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DE10221418A1 - Imprägnierter Kern auf Aluminiumoxidbasis und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Imprägnierter Kern auf Aluminiumoxidbasis und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE10221418A1
DE10221418A1 DE10221418A DE10221418A DE10221418A1 DE 10221418 A1 DE10221418 A1 DE 10221418A1 DE 10221418 A DE10221418 A DE 10221418A DE 10221418 A DE10221418 A DE 10221418A DE 10221418 A1 DE10221418 A1 DE 10221418A1
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DE
Germany
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core
impregnated
yttrium oxide
alumina
yttrium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10221418A
Other languages
English (en)
Inventor
Gregory R Frank
Ronald J Keller
Rodney S Haaland
Charles F Caccavale
Jun Alfred P Kaulius
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Howmet Corp
Original Assignee
Howmet Research Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Ein imprägnierter gebrannter poröser Kern auf Aluminiumoxidbasis zur Verwendung in einer Maskenform beim Vergießen geschmolzener Metalle und Legierungen. Der Kern wird mit Yttriumoxid imprägniert, um den Kriechwiderstand des Kerns bei hohen Gießtemperaturen und langer Gießdauer zu verbessern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gebrannten porösen keramischen Kern auf Aluminiumbasis sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Beim Gießen hohler Gasturbinenschaufeln (Lauf und Leitschaufeln) unter Verwendung gleichachsiger Techniken zum Herstellen gleichachsiger Korngussteile und gerichteter Erstarrungstechniken (DS) zum Herstellen von Säulenkorn- oder Einzelgussteil-Gussteilen wird ein gebrannter keramischer Kern in einer Masken­ form angeordnet, um innere Kühlkanäle in der Schaufel zu bilden. Im Betrieb der Gasturbine strömt Kühlluft durch die Kanäle, um die Schaufeltemperatur in einem akzeptablen Bereich zu halten.
Grüne (ungebrannte) keramische Kerne werden typischerweise durch Spritz­ gießen, Transfergießen oder einfaches Vergießen eines geeigneten keramischen Kernmaterials hergestellt, welches ein oder mehrere keramische Pulver, ein flüchti­ ges Bindemittel wie z. B. Wachs, Polypropylen, Polyolefin, vorhydrolisiertes Äthylsilikat und andere Zusätze umfasst. Nachdem der grüne Kern aus der Form entfernt ist, wird er bei erhöhter (überatmosphärischer) Temperatur in einem oder mehreren Schritten gebrannt, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen, und den Kern beim Gießen metallischen Materials wie z. B. einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis zu sintern und zu verstärken. Aufgrund des entfernten Bin­ demittels und flüchtigen Füllmaterials, falls vorhanden, ist der gebrannte kerami­ sche Kern porös.
Die gebrannten porösen keramischen Kerne, die beim Genauguss von hohlen Superlegierungs-Gasturbinenschaufeln verwendet werden, haben typischerweise ein Tragflügelprofil mit einem Hinterkantenbereich eines ziemlich dünnen Quer­ schnitts. Das US Patent 4,837,187 beschreibt einen keramischen Kern auf Aluminium­ oxidbasis, der vor dem Sintern aus einem Gemisch von Aluminiumteilchen, Yttrium­ oxidteilchen und einem Bindemittel gebildet wird, worauf ein Entbinde- und Sintervorgang folgt, zwecks Verwendung beim Genauguss hohler Schaufelprofile aus reaktiven Superlegierungen wie z. B. Superlegierungen auf der Basis von Yttrium lagerndem Nickel. Wenngleich derartige Kerne auf Aluminiumoxidbasis seit Jahren erfolgreich eingesetzt werden, neigen die Kerne jedoch zum Kriechen bei den hohen Gießtemperaturen und langen Zeiten, in denen sie den hohen Temperatu­ ren ausgesetzt sind, wie sie beim DS-Gießen von Säulenkorn- und Einzelkristall- Superlegierungs-Schaufeln ausgesetzt sind (z. B. 1480 bis 1600°C für eine halbe bis drei Stunden). Aus diesem Grund werden Kernwand, Positionier- und Steuer­ merkmale in Form von Platinzapfen und/oder Aluminiumoxidzapfen vorgesehen, die zwischen dem Kern und der keramischen Gießformwand angeordnet sind, in welcher der Kern an ausgewählten Stellen angeordnet wird, um die Kernposition relativ zu der Gießform aufrecht zu erhalten und der Neigung des Kerns, bei hohen DS-Gießtemperaturen zu kriechen, entgegen zu wirken.
