DE2534050A1 - Verfahren zum verbinden von zwei metallischen formteilen - Google Patents

Description

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Verfahren zum Verbinden von zwei metallischen Formteilen

Die Erfindung betrifft bimetallische Gußstücke, wobei eine Präzisionsgußform (Investmentgußform) um eine Vorform herum gebildet wird und die Erstarrung des Metalls in der Form zur Verankerung der beiden Metallkomponenten miteinander dient.

Es existieren bereits zahlreiche Veröffentlichungen über die Vorteile anisotroper metallurgischer Eigenschaften in für hohe Temperaturen bestimmten Bauteilen, z.B. Turbinenschaufeln und -laufrädern. Unter "anisotrope metallurgische Eigenschaften" ist zu verstehen, daß der Teil parallel zur Achse der Hauptbeanspruchung verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist. Im Fall einer Tragflächenform, wurde diese durch gerichtete Erstarrung eines Gußstücks unter Erzielung säulenförmiger Körner, die parallel zur Hauptachse der Tragfläche ausgerichtet sind, hergestellt. Diese Kornörientierung verbessert den

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Widerstand gegen Intergranularbrüche bei erhöhten Temperaturen wesentlich und verbessert somit auch die Kriechfestigkeit, Duktilität und insbesondere die Beständigkeit gegen Wärmeermüdung.

Ein anderes Material mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften ist ein zusammengesetztes aus einer faserverstärkten Metallmatrix bestehendes Gebilde. Dabei werden Fasern, z.B. Borfasern, Siliciumcarbidfasern oder Graphitfasern in eine Metallmatrix, z.B. Aluminium, in Form dünner Lagen eingebettet und die Lagen werden in das gewünschte Profilformstück eingelegt und dann durch Diffusion miteinander verbunden, wobei die Fasern in Richtung der Achse der Hauptbeanspruchung verlaufen. Diese zusammengesetzten Teile zeigen stark gerichtete, d.h. anisotrope Eigenschaften.

Ein weiteres Beispiel für Bauteile mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften sind gerichtet erstarrte eutektische Legierungen. Diese eutektischen Legierungen erstarren zu lamellaren oder stabförmigen Strukturen, welche zusammengesetzten faserverstärkten Teilen insofern gleichen, als ein verhältnismässig starkes stab- oder blattförmiges Material die schwächere Matrix verstärkt.

Es gibt noch weitere Beispiele für metallurgische Strukturen, welche eine ausgeprägte mikrostrukturelle Gerichtetheit und eine Anisotropie mechanischer Eigenschaften zeigen. Stark gedehnte und längsausgerichtete Körner, wie sie für Hochtemperaturlegierungen charakteristisch sind, die aus verdichtetem Metallpulver nach dem sogenannten mechanischen Legierungsverfahren oder nach einem Verfahren gerichteter Rekristallisation von geschmiedetem Material erhalten werden, sind weitere Beispiele für anisotrope metallurgische Strukturen in

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dem erfindungsgemässen Sinne.

Die Herstellung von Gegenständen mit solch anisotropen Strukturen ist mit Problemen verbunden, die in der Regel auf Querschnittsänderungen zurückzuführen sind. So kann beispielsweise bei der Herstellung gegossener, für einen Betrieb bei hoher Temperatur bestimmten Schaufeln für Gasturbinen die gerichtete Erstarrung Schwierigkeiten bereiten, wenn große Abmessungsänderungen dabei auftreten. Die abruptesten und störendsten Änderungen treten dabei an-den Übergängen des Profilteils und dem massiveren Befestigungsteil oder Fußteil der Schaufeln oder dem sogenannten Schaufelversteifungsband auf. Diese Stellen neigen oft zu in der Gießindustrie als Schrumpfporosität bezeichneten inneren Defekten und/oder Zusammensetzungsänderungen, die durch Änderungen der Erstarrungsgeschwindigkeit verursacht werden. Außerdem können die durch die Fußteile oder Schaufelversteifungsbänder gebildeten Simse oder Absätze als Fallen für nicht-metallische Verunreinigungen z.B. Einschlüsse oder Schlacke, wirken.

