „Kaltkammer"-Typ ist der Schusskanal
typischerweise horizontal ausgerichtet und wird nicht erhitzt. Das
Gießen
geschieht üblicherweise
unter atmosphärischen
Bedingungen, d.h. die Ausrüstung
befindet sich nicht in einer nicht-reaktiven Umgebung wie einer
Vakuumkammer oder in einer inerten Atmosphäre.
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Die
Nachteile derartiger Maschinen werden ebenfalls in den
US-Patenten Nr. 3 646 990 und Nr.
3 791 440 , beide von Cross,
diskutiert, insbesondere in Verbindung mit der Unfähigkeit,
derartige Maschinen zum Gießen
von Materialien mit höherem
Schmelzpunkt zu verwenden. In konventionellen Maschinen ist die
Atmosphäre
in dem Schusskanal nicht evakuiert, und der Kolben treibt auch jegliche
Luft aus dem Kanal in die Gießform,
was zur Porosität
druckgegossener Gegenstände
führt,
ein Zustand, der sowohl unerwünscht
als auch unzulässig
ist, besonders wenn der Gegenstand bei anspruchsvollen Anwendungen
verwendet werden soll, wie für
Bauteile für die
Luft- und Raumfahrt. Dementsprechend muss, um das Einspritzen von
Blasen mit dem geschmolzenen Material zu vermeiden, der Schusskanal
so vollständig
wie möglich
gefüllt
sein, oder er ist geneigt, so dass jegliche Luft in dem geschmolzenen
Material vor dem Einspritzen von der Gießform weg wandert. Darüber hinaus
verfestigt sich, da der Schusskanal nicht erhitzt wird, eine Haut
oder „Büchse" aus geschmolzenem
Metall an der Innenseite des Schusskanals, und um den Kolben durch
den Kanal zu bewegen, um das geschmolzene Metall in die Gießform einzuspritzen,
muss der Kolben den Widerstand des fest gewordenen Metalls überwinden,
wobei er die Haut von dem Kanal weg kratzt und dadurch „die Büchse zerdrückt". Die Büchse bildet
jedoch ein strukturmäßig starkes
Element, z.B. in der Form eines Zylinders, der von dem Kanal gestützt wird,
der Kolben und/oder die zugehörige
Anordnung zum Bewegen des Kolbens kann wegen des Widerstands gegen
die Kolbenbewegung beschädigt
oder zerstört werden.
Wenn der Kolben thermisch verformt wird und der Gestalt des Kanals
nicht angepasst ist, oder wenn der Kanal thermisch verformt wird,
was den freien Raum zwischen dem Kanal und dem Kolben verändert, kann
der Durchtritt von Metall zwischen Kolben und Kanal („Zurückdrücken") auftreten und/oder
den Kolben festfressen lassen, was alles die sich ergebenden Gegenstände nachteilig
beeinflusst. Siehe auch
US-Patent
Nr. 3 533 464 von Parlanti et al.
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Trotz
umfangreicher Bemühungen
wurden die konventionellen „Kaltkammer"-Druckgussvorrichtungen
nicht erfolgreich verwendet, um aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur,
wie Titanlegierungen und Superlegierungen, bestehende Gegenstände herzustellen.
Wie hierin verwendet, beziehen sich Superlegierungen allgemein auf
jene Materialien, die durch eine hohe Festigkeit gekennzeichnet
sind und die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit beibehalten.
Derartige Materialien sind auch durch relativ hohe Schmelzpunkte
gekennzeichnet. Frühere Versuche,
Materialien mit hoher Schmelztemperatur wie Titanlegierungen und
Superlegierungen druckzugießen,
führten
zu nicht betriebsfähigen
Druckgussmaschinen sowie zu Gegenständen, die durch mindere Qualität wie Verunreinigungen, übermäßige Porosität und relativ
schlechte Festigkeitseigenschaften und Ermüdungseigenschaften gekennzeichnet
waren.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Druckgießen von
Gegenständen,
die aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur, z.B. Tm über 2000°F/1093°C, bestehen,
bereitzustellen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung druckgegossener Gegenstände aus Titanlegierung mit
Eigenschaften, die denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar
sind, bereitzustellen.
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Es
ist eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Druckgießen
von Gegenständen
aus Titanlegierung, die eine Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit
haben, die mit denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar
sind, bereitzustellen.
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Es
ist auch eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Druckgießen von
Gegenständen
aus Superlegierung, die eine Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit haben,
die denjenigen geschmiedeter Gegenstände aus Titan vergleichbar
sind, bereitzustellen.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige
Gegenstände
mit komplexen, dreidimensionalen Gestalten, die schwierig, wenn
nicht unmöglich,
zu schmieden sind, bereitzustellen.
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Zusätzliche
Aufgaben werden für
Fachleute auf der Basis der folgenden Offenbarung und der Zeichnungen
deutlich.
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EP-A-0 901 853 und
GB-A-914508 offenbaren
Vorrichtungen und Verfahren zum Vakuum-Druckgießen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren offenbart, wie es in Anspruch
1 beansprucht wird. Die sich ergebenden Gegenstände sind durch eine für einen
gegossenen Gegenstand feine mittlere Korngröße und ein Fehlen von Fließlinien
gekennzeichnet. Zu beispielhaften Legierungen mit hoher Schmelztemperatur
gehören
Titanlegierungen und Superlegierungen auf Kobaltbasis und Nickelbasis.
Beispielhafte reaktive Legierungen umfassen Titanlegierungen und
Superlegierungen auf Eisenbasis.
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Die
vorliegende Erfindung ist insofern vorteilhaft, als sie das Erfordernis
einer Schmiedeausrüstung
und jegliches Erfordernis, speziell zugeschnittene Materialbarren
herzustellen, beseitigt. Vom Standpunkt der erforderlichen Ausrüstung her
erfordert das Schmieden die Herstellung mehrerer Gießformen, um
ein neues Teil herzustellen, mit signifikanten Kosten. Im Gegensatz
dazu wird pro Teil nur ein einziger Gießform-Satz benötigt, mit
relativ zum Schmieden signifikant verringerten Kosten. Dementsprechend wird
die Zeit, die zur Herstellung eines Teils, vom Ingot bis zum fertiggestellten
Teil, erforderlich ist, beträchtlich
reduziert. Druckgießen
kann weitgehend in einem einzigen Vorgang durchgeführt werden,
im Gegensatz zu mehreren Schmiedevorgängen. Beim Druckgießen können mehrere
Teile in einem einzigen Guss hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die Herstellung
von Teilen mit komplexeren, dreidimensionalen Gestalten als beim
Schmieden, wodurch es ermöglicht,
dass neue Software-Designtechnologie auf Gebieten wie Gasturbinenmaschinen
angewendet und genutzt wird, und die Herstellung aerodynamisch wirkungsvollerer
Strömungsprofile
und anderer Bauteile ermöglicht.