Das US Patent 5,580,837 beschreibt einen keramischen Kern auf Aluminium­ oxidbasis, der vor dem Sintern aus einem Gemisch aus Aluminiumteilchen, Yttrium­ oxid-Aluminat-Teilchen und einem Bindemittel gebildet wird, worauf ein Ent­ binde- und Sintervorgang folgt, zwecks Verwendung beim Genauguss hohler Schau­ feln aus reaktiven Superlegierungen wie z. B. Superlegierungen auf der Basis von Yttrium lagernden Nickel.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Kriechwiderstand derartiger Kerne auf Aluminiumoxidbasis bei höheren Gießtemperaturen beim Vergießen me­ tallischer Materialien wie insbesondere reaktiver Superlegierungen auf Nickelbasis zu verbessern.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein imprägnierter poröser keramischer Kern auf Aluminiumoxidbasis zwecks Verwendung in einer Form zum Vergießen geschmolzener Metalle und Legierungen geschaffen, bei dem der Kern mit Yttrium­ oxid imprägniert ist, um den Kriechwiderstand bei höheren Temperaturen zu verbessern.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der gebrannte poröse kerami­ sche Kern auf Aluminiumoxidbasis mit kolloidalem Yttriumoxid oder einem ande­ ren Imprägniermittel imprägniert, das Yttriumoxid in Poren des Kerns ablagert, um den Kriechwiderstand des Kerns zu verbessern.
Durch die vorliegende Erfindung wird ferner ein imprägnierter gebrannter poröser Kern auf Aluminiumoxidbasis geschaffen, der eine Yttriumoxidimprägnie­ rung in Poren des Kerns enthält und der einen deutlich erhöhten Kriechwiderstand bei höheren Gießtemperaturen und -zeiten im Vergleich zu nicht imprägnierten ge­ brannten porösen Kernen auf Aluminiumoxidbasis zeigt. Die Yttriumoxidimpräg­ nierung in den Kernporen ist vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 1 bis 5 Gew.-% des Kerns vorhanden (auf der Basis eines Gewichtszuwachses des getrock­ neten imprägnierten Kerns).
Anhand der einzigen Figur, die eine perspektivische Ansicht eines gebrann­ ten porösen keramischen Kerns für eine Gasturbinenschaufel ist, werden weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die vorliegende Erfindung schafft einen imprägnierten keramischen Kern auf Aluminiumoxidbasis, der insbesondere beim Gießen hohler Gasturbinenschaufeln (Lauf und Leitschaufeln unter Verwendung herkömmlicher gleichachsiger und ge­ richteter Erstarrungstechniken (DS) aus reaktiven metallischen Materialien, insbe­ sondere reaktiven Superlegierungen auf Nickelbasis, geeignet ist. Beispielsweise kann die Erfindung beim Gießen reaktiver Superlegierungen auf Nickelbasis, die Yttrium enthalten, zum Herstellen hohler Schaufelgussteile eingesetzt werden. Der­ artige Superlegierungen auf der Basis von Yttrium lagerndem Nickel sind bestens bekannt, beispielsweise als General Electric Rene N5 Nickel Base Superalloy und PW 1487 Nickel Base Superalloy. Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf Kerne mit Schaufelprofil, da beliebige andere gebrannte poröse keramische Kerne unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können.
