Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch gerichtete oder einkristalline Erstarrung

Abstract

 Das Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch gerichtete oder einkristalline Erstarrung wird in Vakuumgiessanlagen (100) durchgeführt, die neben einer gebräuchlichen Kühlplatte (50) keine speziellen Einrichtungen, insbesondere keine Zusatzheizungen für die Gussform (10), aufweisen. Der für die Lenkung der Erstarrungsfront benötigte unidirektionale Wärmestrom wird einerseits mittels Wärmequellen, die teilweise aus überhitzter Schmelze gebildet werden, erzeugt und andererseits mittels Wärmesenken, die aus der Kühlplatte (50) sowie der Umgebung der Gussform (10) bestehen. Erfindungsgemäss wird die Gussform in einem separaten Aufheizofen (40) auf eine Temperatur, die grösser als die Liquidustemperatur der Schmelze ist, erhitzt, mit dem Zweck, dass die Gussform zusätzlich zur Schmelze einen Beitrag zur Wärmequelle leistet. Das Verfahren eignet sich besonders für kleinere Bauteile, deren Ausmasse in Richtung des unidirektionalen Wärmestroms kleiner als rund 15 cm sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken gemäss Oberbegriff von Anspruch 1, Gussformen zum Durchführen des Verfahrens sowie nach dem Verfahren hergestellte Gussstücke.

[0002] Zum Herstellen von gegossenen Bauteilen, die - wie beispielsweise Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken - bei hohen Temperaturen mechanisch stark beansprucht werden, eignen sich verschiedene bekannte Nickelbasislegierungen, für die beim Giessen eine gerichtete Erstarrung möglich ist. Beim Erstarren der Schmelze einer solchen Legierung bilden sich dendritische Kristalle aus. Werden keine besondern Massnahmen ergriffen, so entstehen beim Abkühlen der gegossenen Schmelze im allgemeinen an verschiedenen Stellen Kristallkeime, die zu einem polykristallinen Erstarren führen. Durch spezielle Anordnung von Wärmesenken und Wärmequellen sowie durch ein kontrolliertes Auslösen der Kristallisation lässt sich eine Erstarrungsfront ausbilden, deren Ausbreitung durch einen sogenannten "unidirektionalen" Wärmestrom lenkbar ist. Bei diesem gerichteten Erstarren bilden sich stengelförmige Kristalle aus; mittels einer besonderen Startphase der Erstarrung (beispielsweise mittels eines "Selektors") wird es auch möglich, das gegossene Bauteil in Form eines Einkristalls wachsen zu lassen.

[0003] Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch gerichtete oder einkristalline Erstarrung bekannt. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass eine Gussform aus keramischem Material verwendet wird, die oben und unten offen ist: oben zum Eingiessen der Schmelze, unten zum Aufsetzen auf eine Kühlplatte, mit der die Schmelze in direkten Kontakt kommt. Müssen relativ grosse Bauteile hergestellt werden, so ist man dazu gezwungen, eine teure Spezialausführung einer Vakuumgiessanlage zu verwenden. Bei einer solchen speziellen Giessanlage wird mit einer Zusatzheizung als Wärmequelle zusammen mit der Kühlplatte als Wärmesenke der unidirektionale Wärmestrom erzeugt und aufrechterhalten. Mittels einer Absenkvorrichtung für die Kühlplatte und die Gussform kann die Erstarrungsfront von unten nach oben durch das Bauteil geführt werden. Die Relativbewegung zwischen Gussform und Zusatzheizung kann auch durch Verschieben der Heizelemente erreicht werden. Mit solchen Verfahren lassen sich der Temperaturgradient G im Bereich der Erstarrungsfront und die Geschwindigkeit v, mit der die dendritischen Kristalle wachsen, gut steuern. Die Dendritenstruktur, insbesondere der Abstand zwischen benachbarten Dendriten, hängt von diesen Grössen G und v ab.