Druckgießen
ermöglicht
die Herstellung derartiger Gegenstände unter Verwendung von Materialien,
die schwierig oder unmöglich zu
schmieden sind. Druckgegossene Teile werden mit einer Gestalt, die
ihrer fertigen Gestalt näher
ist, und mit einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit hergestellt,
wodurch Nachbearbeitungsvorgänge
nach der Herstellung minimiert werden und die Kosten der Herstellung
derartiger Teile verringert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht eines druckgegossenen Gegenstands aus Titanlegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 und 3 sind
schematische Ansichten einer Druckgussmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Druckgießen von
Materialien mit hoher Schmelztemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht.
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5 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem
Ti 6-4 bestehenden Strömungsprofils
gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht.
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6 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem
Ti 6-4 bestehenden Prüfstabs
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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7 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus geschmiedetem
Ti 6-4 bestehenden Strömungsprofils
veranschaulicht.
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8 und 9 veranschaulichen einen Vergleich von
Eigenschaften für
druckgegossenes Ti 6-4 gemäß der vorliegenden
Erfindung und geschmiedetes Ti 6-4.
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10 und 11 veranschaulichen
Ermüdungseigenschaften
von druckgegossenem Ti 6-4 und entsprechenden geschmiedeten Gegenständen.
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12 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem
Ti 6-2-4-2 bestehenden Strömungsprofils
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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13 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem
Ti 6-2-4-2 bestehenden Prüfstabs
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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14 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus geschmiedetem
Ti 6-2-4-2 bestehenden Strömungsprofils
veranschaulicht.
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15 veranschaulicht
einen Vergleich von Eigenschaften für druckgegossenes Ti 6-2-4-2
gemäß der vorliegenden
Erfindung und geschmiedetes Ti 6-2-4-2.
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16 ist
eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem
Ti 8-1-1 bestehenden Gegenstands veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wendet
man sich nun 1 zu, wird ein druckgegossener
Gegenstand (Titanlegierung in der veranschaulichten Ausführungsform),
der aus einem Material mit hoher Schmelztemperatur gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht, allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet.
In der veranschaulichten Ausführungsform
ist der Gegenstand eine Kompressor-Laufschaufel 10 für eine Gasturbinenmaschine und
umfasst ein Strömungsprofil 12,
eine Plattform 14 und eine Wurzel 16, könnte aber
auch eine Leitschaufel oder ein Strukturbauteil für eine derartige Maschine
sein. Die veranschaulichte Ausführungsform
ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung auf Gasturbinenmaschinenteile
zu beschränken.
Der Begriff „Material
mit hoher Schmelztemperatur" soll
Materialien mit einer Schmelztemperatur von mindestens 2000°F/1093°C und typischerweise über 2500
bis 3000°F/1370
bis 1650°C,
umfassen. „Reaktive
Legierungen", wie
hierin verwendet, umfassen Elemente, die reagieren, wenn sie Luft
oder einer anderen Atmosphäre,
die Sauerstoff enthält,
ausgesetzt werden, Elemente wie Titan, Aluminium und Eisen, und
die typischerweise bei erhöhter
Temperatur schneller reagieren.
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Gegenstände und
Verfahren (4) gemäß der vorliegenden Erfindung
werden unten detaillierter beschrieben. Wir bevorzugen, eine Druckgussmaschine
vom Kaltkammer-Typ (2 bis 3) des Typs
mit einem horizontal ausgerichteten und üblicherweise nicht erhitzten
Schusskanal gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwenden, da derartige Maschinen leicht verfügbar und
relativ preiswert und erforderlichenfalls leicht reparierbar sind.
In Kürze, es
wird mindestens eine einzige Charge aus Titanlegierung in einer
Weise, um eine Verunreinigung zu minimieren, geschmolzen. Dementsprechend
wird die Legierung in einer nicht-reaktiven, z.B. einer inerten
oder bevorzugt einer Vakuum-Umgebung erhitzt und geschmolzen. Die
Legierung wird auch auf eine kontrollierte, beschränkte Überhitzung
erhitzt, um sicherzustellen, dass sie geschmolzen bleibt, bis sie
in die Form eingespritzt wird, aber nicht genug, um ein schnelles
Festwerden des geschmolzenen Materials nach dem Einspritzen zu verhindern.
Die geschmolzene Legierung wird dann in einen horizontalen Schusskanal
der Maschine, der bevorzugt in einer Vakuum-Umgebung angebracht
ist, überführt, und das
geschmolzene Material wird unter Druck in eine wiederverwendbare
Form eingespritzt. Der Prozess, der das Gießen und Einspritzen des geschmolzenen Materials
umfasst, sollte einige wenige Sekunden nicht überschreiten, wobei in einer
Druckgussmaschine mit einem nicht erhitzten Schusskanal das Einspritzen
bevorzugt in weniger als einer oder zwei Sekunden stattfindet.
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Wendet
man sich nun den 2, 3 und 4 zu,
bevorzugen wir, eine Druckgussmaschine (2 bis 3)
des Typs mit einem nicht erhitzten Schusskanal („Kaltkammer”) zu verwenden,
um Gegenstände
gemäß der vorliegenden
Erfindung herzustellen. Allgemein wird eine Materialcharge hergestellt
(4, Schritt 44), und das Material, das
druckgegossen werden soll, wird in der Vorrichtung 18 geschmolzen
(Schritt 46 – 4).