Die einzige Figur zeigt einen gebrannten porösen keramischen Kern 10 zur Verwendung bei Genauguss einer hohlen Gasturbinenschaufel, bei der der Kern eine Konfiguration innerer Kühlkanäle hat, welche beim Gießen der Schaufel gebil­ det werden sollen. Der Kern 10 umfasst einen Schaufelfußbereich 12 und einen Schaufelflügelbereich 14. Der Schaufelflügelbereich 14 hat eine Vorderkante 16 und eine Hinterkante 18. Öffnungen bzw. Schlitze 20 unterschiedlicher Gestalt und Abmessung können im Kern 10 vorgesehen sein, um längsverlaufende Wände, ab­ gerundete Vorsprünge und andere Elemente im Inneren der gegossenen Schaufel zu bilden, wie an sich bekannt ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der keramische Kern 10 in der Weise hergestellt, dass ein Gemisch aus einem keramischen Füllermaterial und einem Bindemittel hergestellt wird, wie es in dem US Patent 4,837,187 beschrieben wird. Wie in diesem US Patent erläutert, kann das Gemisch vor dem Sintern unge­ fähr 80 bis 86 Gew.-% keramisches Füllermaterial und ungefähr 14 bis 20 Gew.-% Bindemittel enthalten. Das keramische Füllermaterial enthält ungefähr 66 bis 95 Gew.-% grobe und feine Al2O3-Teilchen, ungefähr 1 bis 20 Gew.-% Y2O3-Teilchen, ungefähr 1 bis 5 Gew.-% eines Kornwachstum hemmenden Mittels (z. B. nur MgO) und als Rest ein Kohlenstoff lagerndes flüchtiges Füllermaterial enthalten, wie im einzelnen in dem oben erwähnten US Patent beschrieben ist.
Das Bindemittel ist vorzugsweise ein thermoplastisches Bindemittelsystem auf Wachsbasis mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie es im einzelnen in dem oben erwähnten US Patent beschrieben ist. Als Beispiel kann das Bindemittelsystem 91 bis 96 Gew.-% eines Wachssystems, ungefähr 1 bis 6 Gew.-% eines Antisegre­ gationsmittels und ungefähr 1 bis 5 Gew.-% eines Dispersionsmittels enthalten.
Der keramische Kern kann durch herkömmliches Spritzgießen, Transfer­ gießen oder einfaches Gießen, wie es zum Herstellen grüner keramischer Kerne ver­ wendet wird, gebildet werden. Beispielsweise wird beim Spritzgießen eines kerami­ schen Kerns ein fluidisches keramisches Pulver-/Bindemittel-Gemisch auf 80 bis 125°C erwärmt und in eine Kernform aus Stahl eingespritzt, die einen Formhohl­ raum mit der erwünschten Gestalt des Kerns hat. Ein Einspritzdruck im Bereich von 13,78 bis 137,8 bar (200 bis 2000 psi) wird dazu verwendet, das fluidische Kera­ mik-/Bindemittel-Gemisch im Formhohlraum unter Druck zu setzen. Die Formen können gekühlt, auf Raumtemperatur gehalten oder geringfügig erwärmt werden, je nach der Kompliziertheit der gewünschten Kerngestalt. Nachdem das Keramik-/Binde­ mittel-Gemisch in der Form erstarrt ist, wird die Form geöffnet, und der grü­ ne ungebrannte keramische Kern wird entnommen und einer thermischen Behand­ lung unterzogen, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen und den grünen kerami­ schen Kern zum Herstellen eines gebrannten porösen keramischen Kerns 10 zu sin­ tern. Der auf diese Weise hergestellte Kern wird dann in dem bekannten Wachsaus­ schmelzverfahren verwendet. Durch das Sintern wird eine Konsolidierung der ke­ ramischen Pulverteilchen durch Erwärmung erzielt, um dem Kern die erforderliche Festigkeit zu verleihen, die er für den Gießvorgang benötigt. Das Sintern des grünen keramischen Kerns erfolgt durch eine Wärmebehandlung, d. h. eine Erwärmung auf eine höhere Temperatur auf der Grundlage der Erfordernisse der verwendeten ke­ ramischen Pulver. Das oben erwähnte US Patent 4,837,187 beschreibt das Vorbren­ nen und Sintern des keramischen Kerns auf Aluminiumoxidbasis, bei dem das Sin­ tern ungefähr 48 Stunden lang unter Verwendung einer Erwärmungsrate von unge­ fähr 60°C bis ungefähr 120°C pro Stunde bis zu einer Sintertemperatur im Bereich von ungefähr 1600 bis 1700°C erfolgt. Beim Sintern wird das Kohlenstoff lagernde flüchtige Füllermaterial aus dem Kern ausgebrannt, was ein Porennetzwerk in dem gesinterten Kern zurücklässt.