[0004] Bei anderen Verfahren, die in einfachen, für verschiedene Anwendungszwecke vorgesehenen Vakuumgiessanlagen durchführbar sind, werden die Wärmequellen nicht mehr durch Heizelemente erzeugt, sondern mittels überhitzter Schmelze und mittels besonderer Formgebung der Gussform durch Hinzunahme zusätzlicher Hohlräume. Diese mit überhitzter Schmelze gefüllten Hohlräumen haben die Funktion von Wärmereservoiren. Neben dem Vorteil, hinsichtlich der Giessanlage kostengünstiger zu sein, weisen diese "Verfahren mit in der Formschale integrierten Wärmereservoiren" den Nachteil auf, einen grössern Bedarf an Legierung zu haben. Überdies muss muss man sich, um die Steuerung des Temperaturgradienten G und der Erstarrungsgeschwindigkeit v möglich zu machen, mit einem eingeschränkten Anwendungsbereich begnügen. Diese Parametersteuerung ist nur mit Erfolg hinsichtlich der angestrebten Dendritenstruktur durchführbar, wenn die Bauteile nicht zu gross sind, nämlich nicht mehr als rund 15 cm in ihrer Längserstreckung. Hingegen ein weiterer und wichtiger Vorteil der zweiten Verfahrensart ist, dass die Belegungsdauer der Vakuumgiessanlage für einen Guss rund fünfmal kürzer ist.

[0005] Aus der CH-PS-641985 ist ein Verfahren der zweiten oben genannten Art bekannt, bei welchem das in die Formschale integrierte Wärmereservoir durch den Giesstrichter gebildet wird. Bei diesem Verfahren wird die Gussform mit einer Hülle aus wärmedämmendem Material ummantelt, wobei mit dieser isolierenden Hülle angestrebt wird, dass sich ein linearer Wärmestrom in vertikaler Richtung ausbildet, damit sich die Erstarrungsfront parallel zur Kühlplatte ausgerichtet nach oben bewegt. Als wesentliches kennzeichnendes Merkmal der CH-PS-641985 wird angegeben, dass die Vorerhitzung der Gussform auf eine Temperatur über der Liquidustemperatur, die zwischen 1300 und 1400 Grad Celsius liegt, zur Durchführung der gerichteten Erstarrung nicht nötig ist; denn das abschliessende Aufheizen nach einer Vorerhitzung auf rund 1200 Grad Celsius lässt sich mittels überhitzter Schmelze durchführen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass zusätzliche Schmelze für die Formerhitzung zur Verfügung gestellt werden muss.

[0006] Das Verfahren mit in der Formschale integrierten Wärmequelle ist weiterentwickelt worden: Statt der eindimensionalen Ausrichtung des Wärmestroms, die zu einem linearen Erstarrungsverlauf führt, wird durch spezielle Formgebung und Anordnung der Hohlräume für die Wärmereservoire ein Wärmestrom erzeugt, der einen mehrdimensionalen Verlauf der Erstarrung ermöglicht.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist, das Verfahren mit in der Formschale integrierten Wärmequelle so weiterzuentwikkeln, dass die Menge an Schmelze, die für die Wärmereservoire benötigt wird, reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

[0008] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 den Aufbau einer Gussform mit vier gleichen Bauteilen, die in Form einer "Traube" angeordnet sind,

Fig.2 eine vereinfachte Darstellung eines Längsschnittes durch einen "Selektor",

Fig.3a,b zwei Beispiele für den Verlauf der Erstarrungsfront und

Fig.4 Teil einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

[0009] Die perspektivische Darstellung in Fig.1 zeigt die eine Hälfte der Gussform 10 mit Formschale 11 und isolierender Hülle 12. Von der andern Hälfte sind die Hohlräume der Formschale in Form des Wachsmodells dargestellt, das zur Herstellung der Formschale dient. Es sind folgende Hohlräume, in körperlicher Darstellung, zu sehen: die Teilgiessform 1 für ein einzelnes Bauteil, das stark vereinfacht als Quader dargestellt ist; Hohlräume 2a und 2b für die durch überhitzte Schmelze gebildeten Wärmereservoire; der Starter 3 mit der scheibenförmigen Basiszone 3a und dem helixförmigen Selektor 3b; der Hohlraum 5, der beim Giessen von der Kühlplatte eingenommen wird; das Volumen 6 des Mittelstamms, das nach dem Ausschmelzen des Wachses mit keramischem Material verschlossen wird; und schliesslich der Giesstrichter 7.