Im Fall von Schaufeln oder Flügeln wird die gerichtete, anisotrope gegossene Struktur in der Regel in dem Profiloder Blatteil des Gegenstands gewünscht, welcher der den strengsten Temperaturbedingungen und Umgebungsbeanspruchungen ausgesetzte Bereich ist. Die Natur des Gießverfahrens ist (jedoch so, daß der ganze Gegenstand nach dem mit gerichteter Erstarrung arbeitenden Verfahren gegossen wird, wobei komplexe Teile die Schwierigkeiten einer Herstellung, welche den Betriebsanforderungen des Gegenstands Rechnung trägt, unverhältnismässig vergrössern.

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Es gibt auch noch andere Strukturen, in welchen die geometrischen Beschränkungen so sind, daß die Herstellung von gerichtet erstarrten Profilteilen schwierig ist. Ein Beispiel hierfür sind einstückig gegossene Turbinenlaufräder, die aus einer Scheibe oder einem Nabenteil bestehen, welcher eine Vielzahl von Profilteilen auf dem Felgenteil trägt. Solche Räder können in gegossener Form mit einer gleichachsigen gegossenen Kornstruktur nach dem Investment- oder Präzisionsgußverfahren hergestellt werden. Das erhaltene Produkt zeigt im wesentlichen die gleiche Mikrostruktur der gegossenen Körner · sowohl in dem Profilteil als auch in dem Scheiben- oder Nabenteil und die Eigenschaften sind mehr oder weniger isotrop. Obwohl die Korngröße etwas variieren kann, liegt in der Längsrichtung der Profilteile keine bevorzugte Ausrichtung oder Anisotropie vor. In der Praxis wird das Problem der Erzielung eines Rads mit gerichtet erstarrten Profilteilen so angegangen, daß man das Rad aus getrennt gegossenen Schaufeln zusammenbaut, welche mechanisch auf der Felge einer getrennt hergestellten Scheibe mit gleichachsigen Körnern, die in der Regel nach einem Schmiedeverfahren erhalten wurde, befestigt werden. In der Felge der Scheibe angebrachte Nuten dienen zur Verankerung der Fußteile der einzelnen Schaufeln. Diese Art des Zusammenbaus ist im Vergleich mit einem einstückigen Guß extrem teuer. Die technische Anwendung dieses Verfahrens zeigte doch, wie günstig die selektive Verwendung anisotroper metallurgischer Gebilde und deren Kombination mit anderen metallurgischen Gebilden zu einem Gesamtgegenstand, z.B. einem Turbinenrad, ist. Das vorstehende Beispiel erläutert auch die Brauchbarkeit einer rein mechanischen Befestigung zur Übertragung von Belastungen in einem starker

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Beanspruchung ausgesetzten Bauteil. In diesem Fall dient die mechanische Befestigung dazu, die Schaufeln in der richtigen Stellung zu und an der Scheibe zu halten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Bimetall-Gießverfahren, wobei Formen mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften leicht mit anderen Metallen unter Bewahrung der ausgezeichneten Eigenschaften der anisotropen metallurgischen Struktur in einem Teil des als Endprodukt erhaltenen bimetallischen Gegenstands verbunden werden können, wobei die ausgezeichneten Eigenschaften des den anderen Teil des Gegenstands bildenden Bestandteils ebenfalls erhalten bleiben.

