DE2031844A1

DE2031844A1 - Gerichtet erstarrte Gußstucke

Info

Publication number: DE2031844A1
Application number: DE19702031844
Authority: DE
Inventors: Robert Bruce Cheshire Hostetler Jeffrey Dale Middletown Conn Barrow (V St A )
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1969-06-27
Filing date: 1970-06-27
Publication date: 1971-02-11
Also published as: BE752437A; US3620288A; NL7009432A; CH522458A; DE2031844B2; FR2047975A1; GB1256348A; DE2031844C3; IL34591A; IL34591A0; SE355971B; FR2047975B1; CA919381A

Description

Dr. Ing. E, BERKENFELD · DiρJ..|ng. H. BERKENFELD₁ Patenta-nwitte.Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom Name d. Anm. United Aircraft

Corporation Gerichtet erstarrte Gusstücke

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gerichtet erstarrten Gusstücken sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Gerichtet erstarrte Gegenstände aus Hochtemperatur-Legierungen sindbbesonders nützlich in Gasturbinen, und besonders da, wo die Kristallorientierung beispielsweise in bezug auf die Belastung tf des fertigen Teils gesteuert werden soll. Solche Gegenstände und ein Verfahren zu deren Herstellung sind beispielsweise in dem U.S. Patent No. 3.26o.5o5 auf den Namen Versnyder beschrieben. Gegenstände mit kleinen Bendritenabständen in den Stengelkörnern sind ausser3t wünschenswert und es wurde gefunden, dass die gewünschte feingefügige Bendritenstruktur durch eine relativ schnelle Abkühlgeschwindigkeit sobald die Erstarrung begonnen hat, erzielt werden kann.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bildung von gerichtet erstarrten Gegenständen mittels einer Lichtbogenschmelztechnik mit abschmelzender Elektrode, verbunden mit einem Verfahren zum steuern der Erstarrungsgeschwindigkeit, wodurch eine feinkörnige Bendritenstruktur bewirkt wird. ™

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von solchen Bendritenstrukturen. Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzielung von sowohl der gerichtet erstarrten Struktur als auch der gewünschten Orientierung der Bendritenstruktur, beispielsweise einer (ool)-Orientierung längs der Längsachse dee Gegenstandes.

Gemäss der Erfindung begreift die Vorrichtung eine Kühlplatte zum Starten und zum Weiterkühlen der Schmelze mit der gewünschten Geschwindigkeit zur Erzielung der gewünschten feinkörnigen gerichteten Struktur In dem gegossenen Gegenstand. Sich von der

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Kühlplatte aufwärts erstreckend befindet sich eine Form aus keramischer. Material in welcher der Gegenstand gegossen wird, und in welche eine abschmelzende Elektrode aus dem Material des isu bildenden Gu3stückes mit dem freien Ende eintaucht. Die elektrische Energie welche der Elektrode zugeführt wird, bildet einen Lichtbogen welcher die Elektrode schmilzt um einen geschmolzenen Körper zu bilden welcher von der Kühlplatte aus aufwärts krlstalli-Biert um den gegossenen Gegenstand zu bilden. Während des Giessens wird der Lichtbogen periodisch unterbrochen um die Geschwindigkeit der Aufwärtserstarrung zu steuern und um die Kornstruktur zu verbessern. In verschiedenen Hinsichten ist die Erfindung eine Verbesserung der Vorrichtung und des Verfahrens der U.S. Patentanmeldung Nr. 8o3»539 vom 3· März 1968 auf den Namen Barrow und andere.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erklärt, wobei Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung und Fig. 2 einen Teilschnitt einer Abänderung darstellt.