Wie allgemein bekannt ist, ist geschmolzenes Titan ein aggressives Material
und greift das Material, in dem es geschmolzen wird, an. Dementsprechend
bevorzugen wir, das Titan durch Induktions-Schalenerschmelzen oder durch
Induktions-Schalenschmelzen (ISR – induction skull remelting
or melting) 24 zu schmelzen, beispielsweise in einer Einheit
des Typs, die von Consarc Corporation aus Rancocas, NJ, hergestellt wird,
die in der Lage ist, eine einzige zu gießende Materialcharge, z.B.
bis zu etwa 25 pound Material, schnell, sauber zu schmelzen. Beim
ISR wird Material in einem Tiegel geschmolzen, der durch eine Mehrzahl
von Metall (typischerweise Kupfer)-Fingern, die in einer Stellung
nebeneinander gehalten werden, definiert wird. Der Tiegel ist von
einer Induktionsspule umgeben, die an eine Stromquelle 26 gekoppelt
ist. Die Finger enthalten Durchgänge
für die
Zirkulation von Kühlwasser
von und zu einer Wasserquelle (nicht gezeigt), um ein Schmelzen
der Finger zu verhindern. Das von der Spule erzeugte Feld erhitzt
und schmilzt Material, das sich in dem Tiegel befindet. Das Feld
dient auch dazu, das geschmolzene Metall zu bewegen oder zu rühren. Eine
dünne Schicht
des Materials gefriert an der Tiegelwand und bildet die Schale,
wodurch es die Fähigkeit
des geschmolzenen Materials, den Tiegel anzugreifen, minimiert. Durch
geeignete Wahl des Tiegels und der Spule und der an die Spule angelegten
Stromstärke
und Stromfrequenz ist es möglich,
das geschmolzene Material von dem Tiegel weg zu drängen, was
den Angriff der Tiegelwand durch das geschmolzene Material weiter verringert.
Durch Schmelzen von nur einer einzigen Charge, anstatt einen großen Behälter mit
geschmolzener Legierung vorzuhalten, stellen wir sicher, dass Komponenten
mit relativ niedrigen Schmelzpunkten relativ zu der Legierung insgesamt
vor dem Gießen nicht
verdampft werden und verloren gehen.
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Wenn
reaktive Materialien, wie Titan und Aluminium und Legierungen, die
diese Materialien enthalten, zu gießen sind, ist es wichtig, die
Materialien in einer nicht-reaktiven
Umgebung zu schmelzen, um eine Reaktion, eine Verunreinigung oder
einen anderen Zustand, der die Qualität der sich ergebenden Gegenstände nachteilig
beeinflussen könnte,
zu verhindern. Da irgendwelche Gase in der Schmelz-Umgebung in dem geschmolzenen
Material eingeschlossen werden können
und zu einer übermäßigen Porosität in druckgegossenen
Gegenständen
führen, be vorzugen
wir, das Material in einer Vakuum-Umgebung anstatt in einer inerten
Umgebung, z.B. Argon, zu schmelzen. Bevorzugter wird das Material
in einer Schmelzkammer 20, die an eine Vakuumquelle 22 gekoppelt
ist, geschmolzen, wobei die Kammer bei einem Druck von weniger als
100 μm,
bevorzugt weniger als 50 μm,
gehalten wird.
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Wir
bevorzugen zwar, einzelne oder kleinere Chargen von Titanmaterial
unter Verwendung einer ISR-Einheit zu schmelzen, aber das Material
kann auf andere Weise, wie durch Vakuum-Induktionsschmelzen (VIM – vacuum
induction melting) und Elektronenstrahlschmelzen, geschmolzen werden, solange
das Material, das geschmolzen wird, nicht signifikant verunreinigt
wird. Darüber
hinaus schließen wir
nicht aus, Bulkmaterial, z.B. mehrere Materialchargen auf einmal,
in einer Vakuum-Umgebung zu schmelzen und dann einzelne Chargen
von geschmolzenem Material in den Schusskanal zum Einspritzen in
die Gießform
zu überführen. Da
jedoch das Material in einem Vakuum geschmolzen wird, muss jegliche
Vorrichtung, die verwendet wird, um das geschmolzene Material zu überführen, typischerweise
in der Lage sein, hohe Temperaturen auszuhalten, und in der Vakuumkammer
angeordnet sein, und folglich muss die Kammer relativ groß sein.
Die zusätzliche
Ausrüstung
trägt zu
den Kosten bei, und die entsprechend große Vakuumkammer braucht zum
Evakuieren länger,
was die Zykluszeit beeinflusst.
-
Da
notwendigerweise zwischen dem Schmelzen des Materials und dem Einspritzen
des geschmolzenen Materials in die Gießform eine gewisse Zeit vergeht,
wird das Material mit einer begrenzten Überhitzung geschmolzen – hoch genug, um
sicherzustellen, dass das Material zumindest im Wesentlichen geschmolzen
bleibt, bis es eingespritzt wird, aber niedrig genug, um sicherzustellen,
dass beim Einspritzen ein schnelles Festwerden eintritt, was die
Bildung kleiner Körner
ermöglicht,
und auch, um die thermische Belastung auf die Druckgussvorrichtung
(insbesondere jene Bereiche der Vorrichtung, die mit dem geschmolzenen
Metall in Berührung
kommen) zu minimieren. Das Material wird genügend überhitzt, um sicherzustellen,
dass es bis zum Einspritzen in die Form geschmolzen bleibt, aber
der Betrag der Überhitzung
ist niedrig genug, um eine schnelles Festwerden des geschmolzenen Materials
nach dem Einspritzen zu ermöglichen.
Die kontrollierte Überhitzung
ist besonders wichtig für Superlegierungen
wie IN 718. Wir haben Titanlegierungen und auch IN 718 mit einer
kontrollierten, begrenzten Überhitzung
geschmolzen, z.B. haben wir erfolgreich Überhitzungen innerhalb von
etwa 100°F bis
200°F/37
bis 95°C über der
Schmelztemperatur der Legierung, und bevorzugter innerhalb von etwa 50°F bis 100°F/10 bis
37°C, verwendet,
bevorzugt unter Verwendung eines keramikfreien Schmelzsystems wie
einer Induktions-Schalenschmelzeinheit.
-
Geschmolzene
Legierung wird dann in einen horizontalen Schusskanal der Maschine,
die sich bevorzugt in einer Vakuum-Umgebung befindet, überführt, und
das geschmolzene Material wird unter Druck in eine wiederverwendbare
Form eingespritzt. Wir haben gefunden, dass der Prozess des Gießens und
Einspritzens des geschmolzenen Materials in einer oder zwei Sekunden
bei einer Druckgussmaschine mit einem nicht erhitzten Schusskanal
gut funktioniert.
-
Um
geschmolzenes Material von dem Tiegel zu einem Schusskanal 30 der
Vorrichtung (Schritt 48 – 4) zu überführen, ist
der Tiegel verschiebbar (Pfeil 31 in 3)
und auch schwenkbar (Pfeil 33 von 2) um eine
Gießachse
montiert, und ist wiederum an einen Motor (nicht gezeigt) zum Drehen
des Tiegels montiert, um geschmolzenes Material aus dem Tiegel durch
ein Gießloch 32 des
Schusskanals 30 zu gießen.
