Mit Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers können kompliziert ausgebildete und hohen thermischen und mechanischen Belastungen aussetzbare Bauteile, wie etwa Leit- oder Laufschaufeln von Gasturbinen, hergestellt werden. Je nach den Verfahrensbedingungen kann hierbei der gerichtet erstarrte Giesskörper als Einkristall ausgebildet oder von in einer Vorzugsrichtung ausgerichteten Stengelkristallen gebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist es, dass die gerichtete Erstarrung unter Bedingungen stattfindet, bei denen zwischen einem gekühlten Teil einer geschmolzenes Ausgangsmaterial aufnehmenden Giessform und dem noch geschmolzenen Ausgangsmaterial ein starker Wärmeaustausch stattfindet. Es kann sich dann eine Zone gerichtet erstarrten Materials mit einer Erstarrungsfront ausbilden, welche bei dauerndem Entzug von Wärme unter Bildung des direkt erstarrten Giesskörpers durch die Giessform wandert.

Die Herstellung eines fehlerfreien Giesskörpers hängt wesentlich von der Grösse des Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront und der Verfestigungsgeschwindigkeit ab. Mit geringem Temperaturgradienten und hoher Verfestigungsgeschwindigkeit kann kein gerichtet erstarrter Giesskörper hergestellt werden. Hingegen kann mit einem grossen Temperaturgradienten und mit geringer Verfestigungsgeschwindigkeit zwar ein gerichtet erstarrter Giesskörper hergestellt werden, jedoch weist ein solcher Giesskörper unerwünschte Fehlstellen auf, wie insbesondere in Ketten angeordnete und gleichachsig ausgerichtete Körner (freckles).

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers und von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wie es beispielsweise in US-A-3,532,155 beschrieben ist. Das beschriebene Verfahren dient der Herstellung der Lauf- und Leitschaufeln von Gasturbinen und verwendet einen evakuierbaren Ofen. Dieser Ofen weist zwei durch eine wassergekühlte Wand voneinander getrennte und übereinander angeordnete Kammern auf, von denen die obere Kammer heizbar ausgebildet ist und einen schwenkbaren Schmelztiegel zur Aufnahme von zu vergiessendem Material, beispielsweise eine Nickel-Basislegierung, aufweist. Die mit dieser Heizkammer durch eine Öffnung in der wassergekühlten Wand verbundene untere Kammer ist kühlbar ausgebildet und weist wasserdurchströmte Wände auf. Eine durch den Boden dieser Kühlkammer und die Öffnung in der wassergekühlten Wand geführte Antriebsstange trägt eine wasserdurchströmte Kühlplatte, welche den Boden einer in der Heizkammer befindlichen Giessform bildet.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird zunächst die im Schmelztiegel verflüssigte Legierung in die in der Heizkammer befindliche Giessform gegossen. Hierbei bildet sich oberhalb der den Formboden bildenden Kühlplatte eine schmale Zone aus gerichtet erstarrter Legierung. Bei einer in die Kühlkammer gerichteten Abwärtsbewegung der Giessform wird diese Form durch die in der wassergekühlten Wand vorgesehene Öffnung geführt. Eine die Zone aus gerichtet erstarrter Legierung begrenzende Erstarrungsfront wandert unter Bildung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers von unten nach oben durch die gesamte Giessform.

Zu Beginn des Erstarrungsprozesses werden ein grosser Temperaturgradient und eine hohe Verfestigungsgeschwindigkeit erreicht, da das in die Form gegossene Material zunächst unmittelbar auf die Kühlplatte auftrifft und die der Schmelze zu entziehende Wärme von der Erstarrungsfront durch eine vergleichsweise dünne Schicht erstarrten Materials mit einer Wärmeübergangszahl α_cm zur Kühlplatte geleitet wird. Weist das Material eine relativ geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit auf, so wird mit wachsendem Abstand zwischen Kühlplatte und Erstarrungsfront in zunehmendem Masse Wärme durch die Wände der Giessform mit einer Wärmeübergangszahl α_cmd abgeleitet als auch von der Formoberfläche mit einer Wärmeübergangszahl α_r in die kühlere Umgebung abgestrahlt. Gemäss dem Newtonschen Wärmeübergangsgesetz bestimmt sich dann die dem Giesskörper entzogene Wärme q wie folgt:$${\text{q = α(T - T}}_{\text{o}}\text{),}$$ wobei T die mittlere Temperatur des Giesskörpers und T_o die Umgebungstemperatur, wie sie etwa durch die wassergekühtten Wände der Kühlkammer bestimmt ist, bedeuten, und wobei 1/α = 1/α_cm + 1/α_cmd + 1/α_r.