Das Verfahren kann in der gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden welche eine Abschreckplatte Io, oder Tiegelboden, begreift auf der eine Gegenstandsform 12 in Form einer keramischen Hülse steht deren unteres Ende auf der Abschreckplatte Io ruht. Diese leraeikhülse wird in einem gewiesen Abstand von einer Tiegel-. hülse oder Tiegelwand 14 umgeben, welche an ihrem unteren Ende , fest alt der Abschreckplatte verbunden ist, z.B. durch Schrauben 16. Diese Tiegelhülse kann wiederum von einem Kühlmantel umgeben sein (nicht dargestellt) obschon dies nicht ein kritischer Teil der Vorrichtung ist. Der Raun «wischen der Form 12 und der Tiegelwand 14 kann mit einem Isolierenden körnigen Keramikmaterial 17 gefüllt sein um den Wärmeverlust aus der geschmolzenen Legierung durch die Formwand auf ein Minimum zu reduzieren. Eine Heizspule 18 kann zum Heizen der Form vor dem Beginn des Giessvorganges die Form 12 umgeben. .·

Eine abschmelzende Stange oder Elektrode 19 aus der zu giessenden legierung taucht in der Hülse 12 ein und wird durch irgend . einer der herkömmlichen Elektrodenhalter und Zuführungsyorrich-,„ tungen getragen mit denen ein Lichtbogen gezündet ..u^d^ahr^end^des-Absühmelzens der Elektrode im Innern der Hülse aufrecht .er?h.alten„_; werden kann. Eine Art der bestbekannten Lichtbogen^chmelzofen mit abschmelzender Elektrode welche diese Sorte von Zuführung haben,.

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ist der Heraeus L 2oo M - Ofen. Zum Zweck der vorliegenden Erfindung genügt es, dass die Stange 19 an einer Förderzahnstange 2o montiert ist, welche mittels eines Zahnrades 22 bewegt wird, um die Elektrode in oder aus der Hülse 12 mit einer geeigneten Geschwindigkeit zu bewegen um das gewünschte Schmelzen des Blockes aufrechtzuerhalten.

Selbstverständlich ist der Lichtbogen ein elektrischer Lichtbogen; die Engerie gelangt von einer geeigneten Quelle 2Ί mit Starkstromleitungen 26 zu der Elektrode und zum Tiegel. Natürlich hält eine geeignete Regelung 28 herkömmlicher Bauart gle geeignete Energiezufuhr zum Lichtbogen aufrecht und dient ebenfalls zur Regelung der Elektrodenzuführungsgeschwindigkeit. Eine weitere Regelung in Form eines Zeitreglers 3o ermöglicht eine periodische Unterbrechung der Stromzufuhr zum Halter und zum Lichtbogen während des Schmelzprozesses. Ein solcher Zeitregler ist bestens bekannt und. braucht an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. Das Ziel eines sochlen Abschaltens ist eine periodische Unterbrechung des Schmelzens während des OiessVorganges zu bewirken. Die Hülse 12 und die umgebende Isolierung dienen als Hitzebarriere so dass während des Abschmelzens der Elektrode zur Bildung eines Bades in der Hülse, der Hauptwärmeverlust axial durch die Abschreckplatte geschieht.

Die Erstarrungsfront bewegt sich von der Abschreckplatte aus aufwärts und das erstarrende Metall bildet Stengelkörner, sowie in dem obengenannten Versyder Patent beschrieben, überhitztes geschmolzenes Metall wird knapp oberhalb der flüssigfest Zwischenschicht ("breiige Zone") durch die abschmelzende Elektrode in die Form eingebracht. Dies bewirkt eine sehr schnelle Erstarrungsgeschwindigkeit, wodurch eine feine Bendritenstruktur erzielt wird* Diese Bendriten haben die bevorzugte (ool)-Orientierung entlang der Vertikalachse des Gusstückes.

Wenn der Lichtbogen zum Schmelzen der Stange zwischen der Elektrode und der Abschreckplatte gezündet ist und ein flüssiges Bad gebildet worden ist, bewirkt die Abschreckplatte die Erstarrung. Die Hülse 12 wirkt als Hitzeschild und der Wärmefluss aus dem geschmolzenen Metall in die Abschreckplatte wird durch das Vorwärmen der Keramikhülse aus der fortschreitenden Schmelzgeschwindigkeit weiter erhöht. Es ist zu verstehen, dass die Schmelzgeschwindigkeit der Elektrode und somit die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierung eine Funktion der Energiezuführung und der Wirksamkeit