Im Anschluss an den Sintervorgang hat der keramische Kern eine Mikro­ struktur, die durch das Vorhandensein von im wesentlichen nicht reaktierten Al2O3- Teilchen charakterisiert ist, die eine polykristalline Zusammensetzung haben, wel­ che im wesentlichen aus drei Y2O3 : 5Al2O3 an der Oberfläche der Al2O3-Teilchen besteht.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Kern 10 in der Weise hergestellt, dass ein Gemisch aus Yttrium-Aluminat-Teilchen, Aluminium­ oxid-Teilchen und einem Bindemittel zubereitet wird, worauf ein Spritzgieß- und Sintervorgang folgt, um einen gebrannten porösen Kern auf Aluminiumoxidbasis zu bilden, wie in dem US Patent 5,580,837 beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Imprägnieren eines gebrannten porö­ sen keramischen Kerns auf Aluminiumbasis, der nach der Lehre der US 4,837,187, der US 5,580,837 und anderer Techniken hergestellt wurde, bei denen der Kern aus einem Gemisch gebildet wird, das im wesentlichen aus Aluminiumoxidteilchen in einem Bindemittel oder aus Aluminiumoxidteilchen und Yttrium lagernden Teil­ chen wie z. B. ausschließlich Yttriumaluminat in einem Bindemittel besteht. Die speziellen Kernformtechniken wie z. B. das Spritzgießen, Transfergießen und einfa­ ches Gießen sowie die speziellen thermischen Behandlungstechniken bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, da herkömmliche Kerngießtechniken und thermi­ sche Bearbeitungstechniken zum Herstellen des gebrannten porösen keramischen Kerns auf Aluminiumoxidbasis verwendet werden können.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Festigkeit des gebrannten porösen Kerns 10 auf Aluminiumoxidbasis durch Imprägnieren erhöht, um die Poren des Kerns mit einer Yttriumoxidimprägnierung, insbesondere einem Yttriumoxidfilm, versehen. Der Kern kann mit handelsüblichem kolloidalem Yttriumoxid oder einer anderen Imprägniersubstanz, die die Kernporen mit Yttriumoxid imprägniert, im­ prägniert und anschließend getrocknet werden, um den Kriechwiderstand des Kerns bei höheren Gießtemperaturen und -zeiten zu verbessern, wie sie insbesondere beim DS-Gießen reaktiver Nickel-Superlegierungen verwendet werden, um Säulenkorn- und Einzelkristall-Gussteile herzustellen.
Ein bevorzugtes kolloidales Yttriumoxid ist beispielsweise als Nyacol kol­ loidales Yttriumoxid von der Firma Nano Technologies Inc., Ashland, MA, USA erhältlich. Dieses kolloidale Yttriumoxid enthält 14 Gew.-% Yttriumoxid-Fest­ körper und als Rest Wasser und Essigsäure.
Die Erfindung kann unter Verwendung einer wässrigen oder organischen Lösung als Imprägniersubstanz ausgeführt werden, bei der die Lösung Yttriumsalze oder Yttriummetallorganische Substanzen enthält, die in Poren des Kerns in Form eines Yttriumoxid-Zwischenprodukts abgelagert werden, welches während der Gießform-Vorerwärmungsstufe des Gießvorganges Yttriumoxid in den Poren bil­ det. Eine derartige Lösung kann Yttriumazetat, Yttriumnitrat, Yttriumkarbonat, Yttriumalkoxid oder andere Yttriumoxid-Zwischenprodukte enthalten.
Der gebrannte poröse Kern auf Aluminiumoxidbasis wird nach dem Impräg­ nieren getrocknet, um die flüssige Phase des Imprägniermittels zu entfernen. Zu diesem Zweck kann der imprägnierte Kern in Umgebungsluft bei Raumtemperatur oder in einem Ofen unter Verwendung eines erzwungenen Luftstroms von bei­ spielsweise 82 bis 93°C (180 bis 200°F) während einer Dauer, die zum Trocknen des Kerns ausreicht, getrocknet werden.