Bimetallische Gießverfahren sind an sich in der Literatur und in Patentschriften beschrieben. Im Großen und Ganzen dienen diese Verfahren jedoch der Erzeugung einer metallurgischen Verbindung zwisohen der Vorform und dem Metall, welches auf diessVorform gegossen wird. Verwiesen wird z.B. auf die US-PS 3 279 006 und 3 342 564. In diesen Patentschriften ist die Herstellung zusammengesetzter Metallgegenstände durch Schmelzen eines metallischen Materials mit einer in dem daraus gegossenen Teil gewünschten spezifischen Eigenschaft beschrieben, während eine feuerfeste Form mit einem zur Aufnahme von geschmolzenem metallischem Material geeigneten Hohlraum und einem darin angeordneten festen Metallgegenstand, wovon mindestens eine Teiloberfläche in dem Hohlraum freiliegt, unter Vakuum erhitzt und das geschmolzene Metallmaterial unter Aufrechterhaltung einer inerten Atmosphäre unter Vakuum eingegossen wird. Die Verbindung zwischen dem erstarrten geschmolzenen Metall und der Vorform resultiert aus der Legierungsbildung der Vorform

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und dem aufgegossenen Metall unter Erzeugung eines metallurgisch verbundenen Bereichs.

Obwohl die metallurgische Verbindung ein wirksames Mittel zur Verbindung der zwei Teile zu einem bimetallischen Gegenstand ist, lassen sich solche Verbindungen doch nur schwierig zuverlässig und reproduzierbar erzielen. In der Praxis sind sehr hohe Vakua oder andere extrem inerte Atmosphären zur Verhinderung von Verunreinigungen an dem Zwischenflächenbereich, was die Stärke der Verbindung herabsetzen könnte, erforderlich. Die Temperaturen des zu Beginn in dem Hohlraum anwesenden Gegenstands und des geschmolzenen Metalls müssen so sein, daß weder eine zu rasche Abkühlung des aufgegossenen Metalls eintritt, was die Verbindungsfestigkeit durch Verhinderung einer ausreichenden Legierungsbildung herabsetzen könnte, noch eine zu langsame Abkühlung erfolgt, was zu völligem Schmelzen des anfänglich festen Gegenstands führen könnte. Der physische Kontakt zwischen den beiden zu verbindenden Materialien kennzeichnet sich dadurch, daß eine extreme Annäherung nicht nur durch die Fähigkeit von geschmolzenem Metall, sogar mikroskopisch kleine Hohlräume in dem anfänglich festen Gegenstand auszufüllen, sondern auch dadurch gefördert wird, daß in dem aufgegossenen Material in Folge dessen Erstarrung und anschliessender Abkühlung von einer höheren Temperatur aus als die des anfänglich festen Materials eine relativ größere Kontraktion auftritt. Der gebildete physikalische Kontakt schließt die nicht-zerstörende Untersuchung des Gegenstands auf seine Verbindungsqualität aus, es sei denn, man nimmt eine vollständige Trennung vor.

Es wurde gefunden, daß die bei der Herstellung eines bimetallischen Gußstücks herrschender Bedingungen während

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der Vorerhitzung der Form und während des Vergiessens so sein können, daß in dem Verbindungsbereich Zonen mit einer metallurgischen Verbindung und solche ohne metallurgische Verbindung nebeneinander existieren können. Wenn der Aufbau des Gegenstands für einen zufriedenstellenden Betrieb ausschliesslich auf einer metallurgischen Verbindung beruht, können verborgene Stellen einer unzureichenden Verbindung zu einem vorzeitigen Ausfall führen.