Für eine grosse Gasturbinenschaufel aus einer Nickel-Basissuperlegierung ergeben sich typischerweise folgende Werte der Wärmeübergangszahlen:$${\text{α}}_{\text{cm}}{\text{= lambda}}_{\text{m}}{\text{/δ}}_{\text{m}}{\text{= 816 J/m}}^{\text{2}}\text{sK,}$$$${\text{α}}_{\text{cmd}}{\text{= lambda}}_{\text{md}}{\text{/δ}}_{\text{md}}{\text{= 200 J/m}}^{\text{2}}\text{sK,}$$ wobei lambda_m bzw. lambda_md die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Legierung bzw. der keramischen Giessform und δ_m bzw. δ_md die Dicke der bereits erstarrten Metallschicht (angenommen als 30 mm) zwischen dem unter der wassergekühlten Wand gelegenen Teil der Formwand und der Erstarrungsfront bzw. die Dicke der Formwand (angenommen als 10 mm) bedeuten, und α_r= σ(ε₁T₁⁴- ε₂T₀⁴)/(T₁ - T₀) = 130 J/m²sK, wobei a die Stefan-Boltzmann-Konstante, ε₁, T₁ bzw. ε₂, T₀ die Emissionsfähigkeit und Temperatur der Giessformoberfläche bzw. die Absorptionsfähigkeit und Temperatur der Umgebung bedeuten (ε₁ = ε₂ = 0,5; T₁ = 1500K; T₀ = 400K).
Hieraus ergibt sich α= 72 J/m²sK.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers ist aus US-A-3,763,926 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine mit einer aufgeschmolzenen Legierung gefüllte Giessform allmählich und kontinuierlich in ein auf ca.260°C aufgeheiztes Zinnbad eingetaucht. Hierdurch wird eine besonders rasche Abfuhr von Wärme aus der Giessform erreicht. Der mit diesem Verfahren gebildete, gerichtet erstarrte Giesskörper zeichnet sich durch eine Mikrostruktur mit geringen Inhomogenitäten aus. Bei der Herstellung von vergleichbar ausgebildeten Gasturbinenschaufeln können mit diesem Verfahren nahezu doppelt so grosse α-Werte erreicht werden wie mit dem Verfahren nach US-A-3,532,155. Zur Vermeidung unerwünschter gasbildender Reaktionen, die die bei der Durchführung dieses Verfahrens eingesetzte Vorrichtung beschädigen können, benötigt dieses Verfahren jedoch eine besonders genaue Temperaturregelung. Zudem ist die Wandstärke der Giessform grösser als beim Verfahren nach der US-A-3,532,155 zu wählen.

Auch aus der japanischen Anmeldung JP 53-57127 ist ein Verfahren zur Herstellung von gerichtet erstarrten Gusskörpem bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Gussform von einer Heizkammer nach unten geführt und mit einem Kühlring, welcher mit einem inerten Gas betrieben wird, gekühlt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist allerdings, dass nicht die Gussform selbst, sondern lediglich das Gehäuse, welches um die Giessform angeordnet ist, gekühlt wird, was zu einem wesentlich niedrigeren Temperaturgradienten in der Erstarrungsfront führt. Zudem ist kein Baffle zwischen Heiz- und Kühlelement vorhanden, was sich ebenfalls negativ auf den Temperaturgradienten in der Erstarrungsfront und damit auf das Kornwachstum auswirkt.

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem in einfacher Weise gerichtet erstarrte Giesskörper mit einer geringen Anzahl an Fehlstellen hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Hierbei zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers.

Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung weist eine über ein Vakuumsystem 1 evakuierbareVakuumkammer 2 auf. Die Vakuumkammer 2 nimmt zwei durch ein Baffle (Strahlungsschild) 3 voneinander getrennte, übereinander angeordnete Kammern 4, 5 und einen schwenkbaren Schmelztiegel 6 zur Aufnahme einer Legierung, beispielsweise einer Nickel-Basissuperlegierung, auf. Die obere 4 der beiden Kammern ist heizbar ausgebildet. Die mit der Heizkammer 4 durch eine Öffnung 7 im Baffle 3 verbundene untere Kammer 5 enthält eine Vorrichtung zum Erzeugen und Führen einer Gasströmung. Diese Vorrichtung enthält einen Hohlraum mit Öffnungen bzw. Düsen 8, welche nach innen auf eine Giessform 12 weisen sowie ein System zum Erzeugen von Gasströmen 9. Die aus den Öffnungen bzw. Düsen 8 tretenden Gasströme sind überwiegend zentripetal geführt. Eine beispielsweise durch den Boden der Kühlkammer 5 geführte Antriebsstange 10 trägt eine gegebenenfalls wasserdurchströmte Kühlplatte 11, welche den Boden einer Giessform 12 bildet.