[0010] Die Formschale 11 weist am Umfang des Hohlraums 5 einen Ring 15 auf, der auf der Innenseite durch entsprechende Formgebung des Wachsmodells mit nicht dargestellten Nuten versehen wird, mittels derer die Gussform 10 bajonettverschlussartig auf der Kühlplatte befestigt werden kann. Die isolierende Hülle 12 lässt sich aus Keramikfasermatten zusammensetzen. Der Zwischenraum 13 zwischen Formschale 11 und Hülle 12 wird vorzugsweise mit wärmedämmendem Material, beispielsweise einer Keramikwatte, gefüllt.

[0011] In Fig.2 ist ein Längsschnitt durch den Starter 3 kurz nach dem Einsetzen der Erstarrung der Schmelze 200 gezeigt, wobei der Schnitt bezüglich der zentralsymmetrischen Gussform 10 radial orientiert ist und das Zentrum auf der rechten Seite liegt. Der Übersichtlichkeit halber ist der Selektor 3b schematisch als schlangenförmiges Gebilde dargestellt. Bei der Formschale 11 ist ein geschichteter Aufbau angedeutet, wobei in Wirklichkeit rund zehn dünne statt der dargestellten drei dicken Schichten vorliegen. Die Erstarrungsfront 205 befindet sich im Eingangsbereich der Teilgiessform 1. In der Basiszone 3a ist die erstarrte Legierung polykristallin; sie geht in eine gerichtet kristalline Phase über, die sich in den Mündungsbereich des Selektors 3b erstreckt. Ein Auftreten von Stengelkristallen, wie in Fig.2 angedeutet, ist als Idealisierung der Wirklichkeit anzusehen ist. Dank der Verengung des Querschnitts im Selektor 3b und wegen dessen gewundenen Form ist es nur für einen einzigen der in der Basiszone 3a gebildeten Kristalle möglich, den Selektor zu durchwachsen und auf diese Weise als Keim der Einkristallphase 210 zu wirken.

[0012] Durch die Pfeile in Fig.2 ist der Wärmefluss angedeutet. Die bei der Erstarrung frei werdende latente Wärme und die Wärme aus der überhitzten Schmelze muss an der Erstarrungsfront 205 nach unten zur Kühlplatte 50 abgeführt werden: Pfeile 301. Ein Teil der Wärme wird an die Umgebung der Gussform 10 abgegeben: Pfeile 304. Der Wärmestrom 304 an die Umgebung ist, wie dargestellt, bei einem Traubenaufbau der Gussform 10 einseitig gerichtet. An die Kühlplatte wird die Wärme einerseits über die Basiszone 3a (Pfeile 302) und andererseits über die Formschale 11 (Pfeile 303) abgeführt.

[0013] Da beim Erstarren und dem anschliessenden Abkühlen eine Kontraktion des gegossenen Materials erfolgt, entsteht zwischen der Oberfläche der Kühlplatte 50 und dem Gusskörper ein Spalt 56, der zu einer Beeinträchtigung des Wärmeabflusses 302 führt. Um die über den Starter 3 abgegebene Wärmemenge trotz des Spalts 56 auch bei kleinem Temperaturgefälle gross erhalten zu können, wählt man für die Basiszone 3a einen Durchmesser, der wesentlich grösser als der Durchmesser des Selektors 3b ist. Die Höhe der Basiszone 3a wählt man klein, damit die zur Höhe proportionale Spaltbreite auch klein ausfällt.