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der Abschreckschicht ist. Die Herstellung von gerichtet erstarrten Teilen mittels einer Abschreckschicht und einem steilen Wärmegradienten in der Form ist in dem genannten Vorsnyder Patent beschrieben und beansprucht. Während des GiessVorganges wird der Lichtbogen periodisch unterbrochen, um die Tiefe der geschmolzenen Zone zu beschränken und um einen weiteren Wärmefluss von der geschmolzenen Zone durch die Pestzone in die Abschreckplatte zu gewährleisten. Bei unterbrochenem Lichtbogen wird der geschmolzenen Legierung keine Wärme zugeführt und die Erstarrung wird grosser Geschwindigkeit vorsichgeheri. Ist der Lichtbogen gezündet, so wird durch die mittels dem Lichtbogen zugeführte grosse Wärmemenge schnell zusätzliches Metall zur Erhöhung der Badtiefe geschmolzen, ohne den Erstarrungsprozess wesentlich zu verzögern. Diese Technik mit unterbrochenem Lichtbogen gewährt eine schnellere Erstarrung der Schmelze während des Giessvorganges, wodurch ein feiner Bendritenabstand und eine zufriedenstellendere Kornstruktur in dem Gusstück erzielt wird. Selstverständlich können auch andere Vorrichtungen als der spezielle Zeitregler 3o verwendet werden, um die gewünschten abwechselnden Lichtbogenbedingungen (brennend oder unterbrochen) während des Verfahrens zu gewährleisten.

Beispielswiese, bei der Herstellung eines gerichtet erstarrten Blockes von 38,1 mm Durchmesser, war die Abschreckplatte eine Kupferplatte mit Kühlungsdurchlaufen. Der Kühlwasserdurchfluss war auf 3o,3 Liter pro Minute eingestellt. Die Energiezufuhr für ' den Lichtbogen war 22o Ampere bei 21 Volt und die Elektrodenzuführungsgeschwindigkeit war 12,7 mm pro Minute; der Querschnitt der Elektrode war ¹IjS¹I cm . Der Block wurde aus einer Mar M 2oo Legierung gegossen. Es ist zu verstehen, dass dieser Giessvorgang vorzugsweise im Vakuum durchgeführt wird. Nach 21o Sekunden Brennzelt des Lichtbogens war das Bad aus flüssiger Legierung ungefähr 38,1'mm tief und der Lichtbogen wurde für 60 Sekunden unterbrochen. Danach brannte,der Lichtbogen periodisch während 60 Sekunden und war periodisch für 15© Sekunden abgeschaltet, bis die Form auf das gewünschte Niveau gefüllt.war.

Der erzeugte Block hatte die gewünschte MikroStruktur und eine verringerte Mikroporosität. Die hohe Erstarrungsgesehwindigkeit welche mit dem Lichtbogenschmelzverfahren mit abschmelzender

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Elektrode erzielt wird, bewirkt einen geringeren Abstand der Bendritenarme, eine kleine eutekische Phase und eine feinere Verteilung von kleineren NC Karbiden, was ein besseres Gusstück gewährleistet.

Die periodische Unterbrechung des Lichtbogens ermöglicht das Aufrechterhalten eines hohen Wärmegradienten an der flüssigfest Zwischenschicht. Wie in .Flg. 1 dargestellt, bewegt sich die Erstarrung, welche an der Abschreckplatte begann, aufwärts mit wesentlich waagerechter fester Oberfläche. Wie dargestellt, gibt es eine dünne Schicht, welche zu einem Teil aus festem Metall und zum anderen Teil aus flüssigem Metall besteht» "breiige Zone" genannt, und über der sich das flüssige Bad aus der Legierung befindet. Während der Periode in der der Lichtbogen nicht brennt, bewegt sich die breiige Zone schnell nach oben, bedingt durch den Wärmeverlust zur Abschreckplatte hin. Während der Periode in der der Lichtbogen brennt, befindet sich die grösste Wärme am Ende der Elektrode und das Schmelzen geschieht ohne die Wärme an der breiigen Zone wesentlich zu erhöhen wodurch die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der breiigen Zone nur zeitlich verringert wird.