Die Verschiebung des Tiegels geschieht zwischen der Schmelzkammer 20,
in der Material geschmolzen wird, und einer Position in einer separaten
Vakuumkammer 34, in der sich der Schusskanal befindet.
Die Gießkammer 34 wird
auch als eine nicht-reaktive Umgebung gehalten, bevorzugt eine Vakuum-Umgebung
mit einem Druckniveau von weniger als 100 μm, und bevorzugter weniger als 50 μm. Die Schmelzkammer 20 und
die Gießkammer 34 werden
durch ein Absperrventil oder ein anderes geeignetes Mittel (nicht
gezeigt) getrennt, um den Verlust von Vakuum in dem Fall, dass eine
Kammer der Atmosphäre
ausgesetzt wird, z.B. um Zugang zu einem Bauteil in der jeweiligen
Kammer zu erhalten, zu minimieren. Die veranschaulichte Ausführungsform
umfasst zwar getrennte Schmelz- und Gießkammern, aber es ist auch
möglich,
das Schmelzen und Gießen
in einer einzigen Kammer durchzuführen. Wir bevorzugen, getrennte
Kammern zu verwenden, um den Verlust von Vakuum-Umgebung in dem Fall,
dass ein gegebenes Bauteil der Atmosphäre ausgesetzt werden muss,
z.B. zum Warten der Schmelzeinheit oder des Schusskanals oder zum Entfernen
eines Gussteils, zu minimieren.
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Wie
oben angegeben, wird das geschmolzene Material aus dem Tiegel 24 durch
ein Gießloch 34 in
den Schusskanal 30 überführt. Der
Schusskanal 30 ist an eine mehrteilige, wiederverwendbare
Gießform 36,
die einen Gießform-Hohlraum 38 definiert, gekoppelt.
Es wird eine ausreichende Menge an geschmolzenem Material in den
Schusskanal gegossen, um den Gießform-Hohlraum zu füllen, der
ein Teil oder mehr als ein Teil enthalten kann. Wir haben erfolgreich
bis zu 12 Teile in einem einzigen Schuss gegossen, z.B. unter Verwendung
einer Gießform
mit 12 Hohlräumen.
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Die
veranschaulichte Gießform 36 umfasst zwei
Abschnitte, 36a, 36b (kann aber mehr Abschnitte
umfassen), die zusammenwirken, um den Gießform-Hohlraum 38,
beispielsweise in der Form einer Kompressor-Laufschaufel oder -Leitschaufel
für eine Gasturbinenmaschine,
zu definieren. Die Gießform 36 ist
auch bevorzugt direkt an die Vakuumquelle und auch durch den Schusskanal
gekoppelt, um ein Evakuieren der Gießform vor dem Einspritzen des
geschmolzenen Metalls zu ermöglichen.
Die Gießform kann
sich in einer Vakuumkammer befinden, anstatt direkt an eine Vakuumquelle
gekoppelt zu sein, oder zusätzlich
dazu. Ein Abschnitt der zwei Abschnitte 36a, 36b der
Gießform
ist typischerweise fixiert, während
der andere Teil relativ zu dem einen Abschnitt, beispielsweise durch
ein hydraulisches System (nicht gezeigt), beweglich ist. Die Gießform weist
bevorzugt Ausstoßstifte
(nicht gezeigt) auf, um das Ausstoßen von fest gewordenem Material
aus der Gießform
zu erleichtern. Die Gießform
kann auch einen Abstreifmechanismus (nicht gezeigt) zum Entfernen
von Gießmaterial
aus der Gießform,
während
das Material noch heiß ist,
aufweisen, um die thermischen Belastungen der Gießform weiter
zu verringern.
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Die
Gießform
kann aus verschiedenen Materialien bestehen und sollte eine gute
thermische Leitfähigkeit
haben und relativ beständig
gegen Erosion und chemischen Angriff durch das Einspritzen des geschmolzenen
Materials sein. Eine umfassende Liste möglicher Materialien würde ziemlich
groß sein, und
sie umfasst Materialien wie Metalle, Keramiken, Graphit, Keramikmatrix-Verbundmaterialien
und Metallmatrix-Verbundmaterialien. Jedes der verschiedenen Gießform-Materialien
hat Attribute, z.B. Einfachheit der maschinellen Bearbeitung, Festigkeit
bei erhöhten
Temperaturen und Kompromisse der beiden, die es für verschiedene
Anwendungen wünschenswert
machen. Für
Titan bevorzugen wir gegenwärtig die
Verwendung von Gießformen,
die aus weichem Kohlenstoffstahl bestehen, z.B. 1018, wegen seiner geringen
Kosten und der Einfachheit der maschinellen Bearbeitung. Beschichtungen
und Oberflächenbehandlungen
können
verwendet werden, um das Betriebsverhalten der Vorrichtung und die
Qualität der
sich ergebenden Teile zu verbessern. Die Gießform kann auch mit einer Quelle
von Kühlmittel
wie Wasser oder einer Wärmequelle
wie Öl
(nicht gezeigt) verbunden werden, um die Gießform-Temperatur während des
Betriebs thermisch im Griff zu haben. Zusätzlich kann ein Gießform-Schmiermittel
auf ein oder mehrere ausgewählte
Teile der Gießform und
der Druckgussvorrichtung aufgebracht werden. Irgendein Schmiermittel
sollte im Allgemeinen die Qualität
von sich ergebenden gegossenen Gegenständen verbessern, und spezieller
sollte es gegen einen thermischen Abbau beständig sein, um das Material,
das eingespritzt wird, nicht zu verunreinigen.
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Geschmolzenes
Metall wird dann aus dem Tiegel in den Schusskanal überführt. Eine
ausreichende Menge an geschmolzenem Metall wird in den Schusskanal
gegossen, um den Kanal teilweise zu füllen und danach die Gießform zu
füllen.
Bevorzugt ist der Kanal zu weniger als 50% gefüllt, bevorzugter zu weniger
als etwa 40% gefüllt,
und am meisten bevorzugt zu weniger als 30% gefüllt.