Der imprägnierte gebrannte poröse Kern gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Yttriumoxid-Festkörper als Film in Poren des Kerns. Der Kern hat einen deutlich erhöhten Kriechwiderstand bei höheren Gießtemperaturen und -zeiten im Vergleich zu einem nicht imprägnierten Kern. Die Yttriumoxid-Festkörper in den Kernporen sind vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 1 bis 5 Gew.-% des Kerns vorhanden, wobei die Yttriumoxid-Festkörper in den Kernporen auf einem Gewichtszuwachs des getrockneten imprägnierten Kerns basieren.
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung. Ge­ brannte poröse Kerne auf Aluminiumoxidbasis für eine Gasturbinenschaufel einer ersten Turbinenstufe und gebrannte poröse Kern-Prüfstäbe auf Aluminiumoxidbasis wurden gemäß der Lehre des US Patentes 4,837,187 hergestellt. Die Kern-Prüfstäbe hatten eine Länge von 127 mm (5 inch), eine Breite von 12,7 mm (0,5 inch) und eine Dicke von 6,35 mm (0,25 inch).
Sechs gebrannte poröse Kerne und zwölf gebrannte poröse Kern-Prüfstäbe auf Aluminiumoxidbasis wurden mit Yttriumoxid imprägniert unter Verwendung von 14 Gew.-% Yttriumoxidsol (Kolloid), das als Nyacolkolloidalyttria im Handel erhältlich ist. Die Kerne und Prüfstäbe wurden durch Eintauchen in das kolloidale Yttriumoxid bei Umgebungstemperatur während zwei Minuten eingetaucht. Hierauf wurde überschüssiges kolloidales Yttriumoxid von der Oberfläche unter Verwen­ dung von Druckluft von 2,07 bar (30 psi) entfernt, worauf eine Ofentrocknung bei 82°C (180°F) eine Stunde lang erfolgte. Diese Kern-Prüfstäbe werden in der unten stehenden Tabelle I mit "A" bezeichnet.
Sechs gebrannte poröse Kerne und zwölf gebrannte poröse Kern-Prüfstäbe auf Aluminiumoxidbasis wurden mit Aluminiumoxid unter Verwendung eines 15- gewichtsprozentigen Aluminiumoxidsols (Kolloid) imprägniert, das durch Verdün­ nen von handelsüblichem Bluonic A kolloidalem Aluminiumoxid der Firma Wesbond Corporation, Wilimington, DE, USA hergestellt wurde. Beispielsweise wur­ den drei Teile eines handelsüblichen Bluonic A Kolloidalaluminiumoxids verdünnt unter Verwendung eines Teils deionisierten Wassers, um das 15-gewichtsprozentige kolloidale Aluminiumoxid zu erhalten. Die Kerne und Prüfstäbe wurden in der Weise imprägniert, dass sie zwei Minuten lang in das 15-gewichtsprozentige kolloi­ dale Aluminiumoxid bei Atmosphärendruck eingetaucht wurden, worauf überschüs­ siges kolloidales Aluminiumoxid durch Druckluft von 2,07 bar (30 psi) von der Oberfläche entfernt wurde und eine Ofentrocknung bei 82°C (180°F) eine Stunde lang erfolgte. Diese Kern-Prüfstäbe sind in der Tabelle I mit "B" bezeichnet.