Das Wachstum der Stengelkörner in diesem GIessverfahren geht in der in dem U.S. Patent Nr. 3·*26ο·5ο5 oder in. dem U.S. Patent Nr. 3.417.8Oi? beschriebenen Art vor sich. Das Bendritenwaehstum in den einzelnen Stengelkörnern ist in rechten Winkeln zu der Abschreckplatte und somit ist das Wachstum gerichtet erstarrt mit sowohl den Stengelkörnern als auch dem Bendritenwaehstum In den Körnern parallel zu der Längsachse des Gusstückes. Dieses periodische Schmelzen der Elektrode während des Giessvorganges ist ebenfalls auf das Giessen von Einkristallblöcken oder Einkristallgegenständen anwendbar. Der Einkristallblock ist eine weitere Form von gerichtet erstarrtem Material mit einer durch ein Keimkristall gesteuereten Richtung der Bendriten. Beispielsweise, wie in Fig. 2dargestellt, ist die Vorrichtung praktisch die gleiche wie in Fig. 1 mit der Ausnahme, dass ein Keimkristall 3^ auf der Abschreckplatte Io angebracht ist, um während des GiessVorganges das Wachstum der Bendriten in Einkristallform zu fördern. Die Herstellung des Einkristallblockes geschieht, wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, mit periodischer Unterbrechung des Lichtbogens um einen steileren Wärmegradienten in

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der erstarrenden Legierung und eine grössere Erstarrungsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Obschon der Keim gewöhnlich derart aus einem Einkristall herausgeschnitten wird, dass das Bendritenwachstum in rechten Winkel zu der Abschreckplatte 1st, so ist doch eine solche Einschränkung nicht notwendig; wird das Bendritenwachstum so gewünscht, dass die (ool)-Orientierung in einem spitzen Winkel zu der Abschreckplatte ist,so wird der Keimkristall mit der gewünschten Winkelorientierung gewählt, wie durch die gestrichelten Linien 38 auf dem Keimkristall dargestellt. Ob die Orientierung der Bendritenstruktur des Keims in rechten Winkeln zu der Abschreckplatte ist oder in spitzem Winkel, wie dargestellt, das periodische Unterbrechen des !Lichtbogens zur Erzeugung eines periodischen Schmelzens der Elektrode bei Aufrechterhaltung des Bades aus geschmolzener Legierung ist wirksam zur Erzeugung der gewünschten MikroStruktur in der Legierung. Das periodische Abschalten des Lichtbogens begrenzt die Tiefe der Zone der geschmolzenen Legierung in der Form und ermglicht eine Steuerung des Wärmegradienten in der Legierung um die gewünschte Erstarrungsgeschwindigkeit im Innern der Form aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der flüssig-fest Zwischenschicht in dem Erstarrungsprozess genau gesteuert werden. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Abkühlgeschwindigkeit, wenn es wünschenswert erscheint, mittels einer Heizspule welche die Form umgibt, zusätzlich gesteuert werden. Diese Heizspule kann zum Vorwärmen der Form auf eine Temperatur gleich oder höher als die Schmelztemperatur der Legierung verwendet werden.

Als Beispiel dieser Technik, auf die Herstellung von gerichtet erstarrten Gegenständen des Einkristelltyps angewendet, wurde ein Block mit 38,1 mm Durchmesser und Io,l6 cm Länge auf einer Abschreckschicht aus Kupfer und mit Durchläufen darin für das Kühlmittel gegossen. Der Durchfluss des Kühlwassers wurde auf 3o,3 Liter pro Minute eingestellt./Die elektrische Engergie für den Lichtbogen war 22o Ampere bei 21 Volt und die Zuführgeschwindigkeit der Elektrode während der Lichtbogenbrenrizeit war 25,4 mm. Der Querschnitt der Elektrode betrug 4,84 cm² . Die Lichtbogenbrennzeit war 35 Sekunden und die Zeit in welcher der Lichtbogen unterbrochen war betrug 15o Sekunden nach einer ersten Schmelzperiode, welche eine Tiefe von 38,1 mm der geschmolzenen Legierung