Verwiesen wird auf die vorveröffentlichte technische Information (Artikel von U. Okapuu und G.S. Calvert betitelt " An Experimental Cooled Radial Turbine" in AGARD Confernce Proceedings Nr. 73 über Hochtemperaturturbinen, Agard-CP-73-71, Papier Nr. 10, Januar 1971), wonach der Rotor einer Gasturbine durch bimetallisches Gießen einer Nabe aus einer Nickelsuperlegierung um die Fußteile von vorher gegossenen Schaufeln aus einer Nickelsuperlegierung hergestellt wurde. Die Konstruktion basierte auf der Erzielung einer metallurgischen Verbindung, obwohl einige wenige kleine Ausnehmungen vorgesehen wurden, die einen gewissen mechanischen Halt geben sollten. Die Fußteile waren so abgeschrägt, daß in Abwesenheit der Ausnehmungen und jeglicher metallurgischer Verbindung die Turbinenßchaufeln ohne weiteres aus dem Nabenteil entfernt werden konnten. In der Praxis führte die Anwendung von Bedingungen für die Vakuumvorerhitzung und das Gießen, die auf vorher durchgeführten Tests an Gußstücken basierten, welche ein Modell der Verbindung lieferten, dazu, daß die metallurgische Verbindung auf einen einzigen Bereich des Fußteils begrenzt war. Die resultierende Leistung des Bimetallteils war nicht ganz ausreichend, da an nicht vollständig metallurgisch gebundenen Stellen sich die Verbindung löste.

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Der zur Erzielung der erforderlichen Integrität im metallurgischen Sinn erforderliche Grad der Verbindung ist so, daß eine Legierungszone in Folge örtlichen Schmelzens oder einer örtlichen Diffusion ohne eine deutliche, schwächende Bestandteile enthaltende Zwischenfläche auftritt. Selbst die Anwesenheit eines dünnen Films aus einem die Verbindung schwächenden Bestandteil mit einer Dicke von nur 0,00001 Zoll oder sogar weniger kann zur Verhinderung der Verbindung ausreichen. In einigen Metallen und Legierungen sind ausgeprägte Abnahmen der mechanischen Festigkeit und Duktilität wegen nur einige wenige Atomschichten dicken Filmen zwischen den einzelnen Körnern bekannt. Dazu können Verunreinigungen der Zusammensetzung, eine ungenaue oder unrichtige Metallbearbeitung oder Gießverfahren, Wärmebehandlungen oder verschiedene Kombinationen dieser Faktoren führen.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht in der Schaffung einer Vorform mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften und Kombination dieser Vorform mit einem verlorenen Modell in Form des Teils, das mit der Vorform verbunden werden soll. Eine Präzisionsgußform wird dann in üblicher V/eise um das Modell herumgebaut und zwar nach dem sogenannten Tauch- und Stucco-Verfahren, so daß man eine Präzisionsgußform erhält, in welche die Vorform eingebettet ist.

Zur Verhinderung einer metallurgischen Verbindung wird auf der Vorform eine Trennschicht gebildet und zwar entweder bevor die Form um die Vorform gebildet wird oder vorzugsweise nach dem Erhitzen der Form in Luft, was einen oberflächlichen Metalloxidfilm auf den Flächen ergibt, an welchen die Vorform mit dem erstarrten Metall verhaftet werden soll. Das geschmolzene Metall wird dann

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in den durch die Entfernung des Modells entstandenen Gießhohlraum gegossen. Das geschmolzene Metall befindet sich auf einer wesentlich höheren Gießtemperatur als die Temperatur der vorerhitzten Form, so daß ein steiler Wärmegradient zwischen dem geschmolzenen Metall und der Vorform existiert. Das begünstigt sowohl die Vermeidung einer Gußporosität in dem erstarrenden Metall in Nähe der Verbindungsstelle und die Bildung feiner säulenförmiger "Abschreck"-Körner in dem erstarrten Metall, die in der Regel senkrecht zu dem Grenzbereich der beiden Teile verlaufen.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung.

In der Zeichnung sind:

Fig. 1a und 1b eine metallurgisch richtig bzw. unrichtig verbundene Struktur,

Fig. 2 eine Teilansicht einer Schaufel- und Nutenanordnung einer Turbine,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Vorform in Gestalt eines Profilteils, das mit zwei Schaufelversteifungsbändern nach dem erfindungsgemässen Verfahren verbunden werden soll,

Fig. 4 einen Aufriß, welcher zeigt, wie der Teil von Fig. 3 in einem Wachsmodell für die Herstellung der Präzisionsgußform aufgenommen wird und

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Fig. 5 eine Darstellung der Anordnung, nachdem die Präzisionsgußform um das Modell herum gebildet und das Modell unter Erzeugung eines Gießhohlraums zur Aufnahme von geschmolzenem Metall entfernt wurde.