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Eine
Einspritzvorrichtung wie ein Kolben 40 wirkt mit dem Schusskanal 30 zusammen,
und eine Hydraulik oder ein anderes geeignetes System (nicht gezeigt)
treibt den Kolben in die Richtung des Pfeils 42, um den
Kolben zwischen der Position, die durch die durchgezogenen Linien
veranschaulicht wird, und der Position, die durch die gestrichelten
Linien veranschaulicht wird, zu bewegen und dadurch das geschmolzene
Material unter Druck aus dem Kanal 30 in den Gießform-Hohlraum 38 einzuspritzen
(Schritt 50 – 4).
In der Position, die durch durchgezogene Linien veranschaulicht
wird, wirken der Kolben und der Kanal zusammen, um ein Volumen zu
definieren, das wesentlich größer ist
als die Menge an geschmolzenem Material, die eingespritzt werden wird.
Bevorzugt beträgt
das Kanalvolumen mindestens das Doppelte des Volumens an eingespritztem Material,
bevorzugter mindestens das Dreifache. Dementsprechend füllt das
Volumen des geschmolzenen Materials, das aus dem Tiegel in den Kanal überführt wird,
weniger als die Hälfte,
und am meisten bevorzugt weniger als etwa ein Drittel, des Kanalvolumens.
Da der Kanal nur teilweise gefüllt
ist, bildet irgendein Material oder irgendeine Haut, das (die) an dem
Kanal fest wird, nur einen Teilzylinder, z.B. eine offene gebogene
Oberfläche,
und wird während
der Metalleinspritzung leicht abgekratzt oder zerstoßen und
wieder in das geschmolzene Material inkorporiert. Zum Einspritzen
haben wir Kolbengeschwindigkeiten von zwischen etwa 30 Inch/s (ips)
und 300 ips/0,77 bis 7,7 m/s (mit einem Schusskanal mit einem Innendurchmesser
von etwa 3 Inch/7,6 cm) verwendet, und gegenwärtig bevorzugen wir, eine Kolbengeschwindigkeit
von zwischen etwa 50 bis 175 Inch/s (ips)/1,28 bis 4,5 m/s zu verwenden.
Der Kolben wird typischerweise mit einem Druck von mindestens 1200
psi/8,4 MPa, und bevorzugter mindestens 1500 psi/10,5 MPa, bewegt.
Wenn sich der Kolben dem Ende seiner Hublänge nähert, wenn der Gießform-Hohlraum
gefüllt
ist, beginnt er, Druck auf das Metall zu übertragen. Es kann dann wünschenswert
sein, den Druck zu steigern, um ein vollständiges Füllen des Form-Hohlraums sicherzustellen,
die jeweiligen Steigerungsparameter hängen von dem gewünschten
Ergebnis ab. Die Steigerung wird durchgeführt, um die Porosität zu minimieren
und um irgendeine Materialschrumpfung während des Abkühlens zu
verringern oder auszuschließen.
Wir haben eine Steigerung über
1500 psi mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet. Nach dem
Verstreichen einer ausreichenden Zeitspanne, um das Festwerden des
Materials in der Gießform
sicherzustellen, werden die Ausstoßstifte (nicht gezeigt) betätigt, um
die Teile aus der Gießform
auszustoßen
(Schritt 52 – 4).
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Wie
in der Technik bekannt ist, enthalten gegossene Gegenstände typischerweise
eine gewisse Porosität,
im Allgemeinen bis zu einigen wenigen Prozent. Dementsprechend,
und insbesondere wenn derartige Gegenstände bei anspruchsvolleren Anwendungen
wie Kompressor-Strömungsprofilen
für Gasturbinenmaschinen
verwendet werden, gibt es ein Bedürfnis, die Porosität zu verringern
und bevorzugt zu beseitigen, und in sonstiger Weise zu behandeln,
wie erforderlich (Schritt 54 – 4). Die
Teile werden daher bevorzugt heißisostatisch gepresst (geHIPt),
wie oben beschrieben, um die Porosität in den Teilen, wie gegossen,
zu verringern und im Wesentlichen zu beseitigen. Für Gegenstände aus
Titanlegierung bevorzugen wir im Allgemeinen, bei einer Temperatur
von über
etwa 1500 bis 1600°F/815 bis
871°C (und
unterhalb der beta-Transustemperatur von etwa 1850°F/1010°C, wenn es
erwünscht
ist, die vorliegende beta-Phase beizubehalten), bei einem Druck
von mindestens 14 ksi/98 MPa, bevorzugter über 14,5 ksi/101,5 MPa, und
für mindestens
2 h zu HIPen.
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Gewünschtenfalls
können
die Gegenstände dann
wärmebehandelt
werden. Die tatsächlichen Wärmebehandlungs-
und HIP-Parameter können
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung für den
Gegenstand und der Ziel-Zykluszeit für den Prozess variiert werden,
jedoch müssen
die Temperatur, der Druck und die Zeit, die während des HIPens verwendet
werden, ausreichend sein, um im Wesentlichen die gesamte Porosität in den
gegossenen Gegenständen
zu beseitigen, aber kein signifikantes Kornwachstum zu erlauben.
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Wie
oben angegeben, können
die Gegenstände
bei Strömungsprofilen,
die aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehen, auf eine Temperatur von
zwischen etwa 1500 bis 1600F 815 bis 871°C in einer inerten Umgebung,
z.B. Argon oder Vakuum, für
mindestens 2 h erhitzt werden. Für
Strömungsprofile,
die aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehen, werden die Gegenstände bevorzugt
auf eine Temperatur von zwischen etwa 1000 bis 1200F/538 bis 650°C, bevorzugter
etwa 1100F, in einer inerten Umgebung, z.B. Argon oder Vakuum, für mindestens
8 h erhitzt.
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Die
Teile werden unter Verwendung konventioneller Prüftechniken geprüft (Schritt 56 – 4), z.B.
durch Fluoreszenz-Eindringprüfung
(FPI – fluorescent
penetrant inspection), radiografisch, visuell, und nach dem Durchlaufen
der Prüfung
können
sie verwendet werden oder weiter bearbeitet/erneut bearbeitet werden,
falls erforderlich (Schritt 58 – 4).
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind Gegenstände,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden, durch eine stabile, feinkörnige Mikrostruktur
gekennzeichnet. Die jeweilige bevorzugte mittlere Korngröße und die
maximal zulässige Korngröße hängen von
der Anwendung und der Querschnittsdicke des Teils ab, z.B. ob der
Gegenstand gedacht ist zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine
gegenüber
einer anderen Anwendung, für
rotierende gegenüber
nicht-rotierenden Teilen, in Umgebungen niedrigerer Temperatur gegenüber Umgebungen
höherer
Temperatur arbeitend. Für Gasturbinenmaschinen-Bauteile
wie Kompressor-Laufschaufeln und -Leitschaufeln ist die mittlere Korngröße typischerweise
ASTM 0 oder kleiner, bevorzugter ASTM 3 oder kleiner, wenn auch
die spezielle Größe von dem
jeweiligen Teil abhängt.