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in der Form bewirkte. Dieser unterbrochene Vorgang wurde bis zu einer Endhöhe der Oberfläche des Bades von 12,06 cm oberhalb der Abschreckplatte fortgesetzt. Der Block wurde aus einer Mar M 2oo-Legierung gegossen und der Keimkristall war aus der gleichen Legierung. Das Giessverfahren wurde im Vakuum durchgeführt. Der gegossene Block wies die gewünschte MikroStruktur und eine verringerte Mikroporosität auf. Als Einkristall war er völlig ohne Korngrenzen. Die Abstände der Bendritenarme waren sehr klein, er wies eine kleine eutektische Phase auf, und besass eine sehr feine Verteilung von kleinen MC Karbiden.

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Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD ■ Dipl-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte/Köln

Anlage AMenzeidwn

z«r Einsähe vom Named./W UHIIEB AIRCRAFT

CORPORATION

p ATEKTAWSPROc η ε

-zur·· Herstellung eines gerichtet erstarrten " -Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß man •ine Fora auf eine Abschreckplatte aufsetzt; das Ende einer Elektrode aus der zu gleitenden Legierung !■ Innern der Fora einsetzt;

einen Lichtbogen alt des Ende der Elektrode zündet, um das Schmelzen der Elektrode in der Font zu bewirken; kontinuierlich die Abschreckplatte kühlt, um dadurch der geschmolzenen Legierung Wärme zu entziehen; das Material von der Abschreckplatte aufwärts erstarrt so wie es geschmolzen wird;

die Legierung weiter oberhalb der flüssig-festen Zwischenschicht schmilzt welche durch die Erstarrung der Legierung durch den Wärmeabzug durch die Abschreckplatte gebildet wird; und periodisch den Lichtbogen unterbricht, üb die Tiefe der geschmolzenen Legierung oberhalb der flüssig-festen Zwischenschicht zu steuern. ^; ^

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d*ß die Form vor de« Schmelzen der Legierung erwärmt wird· .^,,-,_;,.:-\

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch.gekennzeichnet, da6 eine Hochtemperatur-Legierung verwendet wird· ■

km Verfahren nach Anspruch 1 -3, dadurch gekennzeichnet^ da£ das hergestellte Gußstück parallele Stengelkörner aufweist» welche sich senkrecht zu ύ»ν Abschreckplatteeretrekken.

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3* Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gegossene Gegenstand ein Einkristallgegenstand ist*

6. Verfahren zum Gießen eines gerichtet erstarrten Gegenstandes, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fora auf eine Abschreckplatte gestellt wird, daß die Legierung Mittels einer Lichtbogenschmelztechnik alt abschmelzender Elektrode in die Fora schmilzt, wobei das Ende der ab« schmelzenden Elektrode ins Innere der Fora eintaucht, und daß periodisch während des Schmelzprozesses der Lichtbogen für gewählte Zeitabstände unterbrochen Wird, wodurch die Abkühlgeschwindigkeit der gegossenen Legierung gesteuert wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gegossene Gegenstand parallele Stengelkörner wesentlich senkrecht zu der Abschreckplatte aufweist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daS der Gußgegenstand ein Einkristallgegenstand ist,

9· Vorrichtung zum Gießen von gerichtet erstarrten Gegen« ständen gemäß Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet» dad tie begreift! 7 ----- * ■ '■ ■ - - ' ^; eine Abschreckplatte;

eine Form,welche auf der Kühlplatte ruht; eine abschmelzende Elektrode, deren Ende eich in der For« befindet; .

eine Vorrichtung zum Zuführen von elektrischer Energie durch die Elektrode und die Abschreckplatte zum Schmelzen der Legierung der Elektrode in die Form;

und eine Vorrichtung zum periodischen Unterbrechen der Energiezufuhr, um ein unterbrochenes Schmelzen der Elektrode zu bewirken* '■■■;,-.*■■■;■.■ - - ■ - ^:: ■ ■■■■■■ ■ '

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Zuführen der Elektrode in die Fora während der Zuführung von elektrischer Energie zu der Elektrode.

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