Offensichtlich ist die Erzeugung einer metallurgisch verbundenen Zone in bimetallischen Gußstücken nach bekannten Methoden nicht ganz zufriedenstellend in Bezug auf die Zuverlässigkeit und die Anwendbarkeit von Prüfungsmethoden. Außerdem kann die Anwesenheit eines nicht gebundenen Bereichs, unabhängig von der Nähe der Oberflächen, eine Schwächung in bestimmten Gegenständen hervorrufen. Eine Wirkung tritt dann auf, wenn der Teil für eine hundertprozentige metallurgische Verbindung gedacht ist; eine sich nicht über die gesamte Zwischenfläche erstreckende Verbindung ist eindeutig ein schlechterer Zustand. Ein anderer Effekt tritt auf, wenn die Verbindung entlang der Zwischenfläche eine metallurgische Verbindung und einen keine solche Verbindung aufweisenden Bereich enthält. Dieser letztere Effekt ist in Fig. 1 erläutert, wo als Beispiel ein kegelförmiger Knopf in dem Befestigungsbereich des zu Beginn festen Teils verwendet wird. Die beispielsweise Darstellung betrifft keinen bestimmten Gegenstand. Mit 10 ist der Ausgangsgegenstand bezeichnet, der dem eine anisotrope metallurgische Struktur enthaltenden Teil entspricht, während 11 das aufgegossene Material ist. Für Vergleichszwecke wurden in Fig. 1a die Gießfaktoren so geregelt, daß eine vollständige metallurgische Verbindung erzielt wurde und der erhaltene Gegenstand ist im belasteten strukturellen Sinn einstückig. Die Grenzlinie zwischen den beiden Teilen bildet einen Legierungsbereich, welcher Belastungen über die mittels einer

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gestrichelten Linie 12 bezeichnete Grenzlinie übertragen kann. Eine Abweichung von diesem idealen Zustand ist in Fig. 1b gezeigt, wo ein mit 13 bezeichneter kleiner Bereich einer schlechten metallurgischen Verbindung auftritt. Das Material ist auf jeder Seite dieser Zwischenfläche unter einer Belastung zur Trennung bereit uud die Übergänge dieser getrennten Fläche 13 und des vollständig verbundenen Bereichs 12 bilden die Spitzen einer Einkerbung 14. Der nicht verbundene Bereich ist daher ein als Fehlstelle oder Riß bezeichneter sogenannter "Spannungszüchter". Unter der Einwirkung einer Last, z.B. einer entlang der Längsachse von 10 angelegten Spannung, insbesondere wenn diese wiederholt auftritt, wie es für einen häufigen Betrieb typisch ist, neigt die Einkerbung zur Bildung von Rissen, die sich gegebenenfalls bis zu einem Bruch steigern können. Die auf diesem Kerbeffekt beruhende Festigkeitsabnahme addiert sich zu dem ersten vorstehend angegebenen Effekt, bei welchem in der nicht gebundenen Zone einfach die Fläche verkleinert wird, über welche eine Belastung übertragen wird.

Vorstehend wurde die übliche Methode zum Bau eines Turbinenrads besprochen, bei welcher einzelne Schaufeln mechanisch in Nuten in Stellung gehalten werden, die in den Nabenkranz einer getrennt hergestellten Turbinenscheibe eingefräst sind. Die räumliche Anordnung der Befestigung ist dabei in einigen Fällen der in Fig. 1 dargestellten sehr ähnlich, es ist eine sogenannte Schwalbenschwanzbefestigung mit einem einzigen Vorsprung, wie dies Fig. 1 zeigt oder mit mehreren Vorsprüngen; im letzteren Falle spricht man dann von einer Tannenbaumbefestigung. Bei solchen Befestigungen verläuft