Diese Giessform kann durch einen auf die Antriebsstange 10 wirkenden Antrieb von der Heizkammer 4 durch die Öffnung 7 in die Kühlkammer 5 geführt werden.

Die Giessform 12 weist oberhalb der Kühlplatte 11 ein dünnwandiges, beispielsweise 10 mm dickes, Teil 13 aus Keramik auf, welches die Bildung von Kristallen fördernde Keime und/oder einen Helixstarter aufnehmen kann. Durch Abheben von der Kühlplatte 11 bzw. durch Aufsetzen auf die Kühlplatte 11 kann die Giessform 12 geöffnet bzw. geschlossen werden. An ihrem oberen Ende ist die Giessform 12 offen und kann über eine in die Heizkammer 4 geführte Füllvorrichtung 14 mit aufgeschmolzener Legierung 15 aus dem Schmelztiegel 6 gefüllt werden. Die Giessform 12 in der Heizkammer 4 umgebende elektrische Heizelemente 16 halten den im heizkammerseitigen Teil der Giessform 12 befindlichen Legierungsteil oberhalb ihrer Liquidustemperatur.

Die Kühlkammer ist mit dem Eingang eines Vakuumsystems 17 zum Entfernen des einströmenden Gases aus der Vakuumkammer 2 und zum Kühlen und Reinigen des entfernten Gases verbunden.

Zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers wird zunächst die Giessform 12 durch eine Aufwärtsbewegung der Antriebsstange 10 in die Heizkammer 4 gebracht (in der Figur gestrichelt angedeutet). Im Schmelztiegel 6 verflüssigte Legierung wird sodann über die Füllvorrichtung 14 in die Giessform 12 gegossen. Hierbei bildet sich oberhalb der den Formboden bildenden Kühlplatte 11 eine schmale Zone aus gerichtet erstarrter Legierung (in der Figur nicht dargestellt).

Bei einer in die Kühlkammer 5 gerichteten Abwärtsbewegung der Giessform 12 wird das Keramikteil 13 der Giessform 12 sukzessive durch die im Baffle 3 vorgesehene Öffnung 7 geführt. Eine die Zone aus gerichtet erstarrter Legierung begrenzende Erstarrungsfront 19 wandert unter Bildung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers 20 von unten nach oben durch die gesamte Giessform (Figur).

Zu Beginn des Erstarrungsprozesses werden ein grosser Temperaturgradient und eine hohe Verfestigungsgeschwindigkeit erreicht, da das in die Form gegossene Material zunächst unmittelbar auf die Kühlplatte auftrifft und die der Schmelze zu entziehende Wärme von der Erstarrungsfront durch eine vergleichsweise dünne Schicht erstarrten Materials zur Kühlplatte 11 geführt wird. Wenn der von der Kühlplatte 11 gebildete Boden der Giessform 12, gemessen von der Unterseite des Baffle 3, einige Millimeter, beispielsweise 5 bis 40 mm, in die Kühlkammer 5 eingedrungen ist, wird aus den Öffnungen bzw. Düsen 8 inertes, mit dem erhitzten Material nicht reagierendes Druckgas, beispielsweise ein Edelgas, wie etwa Helium oder Argon, oder ein anderes inertes Fluid, zugeführt. Die aus den Öffnungen bzw. Düsen 8 austretenden Inertgasströme prallen auf die Oberfläche des Keramikteils 13 auf und werden längs der Oberfläche nach unten weggeleitet. Hierbei entziehen sie der Giessform 12 und damit auch dem bereits gerichtet erstarrten Teil des Giessforminhalts Wärme q. Entsprechend dem Stand der Technik nach US-A-3,532,155 errechnet sich die entzogene Wärme wie folgt:$${\text{q = α(T - T}}_{\text{o}}\text{),}$$ wobei T die Temperatur des Giesskörpers an der Erstarrungsfront und T_o die Umgebungstemperatur, wie sie durch die Wände der Kühlkammer 5 bzw. der Vakuumkammer 2 bestimmt ist, bedeuten, und wobei 1/α = 1/α_cm + 1/α_cmd + 1/α_GCC, mit α_GCC = α_r (Wärmeübergang durch Strahlung) + α_cvgas (Wärmeübergang durch Konvektion).

Ein besonders hoher Wärmentzug auch bei einer komplex ausgebildeten Giessform wird erreicht, wenn das Baffle 3 gekühlt ist und/oder wenn seine Öffnung 7 von flexiblen, an der Giessform 12 anliegenden Fingern 21 begrenzt ist.