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Die
Gegenstände,
wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, gemäß der vorliegenden Erfindung sind
durch ein Fehlen von Fließlinien
gekennzeichnet. Es sollte angemerkt werden, dass die Gegenstände nach
dem Gießen
thermomechanisch behandelt werden können, falls gewünscht. Mit
anderen Worten, die druckgegossenen Gegenstände können danach als Vorformen zur
Verwendung in einem Schmiedevorgang dienen. Um die Kosteneinsparungen,
die mit der vorliegenden Erfindung verbunden sind, zu maximieren,
bevorzugen wir, dass die druckgegossenen Gegenstände nahezu zu ihrer Nettoform gegossen
werden, um die Arbeit nach dem Gießen, die an den Gegenständen durchgeführt wird,
und die zugehörigen
Ausgaben zu minimieren.
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Zusätzlich können die
druckgegossenen Gegenstände
bearbeitet werden, um eine etwaige Rest-Gießporosität, die vorhanden sein mag,
zu erhitzen, wie durch isostatische Pressvorgänge wie heißisostatisches Pressen (HIP – hot isostatic
pressing). Eine sorgfältige
Auswahl der HIP-Parameter, wie Temperatur, Druck und Zeit, ist erforderlich,
um irgendeine Porosität
ohne Veränderung
der feinkörnigen,
(vorwiegend) inversen beta-Mikrostruktur auszuheilen. Die Temperatur
muss ausreichend hoch sein, um ein Schließen der Porosität unter
Druck zu ermöglichen,
z.B. ein Kriechen zu ermöglichen,
aber nicht so hoch, um ein Rekristallisieren des Materials zu ermöglichen,
z.B. unterhalb der beta-Transustemperatur der Titanlegierung.
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Im
Fall von Ti 6-4 sollte die HIP-Temperatur bevorzugt 1750°F/950°c nicht überschreiten,
und sie liegt bevorzugter zwischen etwa 1550 bis 1650°F/843 bis
900°C. Ti
6-4 kann auch nach dem HIPen bei etwa 1550°F/843°C in einer nicht-reaktiven Umgebung,
bevorzugt Argon oder Vakuum, für mindestens
2 h geglüht
werden. Im Falle von Ti 6-2-4-2 sollte die HIP-Temperatur 1850°F/1010°C nicht überschreiten,
und sie liegt bevorzugter zwischen 1650 bis 1750°F/900 bis 950°C. Ti 6-2-4-2 kann
bei etwa 1100°F/595°C in einer
nicht-reaktiven Umgebung, bevorzugt Argon oder Vakuum, für mindestens
8 h hitzebehandelt werden.
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Eine
zusätzliche
Bearbeitung nach dem Gießen
kann ebenfalls durchgeführt
werden, wie Formätzen
der Oberfläche,
um Oberflächen-Verunreinigungen
zu entfernen, eine Lösungsmittel-Behandlung
zur Verbesserung der Oberflächen-Beschaffenheit,
und zusätzliche
thermische Zyklen, um eine besondere Ausgewogenheit der mechanischen
Eigenschaften zu erreichen. Eine solche zusätzliche Bearbeitung variiert
in Abhängigkeit
von Faktoren wie der Legierungszusammensetzung und den gewünschten Eigenschaften.
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Aus
Ti 6-4 bestehende druckgegossene Gegenstände wurden gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt, wie unten genauer diskutiert wird. Die Gegenstände umfassten
Kompressor-Strömungsprofile
und Prüfstäbe, und
sie beinhalteten auch die obige Bearbeitung nach dem Gießen. Beispielhafte
Mikrostrukturen eines Prüfstabs
und eines Strömungsprofils
sind in den 5 und 6 veranschaulicht.
Die Mikrostruktur eines entsprechenden Strömungsprofils, das aus geschmiedetem
Ti 6-4 besteht, ist in 7 veranschaulicht. Ein Testen
der Gegenstände
bestätigte,
dass die Eigenschaften denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar
waren. Die jeweiligen erforderlichen Eigenschaften hängen zwar
von der Verwendung, der irgendein druckgegossener Gegenstand zugeführt wird,
ab, aber druckgegossene Gegenstände,
die anstelle von geschmiedeten Gegenständen verwendet werden sollen,
haben Eigenschaften, die denjenigen entsprechender geschmiedeter
Gegenstände
vergleichbar sind.
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Testergebnisse
der druckgegossenen Gegenstände
wurden mit Ergebnissen von Proben, die aus entsprechenden geschmiedeten
Gegenständen durch
spanabhebende Bearbeitung hergestellt wurden, verglichen, und die
Ergebnisse sind in den 8, 9 10 und 11 gezeigt.
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Eine
Titanlegierung, die für
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird, ist Ti-6Al-4V („Ti 6-4"), die im Allgemeinen
etwa 4 bis 8 w/o (Gew.-%) Al, 3 bis 5 w/o V, Rest im Wesentlichen
Titan und Spuren anderer Elemente, enthält.
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Für Anwendungen
bei höherer
Temperatur, wo verbesserte Kriecheigenschaften benötigt werden,
kann Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo („Ti
6-2-4-2") verwendet
werden, und sie enthält
im Allgemeinen etwa 5 bis 7 w/o Al, etwa 1,5 bis 2,5 w/o Sn (Zinn),
etwa 3,0 bis 5,0 w/o Zr, etwa 1,5 bis 2,5 w/o Mo, Rest im Wesentlichen
Titan und Spuren anderer Elemente.
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Zu
anderen Ti-Legierungen gehören
Ti 8-1-1 und Titan-Aluminide. Ti 8-1-1 enthält im Allgemeinen etwa 7,35
bis 8,35 w/o Al, 0,75 bis 1,25 w/o Mo und 0,75 bis 1,25 w/o V, Rest
im Wesentlichen Titan und Spuren anderer Elemente.
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Im
Allgemeinen bestehen Titan-Aluminide hauptsächlich aus Titan und Aluminium
in stöchiometrischen
Mengen, wobei sie Zusammensetzungen wie TiAl und TiAl3 haben.