Sechs gebrannte poröse Kerne und Kern-Prüfstäbe wurden zuerst mit Yttrium­ oxid unter Verwendung eines 7-gewichtsprozentigen Yttriumoxidsols (Kolloid) imprägniert, das durch Verdünnen des oben erwähnten handelsüblichen 14-ge­ wichtsprozentigen kolloidalen Yttriumoxids (Nyacolkolloidalyttria) mit deionisier­ tem Wasser hergestellt wurde. Die Kerne und Kernprüfstäbe wurden in der Weise imprägniert, dass sie in das 7-gewichtsprozentige kolloidale Yttriumoxid zwei Mi­ nuten lang bei Atmosphärendruck eingetaucht wurden, worauf überschüssiges kol­ loidales Yttriumoxid unter Verwendung von Druckluft bei 2,07 bar (30 psi) von der Oberfläche entfernt wurde und hierauf eine Ofentrocknung bei 82°C (180°F) eine Stunde lang erfolgte. Die Kerne und Kernprüfstäbe wurden dann in der Weise mit Aluminiumoxid imprägniert, dass sie in 7,5-gewichtsprozentiges kolloidales Alu­ miniumoxid zwei Minuten lang bei Atmosphärendruck eingetaucht wurden, worauf überschüssiges kolloidales Aluminiumoxid mit Druckluft von 2,07 bar (30 psi) von der Oberfläche entfernt wurde und eine Ofentrocknung bei 82°C (180°F) eine Stunde lang erfolgte. Das 7,5-prozentige kolloidale Aluminiumoxid wurde in der Weise hergestellt, dass drei Teile des handelsüblichen Blonic A Kolloidalalumina mit 5 Teilen deionisierten Wassers verdünnt wurden. Diese Kern-Prüfstäbe sind in der Tabelle I mit "C" bezeichnet.
Die imprägnierten gebrannten porösen Kern-Prüfstäbe wurden hinsichtlich des Reißmoduls (MOR = Modulus of Rupture) bei 1520°C unter Verwendung ei­ ner Vierpunkt-Biegelast gemäß ASTM-Standard 647-77 geprüft. Sie wurden ferner hinsichtlich ihres Kriechwiderstandes bei 1566°C unter Verwendung eines Biege­ kriechtestes (Flexure Creep Test) und hinsichtlich ihrer thermischen Expansion un­ ter Verwendung eines ANTER Model 1161 Dilometers der Firma Anter Corp., Pittsburgh, Pennsylvania, geprüft. Nicht imprägnierte gebrannte poröse Kern-Prüf­ stäbe (bezeichnet mit "Nicht") wurden zu Vergleichszwecken derselben Prüfung unterzogen.
Die Tabelle I gibt die MOR-Ergebnisse wieder (wobei die MOR-Werte in psi angegeben sind).
Tabelle I
Es ist offensichtlich, dass die Imprägnierung der gebrannten porösen Kern- Prüfstäbe mit Yttriumoxid unter Verwendung des 14-prozentigen kolloidalen Yttrium­ oxids (s. die Prüfstäbe "A"), den MOR-Wert gegenüber den mit "Nicht" be­ zeichneten nicht imprägnierten Kern-Prüfstäben deutlich verbessert. Die gebrannten porösen Kern-Prüfstäbe, die mit Aluminiumoxid imprägniert wurden (s. Prüfstäbe "B") und die Prüfstäbe, die mit Yttriumoxid und anschließend mit Aluminiumoxid imprägniert wurden (s. Prüfstäbe "C") einen deutlich höheren MOR-Wert als die nicht imprägnierten Kern-Prüfstäbe ("Nicht") haben. Die mit dem kolloidalen Yttrium­ oxid imprägnierten Kern-Prüfstäbe zeigten jedoch den größten Festigkeitsan­ stieg.
Die Tabelle II gibt die Kriechergebnisse für die imprägnierten Kern-Prüf­ stäbe wieder. Die Kriechwerte sind in inch und die Kriechrate in inch/h angegeben.
Tabelle II
Die erste Spalte in Tabelle II zeigt die durchschnittliche kumulative Biegung der Prüfstäbe nach einer Erwärmung auf 1500°C bei 300°C/h. Die Prüfstäbe wur­ den gebogen, so dass der Boden auf 10,3 bar (150 psi) Zugspannung bei Beginn des Prüfvorganges belastet wurde. Die zweite Spalte ist die kumulative Biegung nach dem Temperaturanstieg und einer Stunde bei 1566°C, was eine typische DS-Gieß­ temperatur für Säulenkorn- und Einzelkristall-Gussteile simuliert, der der Kern ei­ ner längeren Zeit ausgesetzt wird. Die dritte Spalte ist die Biegerate während der einstündigen Haltedauer.