[0014] Wegen der einseitigen Wärmeabführung 304 an die Umgebung verläuft die Erstarrungsfront 205 nicht parallel zur Kühlplatte; sie ist geneigt. Die Neigung der Erstarrungsfront 205 muss bei der Ausrichtung der Teilgiessform 1 in der Traube berücksichtigt werden. Es ist darauf zu achten, dass - siehe Fig.3b - nicht Inselbereiche 201 entstehen, bei denen die Erstarrungsfront 205 ein Nachfliessen von Schmelze unterbinden. Beim Erstarren eines solchen Inselbereichs 201 entsteht wegen der Kontraktion bei der Phasenumwandlung eine erhöhte Mikroporosität, was eine lokale Schwächung des Gussstücks bedeutet. Durch Verwendung von Speisern lässt sich das Entstehen von Inselbereichen verhindern. Dies lässt sich aber unter Umständen viel einfacher durch eine andere Orientierung der Teilgiessform 1 erreichen, wie es in Fig.3a illustriert ist.

[0015] Die Neigung der Erstarrungsfront 205 oder allgemeiner ihre Form, die nicht eben zu sein braucht, kann durch besondere Formgebung und Anordnung der Hohlräume 2a und 2b oder vielmehr der durch sie resultierenden Wärmereservoire gezielt beeinflusst werden, um so dem Entstehen von Inselbereichen 201 zu begegnen. Die Erzeugung der Wärmereservoiren bedeutet einen Mehrbedarf an Legierung, was ziemlich kostspielig sein kann. Zur Einsparung an Schmelze wird die Gussform 10 erfindungsgemäss in einem Ofen auf eine Temperatur aufgeheizt, die wesentlich höher als die Liquidustemperatur liegt. Dadurch erhält zusätzlich auch die Gussform 10 die Eigenschaft einer Wärmequelle. Die Bedeutung als zusätzliche Wärmequelle lässt sich steigern, indem man beispielsweise anstelle des Hohlraums 2b in die Formschale 11 einen Keramikkörper mit hoher Wärmekapazität integriert. Die in diesem Keramikkörper gespeicherte Wärme, die im Aufheizofen zugeführt wird, erlaubt offensichtlich eine entsprechende Einsparung an Schmelze.

[0016] Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens werden nun anhand der schematischen Darstellung der Fig.4 näher erläutert. Die Herstellung der isolierten Gussform 10 wird nach bekannten Verfahrensschritten durchgeführt und muss hier nicht beschrieben werden. Unmittelbar vor dem Giessen wird die Gussform 10 erfindungsgemäss in einem separaten Aufheizofen 40 auf rund 1500 Grad Celsius erhitzt. In der Vakuumgiessanlage 100 wird die Legierung mit einem Induktionsofen 30 und in einem Tiegel 20 aufgeschmolzen und rund 200 bis 350 K -je nach Legierung und Form des Bauteils - über die Liquidustemperatur erhitzt. Mittels einem Bewegungsautomaten 60 auf einer Schiene 62 und einer Greifvorrichtung 65 wird die erhitzte Gussform 10 aus dem Ofen 40 in die Schleuse 120 der Giessanlage 100 transportiert.

[0017] In der Schleuse 120 mit den Schleusentoren 125 und 126 befindet sich die Kühlplatte 50 (nicht dargestellt). Die Greifvorrichtung 65 muss in der Lage sein, beim Aufsetzen der Gussform 10 auf die Kühlplatte 50 eine Drehbewegung auszuführen, durch die klauenartige Vorsprünge am Rand der kreisförmigen Kühlplatte bajonettverschlussartig in Eingriff mit den Nuten gelangen, die sich im oben erwähnten Ring 15 der Gussform 10 befinden.

[0018] Nach dem Evakuieren der Schleuse 120 wird die Kühlplatte 50 mit der auf ihr befestigten Gussform 10 in die Giesskammer 130 verschoben. Die Kühlung erfolgt vorzugsweise mittels Wasser, für das die Anschlüsse 51 und 52 vorgesehen sind. Mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung kann nun die überhitzte Schmelze aus dem Schmelztiegel 20 in den Giesstrichter 7 gegossen werden. Die Schmelze füllt die Formschale und tritt in den Startern mit der Kühlplatte 50 in Kontakt, wobei sich durch die schockartige Abkühlung spontan Kristallkeime an der Grenzfläche und darauf die schon erwähnte polykristalline Phase in den Basiszonen bilden.