Für eine grosse Gasturbinenschaufel aus einer Nickel-Basissuperlegierung ergeben sich typischerweise folgende Werte der Wärmeübergangszahlen:$${\text{α}}_{\text{cm}}{\text{= lambda}}_{\text{m}}{\text{/δ}}_{\text{m}}{\text{= 816 J/m}}^{\text{2}}\text{sK,}$$$${\text{α}}_{\text{cmd}}{\text{= lambda}}_{\text{md}}{\text{/δ}}_{\text{md}}{\text{= 200 J/m}}^{\text{2}}\text{sK,}$$ wobei lambda_m bzw. lambda_md die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Legierung bzw. der keramischen Giessform 12 und δ_m bzw. δ_md die Dicke der bereits erstarrten Metallschicht (angenommen als 30 mm) zwischen Formwand (unter dem Baffle 3 gelegen) und Erstarrungsfront bzw. die Dicke der Formwand (angenommen als 10 mm) bedeuten, und α_GCC = 800 J/m²sK. Hieraus ergibt sich mit α= 134 J/m²sK ein Wärmeübergangswert, welcher demjenigen nach dem schwerer beherrschbaren Verfahren gemäss US-A-3,763,926 entspricht.

Das in die Kühlkammer 5 eingeblasene Inertgas kann durch das Vakuumsystem 17 aus der Vakuumkammer 2 entfernt, abgekühlt gefiltert und - auf einige bar komprimiert - Rohrleitungen 18 zugeführt werden, die mit den Öffnungen bzw. Düsen 8 in Wirkverbindung stehen.

Das Befüllen einer nächsten Giessform mit geschmolzenem Metall kann nach Entfernen der Giessform 12 und Evakuieren der Vakuumkammer 2 ausgeführt werden.

Nachfolgend sind die Eigenschaften von als Gasturbinenschaufeln ausgebildeten Giesskörpern angegeben, welche nach den Verfahren gemäss US-A-3,532,155, gemäss US-A-3,763,926 und mit der Erfindung hergestellt worden sind. Diese Schaufeln wiesen jeweils gleiche geometrische Abmessungen auf (Länge jeweils 200 mm) und bestanden aus einer Nickel-Basissuperlegierung mit folgenden Hauptkomponenten in Gewichtsprozent:
Cr=6,5; Co=9,5; Mo=0.6; W= 6,5; Ta=6,5; Re=2,9; Al=5,6; Ti=1,0; Hf=0,1; Ni=Rest

Bei allen Verfahren waren die Ofengeometrien, die Heiztemperaturen und die Abgiesstemperaturen identisch. Verfahren US-A-3,532,155 US-A-3,763,926 Erfindung Anzahl Schaufeln 8 8 4 Material ← Nickel-Basissuperlegierung → Ziehgeschwindigkeit 3 mm/min Blatt ← 7 mm/min Blatt → 2 mm/min Fuss ← 4 mm/min Fuss → Durchschnittliche Länge Einkristallabschnitt vor Bruch 156 mm
(Einkristallbruch bei 6 von 8 Schaufeln) 178 mm
(Einkristallbruch bei 2 von 8 Schaufeln) 200 mm
(kein Einkristallbruch) Slivers
(Mittelwert) 1,5 3 1,5 Max. Porosität
(Volumen%) < 0,9 < 0,5 < 0,6 Freckles im Fussbereich ← keine →

Bei den Verfahren nach US-A-3,532,155 und insbesondere US-A-3,763,926 weist die Erstarrungsfront typischerweise eine konkave Form auf. Beim Betrieb der erdindungsgemäßen Vorrichtung ist die Erstarrungsfront hingegen eben oder sogar konvex ausgebildet. Mit der Erfindung kann so eine einkristalline Erstarrung einer Turbinenschaufel im Bereich ihres innen und ihres aussen liegenden Endes besser eingestellt werden.

Ersichtlich zeichnet sich die Verwendung der Erfindung dadurch aus, dass bei hoher Durchlaufgeschwindigkeit durch den Ofen die danach hergestellten Giesskörper eine besonders grosse Einkristallbruchfestigkeit, eine geringe Porosität und keine Fehlstellen aufweisen. Darüber hinaus werden dabei Giesskörper hergestellt, die nahezu frei von Freckles und slivers sind.

1

Vakuumsystem

2

Vakuumkammer

3

Baffle (Strahlungsschild)

4

Heizkammer

5

Kühlkammer

6

Schmelztiegel

7

Öffnung

8

Düsen

9

Inertgasströme

10

Antriebsstange

11

Kühlplatte

12

Giessform

13

Keramikteil

14

Füllvorrichtung

15

aufgeschmolzene Legierung

16

Heizelemente

17

Vakuumsystem

18

Rohrleitungen

19

Erstarrungsfront

20

Giesskörper

21

Finger