Im Allgemeinen können druckgegossene
Titan-Aluminide bei einer Vielfalt von Anwendungen, wo geringe Dichte
und mäßige Festigkeit
erforderlich sind und die Anwendungstemperatur gemäßigt, in
dem Bereich von etwa 500 bis 1700°F/260
bis 925°C,
ist, Anwendung finden, und zu gegenwärtig ins Auge gefassten Anwendungen gehören Abdeckplatten
und Hitzeschilde.
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Im
Fall von Kompressor-Strömungsprofilen haben
druckgegossene Strömungsprofile
vergleichbare Festigkeits- und Stoßeigenschaften im Vergleich
zu denjenigen, die entsprechende geschmiedete Gegenstände aufweisen.
Zusätzlich
haben derartige Bauteile vergleichbare Haltbarkeitseigenschaften,
wie Ermüdungsfestigkeit
und insbesondere eine hohe Zyklus-Ermüdungstauglichkeit. Ermüdungstests
verglichen auch druckgegossene Ti 6-4-Teile und entsprechende geschmiedete
Teile, und wie in den 10 und 11 angegeben, zeigen die druckgegossenen
Gegenstände
Ermüdungslebensdauern, glatt
und gekerbt, die geschmiedeten Gegenständen vergleichbar sind. Wiederum
werden die obigen Werte in Abhängigkeit
von der jeweiligen Verwendung, der die Gegenstände zugeführt werden, variieren.
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Aus
Ti 6-2-4-2 bestehende druckgegossene Gegenstände wurden ebenfalls gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt, wie unten genauer diskutiert wird. Die Gegenstände umfassten
Kompressor-Laufschaufeln und -Leitschaufeln und Prüfstäbe, und
sie umfassten auch die obige Bearbeitung nach dem Gießen. Beispielhafte
Mikrostrukturen eines Prüfstabs
und eines Strömungsprofils
sind in den 12 und 13 veranschaulicht.
Die Mikrostruktur eines entsprechenden Strömungsprofils, das aus geschmiedetem
Ti 6-2-4-2 besteht, ist in 14 veranschaulicht.
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Wendet
man sich nun allgemein 15 zu, haben aus Ti 6-2-4-2
bestehende druckgegossene Gegenstände, die als Kompressor-Laufschaufeln und
-Leitschaufeln verwendet werden sollen, Festigkeitseigenschaften
und Stoßeigenschaften,
die denjenigen, die entsprechende geschmiedete Gegenstände aufweisen,
die für
diese Anwendung hergestellt wurden, vergleichbar sind. Zusätzlich haben derartige
Bauteile vergleichbare Haltbarkeitseigenschaften, wie Ermüdungsfestigkeit,
und insbesondere eine hohe Zyklus-Ermüdungstauglichkeit. Ermüdungsversuche
verglichen auch druckgegossene Ti 6-2-4-2-Teile und entsprechende
geschmiedete Teile, und sie zeigten, dass druckgegossene Gegenstände relativ
zu entsprechenden geschmiedeten Gegenständen ähnliche Eigenschaften aufweisen.
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Die
obigen Beispiele stützen
und veranschaulichen, dass Druckgießen verwendet werden kann,
um Gegenstände
aus einem breiten Bereich von Titanlegierungs-Zusammensetzungen herzustellen. Die
obigen Beispiele stützen
und veranschaulichen, dass Druckgießen verwendet werden kann,
um Gegenstände
herzustellen, die aus einem breiten Bereich von Titanlegierungs-Zusammensetzungen
bestehen. Zur weiteren Stützung
wurden auch Gegenstände
aus Ti 8-1-1 druckgegossen. Eine beispielhafte Mikrostruktur von
druckgegossenem Ti 8-1-1 ist in 13 veranschaulicht.
Es wird erwartet, dass Ermüdungsversuche,
die druckgegossene Ti 8-1-1-Teile und entsprechende geschmiedete
Teile vergleichen, zeigen, dass die druckgegossenen Gegenstände Eigenschaften
aufweisen, die denjenigen geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind.
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Aus
verschiedenen Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis bestehende
Gegenstände wurden
ebenfalls gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt.
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Eine
Superlegierung auf Nickelbasis ist Inconel 718 (IN 718), die breit
ausgedrückt,
in Gew.-%, aus etwa 0,01 bis 0,05 Kohlenstoff (C), bis zu etwa 0,4
Mangan (Mn), bis zu etwa 0,2 Silicium (Si), 13 bis 25 Chrom (Cr),
bis zu etwa 1,5 Kobalt (Co), 2,5 bis 3,5 Molybdän (Mo), 5,0 bis 5,75 (Columbium
(Cb) + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,2 Titan (Ti), 0,3 bis 0,9 Aluminium
(Al), bis zu etwa 21 Eisen (Fe), Rest im Wesentlichen Ni, besteht.
Andere Legierungen können
ebenfalls verwendet werden, wie IN 713 mit einer nominellen Zusammensetzung,
in Gew.-%, von bis zu etwa 0,025 Kohlenstoff (C), bis zu etwa 0,4
Mangan (Mn), bis zu etwa 0,4 Silicium (Si), 12 bis 16 Chrom (Cr),
3 bis 6 Molybdän
(Mo), 0,8 bis 3,5 (Columbium (Cb) + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,3 Titan
(Ti), 5,25 bis 6,75 Aluminium (Al), bis zu etwa 1 Eisen (Fe), Rest
im Wesentlichen Ni und Kobalt (Co).
-
Waspaloy
ist ein weiteres Material, das für derartige
Anwendungen brauchbar ist und ist beispielsweise offenbart in den
US-Patenten Nr. 4 574 015 und
Nr.
5 120 373 mit gleicher
Inhaberschaft, die durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen werden.
Waspaloy hat allgemein eine Zusammensetzung, in Gew.-%, von etwa 0,02
bis 0,15 Kohlenstoff (C), 12 bis 20 Chrom (Cr), 10 bis 20 Kobalt (Co),
2 bis 5,5 Molybdän
(Mo), 3 bis 7 Titan (Ti), 1,2 bis 3,5 Aluminium (Al), 0,01 bis 0,15
Zirconium (Zr), 0,002 bis 0,05 Bor (B), Rest im Wesentlichen Ni.