[0019] Das separate Aufheizen der Gussform 10 wird mit Vorteil in zwei Stufen durchgeführt: In einem ersten Ofen wird auf eine Temperatur zwischen rund 1000 und 1200 Grad Celsius vorerhitzt und in einem zweiten Ofen 40 wird die weitere Aufheizung auf rund 1500 Grad vorgenommen. Die Verweilzeiten dauern in beiden öfen je rund eine Stunde. Für den Ofen 40 kann ein Keramikbrandofen verwendet werden, der den Zwecken des Verfahrens angepasst worden ist. Geheizt kann beispielsweise mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen 45, insbesondere Propan, werden. Selbstverständlich kann das Heizen auch mittels Elektroöfen, insbesondere bei der ersten Stufe, durchgeführt werden.

[0020] Damit die Wärmeverluste während des Transports der Gussform 10 in die Vakuumgiessanlage 100 tolerierbar bleiben, muss die Handhabung durch den Bewegungsautomaten 60 und das Einschleusen innert maximal zwei Minuten durchgeführt sein. Es ist nicht nötig, dass die Gussform 10 gleich heiss ist wie die überhitzte Schmelze. Es genügt, wenn zu Beginn des Giessens die Temperaturdifferenz zwischen Schmelze und Gussform die Grössenordnung von rund 50 K aufweist, wobei selbstverständlich die Temperatur der Formschale 11 grösser als die Liquidustemperatur sein soll.

[0021] Da das Aufheizen der Gussform 10 separat und nicht in der Vakuumgiessanlage wie bei den Verfahren mit Zusatzheizungen erfolgt, sind die Taktzeiten wesentlich kürzer: Sie liegen bei 10 bis 30 Minuten gegenüber 60 bis 150 Minuten bei den anderen Verfahren.

[0022] Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von Gussstücken durch einkristalline Erstarrung. Die Herstellung von gerichtet erstarrter Gussstücke kann nach dem gleichen Verfahren durchgeführt werden; der Unterschied liegt einzig darin, dass in der Gussform die Selektoren 3b fehlen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch gerichtete oder einkristalline Erstarrung in einer Vakuumgiessanlage, wobei mittels Wärmequellen, die teilweise aus überhitzter Schmelze gebildet werden, und mittels Wärmesenken, die aus mindestens einer Kühlplatte sowie der Umgebung der Gussform bestehen, ein kontrollierter Wärmestrom zur Lenkung der Erstarrungsfront erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Schmelze das Material der Gussform zur Wärmequelle beiträgt, indem die Gussform vor dem Giessen auf eine Temperatur, die mindestens 50 K höher als die Liquidustemperatur der Schmelze ist, erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform vor dem Einschleusen in die Giesskammer in mindestens einem separaten Aufheizofen erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen in einem Gasofen mit Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan, ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform in einem ersten Ofen auf eine Temperatur zwischen rund 1000 und 1200 Grad Celsius vorerhitzt wird und dass in einem zweiten Ofen das weitere Aufheizen auf rund 1500 Grad vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe des Aufheizens in einem modifizierten Keramikbrandofen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform beim Einschleusen in die Giessanlage auf eine Kühlplatte aufgesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Greifvorrichtung und einem Bewegungsautomaten die Gussform in die Giessanlage eingeschleust wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform auf eine Temperatur gebracht wird, die tiefer als die Temperatur der überhitzten Schmelze ist.

9. Gussform (10) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel, die ein bajonettverschlussartiges Verbinden mit einer Kühlplatte (50) ermöglichen.

10. Gussform (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Körper (2b) mit hoher Wärmekapazität, die in die Formschale (11) integriert sind.

11. Gussstück, hergestellt aus einer Nickelbasislegierung nach einem der Verfahren 1 bis 8.

12. Gussstück nach Anspruch 11 zur Verwendung als Turbinenschaufel von Flugzeugtriebwerken.

Zeichnung