Es ist offensichtlich, dass die Imprägnierung der Prüfstäbe mit Yttriumoxid unter Verwendung des 14-prozentigen kolloidalen Yttriumoxids (Prüfstäbe "A") die Kriechrate im Vergleich zu den nicht imprägnierten Prüfstäben ("Nicht") deutlich verbesserte. Beispielsweise wurde die Kriechrate der Prüfstäbe "A" um ungefähr 78% gegenüber der der nicht imprägnierten Prüfstäbe ("Nicht") verringert.
Die Prüfstäbe "B" und die Prüfstäbe "C" hatten ebenfalls eine verringerte Kriechrate im Vergleich zu den nicht imprägnierten Prüfstäben, wenngleich die Verringerung der Kriechrate nicht so groß wie bei den Prüfstäben "A" war. Die mit Aluminiumoxid imprägnierten Kerne zeigten ein hohes kumulatives Kriechverhal­ ten (Spalte 2 der Tabelle II) außerhalb der vorliegenden Erfindung.
Die thermischen Expansionseigenschaften unterhalb 1500°C der Prüfstäbe "A", "B" und "C" und der nicht imprägnierten Prüfstäbe "Nicht" waren miteinander vergleichbar. Die Imprägnierung des Kerns mit kolloidalem Yttriumoxid und/oder Aluminiumoxid, wie oben beschrieben, hatte somit keine Auswirkung auf die ther­ mischen Expansionseigenschaften.
Gießversuche anhand von Kernen für Gasturbinenschaufeln der ersten Tur­ binenstufe gemäß der vorliegenden Erfindung wurden mit herkömmlichen Einzel­ kristall-Techniken durchgeführt, um 40 Schaufeln aus einer Superlegierung auf ei­ ner Einzelkristall-Nickelbasis mit zwei Kernen herzustellen. Die Gießversuche er­ gaben eine Verringerung der Anzahl von Ausschuss-Gussteilen um 50%, welche durch eine Kernbewegung während des Gießvorganges verursacht worden waren. Die Erfindung hat den Vorteil eines erhöhten Kriechwiderstandes der Kerne bei höheren Gießtemperaturen und -zeiten. Eine Erhöhung des Kriechwiderstandes kann den Einsatz von Platin oder Aluminiumoxid-Zapfen bei der Vorbereitung des Kerns für den Gießvorgang überflüssig machen oder zumindest verringern. Der er­ höhte Kriechwiderstand ermöglicht außerdem eine bessere Kontrolle der Wandstär­ ke des Gussteils, so dass dünnere Wände für die Gasturbinenschaufeln möglich werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Behandeln eines gebrannten porösen keramischen Kerns auf Aluminiumoxidbasis zur Verwendung beim Gießen geschmolzener metallischer Materialien, bei dem der Kern mit Yttriumoxid imprägniert wird, um den Kriechwi­ derstand bei höheren Gießtemperaturen zu verbessern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern durch Eintauchen in kolloidales Yttriumoxid imprägniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Kern durch Eintauchen in eine Substanz, die ein Yttriumoxid-Zwischenprodukt enthält, imprägniert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Kern aus einem Gemisch aus Aluminiumoxidteilchen, Yttrium­ oxidteilchen und einem Bindemittel hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem Gemisch aus Aluminiumoxidteilchen, Yttrium lagerndes Teilchen und einem Bindemittel hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Kern nach dem Imprägnieren getrocknet wird.
7. Imprägnierter gebrannter poröser Kern auf Aluminiumoxidbasis, der eine Yttriumoxidimprägnierung in Poren des Kerns enthält und der einen deutlich erhöh­ ten Kriechwiderstand bei höheren Gießtemperaturen im Vergleich zu einem nicht imprägnierten gebrannten porösen Kern auf Aluminiumoxidbasis hat.
8. Kern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Yttriumoxidim­ prägnierung in den Kernporen in einer Menge von ungefähr 1 bis 5 Gew.-% des Kerns vorhanden ist.
9. Kern nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mikro­ struktur aus Aluminiumoxidteilchen und einem Yttriumoxid lagernden Bestand­ teil aufweist.
10. Kern nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Yttriumoxid lagernde Bestandteil 3Y2O3 : 5Al2O3 ist.
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