-
Eine
weitere Legierung ist B-1900, die eine nominelle Zusammensetzung,
in Gew.-%, von etwa 8 Cr, 10 Co, 6 Mo, 4 Ta, 6 Al, 1 Ti, 0,1 C,
0,015 B, und 0,1 Zr, hat. Siehe z.B. Sims and Hagel, The Superalloys,
(Wiley & Sons
1972), Seiten 596-7. Legierungen auf Kobaltbasis, wie MAR-M-509,
werden ebenfalls für
Anwendungen bei höherer
Temperatur verwendet. MAR-M-509 hat eine nominelle Zusammensetzung,
in Gew.-%, von etwa 23,5 Chrom (Cr), 10 Nickel (Ni), 7 Wolfram (W),
3,5 Tantal (Ta), 0,2 Titan (Ti), 0,5 Zirconium, Rest im Wesentlichen
Kobalt. Siehe z.B. Sims und Hagel.
-
IN
939 ist eine weitere Legierung auf Nickelbasis, die bis zu etwa
1500°F brauchbar
ist, und hat eine nominelle Zusammensetzung von etwa 22,5 Cr, 19
Co, 6 Mo, 2 Al, 3,7 Ti, 2 W, 3,3 (Cb + Ta), 0,15 C, 0,005 B, Rest
im Wesentlichen Nickel. IN 939 ist schwierig, wenn nicht unmöglich, zu
schmieden. Gatorized Waspaloy ist eine weiterentwickelte Waspaloy-Zusammensetzung,
die entwickelt wurde, um gegenüber
konventioneller Waspaloy eine verbesserte Festigkeit und Temperaturtauglichkeit
bereitzustellen. Siehe die
US-Patente
Nr. 4 574 015 und Nr.
5
120 373 . Sie hat eine allgemeine Zusammensetzung, in Gew.-%,
von Chrom 15,00 bis 17,00, Kobalt 12,00 bis 15,00, Molybdän 3,45 bis
4,85, Titan 4,45 bis 4,75, Aluminium 2,00 bis 2,40. Gator Waspaloy kann
auch kleine Mengen an anderen Elementen.
-
Als
ein Ergebnis unserer Arbeit mit diesen Legierungen glauben wir,
dass mehrere Bedingungen wichtig sind, um Gussteile guter Qualität herzustellen.
Das Schmelzen, Gießen
und Einspritzen von Material muss, insbesondere für reaktive
Materialien wie Titanlegierungen, in einer nicht-reaktiven Umgebung
durchgeführt
werden, und wir bevorzugen, diese Vorgänge in einer Vakuum-Umgebung,
die bei einem Druck von bevorzugt weniger als 100 μm, und bevorzugter
weniger als 50 μm,
gehalten wird, durchzuführen.
Der Betrag der Überhitzung
sollte ausreichend sein, um sicherzustellen, dass das Material von
der Zeit, zu der es gegossen wird, bis es eingespritzt wird, im
Wesentlichen und vollständig
geschmolzen bleibt, aber auch, um ein schnelles Abkühlen und
die Bildung kleiner Körner
zu ermöglichen,
sobald es eingespritzt ist. Wegen der relativ geringen Überhitzung
müssen
die Überführung und
das Einspritzen des geschmolzenen Metalls schnell genug sein, um
vor dem Festwerden des Metalls zu geschehen. Die sich ergebende
Mikrostruktur wie die Korngröße scheint
der Abschnittsdicke des Teils, das gegossen wird, sowie den verwendeten
Gießform-Materialien
und der verwende ten Überhitzung zu
entsprechen, d.h. dünnere
Abschnitte neigen dazu, kleinere Körner zu enthalten, und dickere
Abschnitte (insbesondere Innenbereiche dickerer Abschnitte) neigen
dazu, größere Körner zu
enthalten. Gießform-Materialien
mit höherer
Wärmeleitfähigkeit führen zu
Gegenständen
mit kleineren Körnern,
wie es die Verwendung geringerer Überhitzungen tut. Wir glauben,
dass sich dies aus den relativen Kühlgeschwindigkeiten ergibt.
Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben bewegt wird, und dementsprechend
die Geschwindigkeit, mit der Material in die Form eingespritzt wird,
scheint die Oberflächen-Beschaffenheit der
Gegenstände,
wie gegossen, zu beeinflussen, obwohl die Konstruktion des Einlaufsystems
sowie das Gießform-Material
in Kombination mit der Einspritzgeschwindigkeit ebenfalls eine Rolle
spielen können.
-
Druckgießen von
Materialien mit hoher Schmelztemperatur stellt gegenüber dem
Schmieden andere signifikante Vorteile bereit. Vom Standpunkt der
erforderlichen Ausrüstung
her erfordert das Schmieden die Herstellung mehrerer Formen, um
ein neues Teil herzustellen, mit signifikanten Kosten. Im Gegensatz
dazu ist pro Teil nur ein einziger Gießform-Satz erforderlich, mit
relativ zum Schmieden signifikant verringerten Ausgaben. Die Zeit,
die zur Herstellung eines Teils, vom Ingot bis zum fertiggestellten
Teil, erforderlich ist, wird signifikant verringert, da es keine
Notwendigkeit gibt, speziell zugeschnittene Materialbarren herzustellen,
und da das Gießen allgemein
in einem einzigen Schritt durchgeführt wird, im Gegensatz zu mehreren
Schmiedevorgängen.
Beim Druckgießen
können
mehrere Teile bei einem einzigen Gießen hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die
Herstellung von Teilen mit komplexeren dreidimensionalen Formen,
wodurch es ermöglicht,
dass neue Software-Designtechnologie auf Gebieten wie Gasturbinenmaschinen
angewendet und ausgenutzt wird, und die Herstellung effizienterer Strömungsprofile
und anderer Bauteile ermöglicht. Wir
glauben, dass das Druckgießen
die Herstellung von Gegenständen
mit komplexeren Formen ermöglichen
wird, wobei Materialien verwendet werden, die schwierig oder unmöglich zu
jenen Formen geschmiedet werden können. Darüber hinaus können druckgegossene
Teile mit einer Form näher
an ihrer fertiggestellten Form hergestellt werden, und mit einer
hervorragenden Oberflächen-Beschaffenheit, was
Nachbearbeitungsvorgänge
nach der Herstellung minimiert, was alles ebenfalls die Kosten der Herstellung
derartiger Teile verringert.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zwar oben recht genau beschrieben, aber
es können
zahlreiche Variationen und Ersetzungen durchgeführt werden, ohne vom Umfang
der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen. Dementsprechend
versteht es sich, dass die Erfindung veranschaulichend, und nicht
beschränkend, beschrieben
wurde.