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die Grenze zwischen den beiden Materialien, d.h. denen der Schaufeln und der Scheibe in dem besprochenen spezifischen Fall, kontinuierlich. In Fig. 2 ist dies für eine Schwalbenschwanzbefestigung der in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Art dargestellt, wobei mit 10 der Schaufelteil bezeichnet ist, der in eine Nut in einem Teil einer Scheibe 15 eingesetzt ist. Da die mit 16 bezeichnete Grenzlinie zwischen der Schaufel 10 und der Scheibe 15 rein mechanisch und kontinuierlich ist, tritt die in Fig. 1b dargestellte ungünstige Kerbe nicht auf.

Die beiden extremen Befestigungsarten, nämlich einmal 100% metallurgisch und zum andern 100% mechanisch, sind in der Regel einer gemischten Befestigungsart überlegen, insbesondere wenn starke Belastungen auftreten, wie z.B. in einem Turbinenrad. Vorstehend wurde gezeigt, daß eine auf einer metallurgischen Verbindung unter Anwendung bekannter Methoden basierende Befestigungsart, d.h. eine auf einer Legierungsbildung durch Schmelzen oder Diffusion beruhende Befestigung, Verbindungen ergibt, die nur schwer zu untersuchen, unzuverlässig und von minderer Qualität sind. Andererseits ist eine rein mechanische Verbindung unter Anwendung von maschinell angebrachten räumlichen Sperren oder miteinander in Eingriff kommenden Flächen eine annehmbare und erprobte Methode. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erzielung einer ausreichenden mechanischen Verbindung und nicht auf einer metallurgischen Verbindung; tatsächlich bemüht sie sich, jede metallurgische Verbindung zwischen dem erstarrten geschmolzenen Metall und der Vorform zu vermeiden.

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In Fig. 3 ist eine Vorform mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften-in dem dargestellten Fall ein Profilteil mit säulenförmigen, mit 21 bezeichneten,entlang der Achse der Hauptbeanspruchung verlaufenden Körnern 21 mit 20 bezeichnet. An entgegengesetzten Enden des Teils 20 befindet sich ein Paar Vorsprünge 22 und 23 mit im Abstand voneinander befindlichen Öffnungen 24 bzw. 25 darin. Die Vorsprünge 22 und 23 sind so angeordnet, daß sie de η Profilteil 20 bei dem anschliessend durchgeführten Metallguß verankern, wobei die Öffnungen 24 und 25 die mechanische Verbindung zwischen dem erstarrten geschmolzenen Metall und der aus dem Profilteil bestehenden Vorform erleichtern. Andere Vorrichtungen zur Erleichterung der mechanischen Verbindung können natürlich verwendet werden wie Schlitze, Nuten, Rinnen, Verjüngungen oder Gewinde. Diese mechanische Verbindung wird durch die durch das erstarrende Metall ausgeübten Druckkräfte gefördert.

Eine Einwegmodellanordnung wird dann wie in Fig. 4 dargestellt aufgebaut. Der Profilteil 20 wird zwischen zwei sich entsprechenden gleichen Teilen 26 und 27 der Versteifungsbänder gehalten, mit denen der Profilteil 20 verbunden werden soll. Das Modell kann aus Wachs, Polystyrol oder Mischungen der beiden bestehen. Die Versteifungsbandmodelle 26 und 27 sind mit Angußtrichter bildenden Teilen 28 bzw. 29 verbunden, die von einem Angußtrichter oder -kanal 30 gespeist werden; all diese Teile bestehen aus dem Einwegmaterial des Modells,

Wie breits gesagt, kann der Profilteil 20 aus einem beliebigen Material mit anisotropen metallurgischen Eigenschaften bestehen. Gerichtet erstarrte Legierungen von Nickel und Kobalt sind für diesen Zweck besonders ge-

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eignet. Die Chemie dieser Legierungen ist im Lauf der Jahre entwickelt worden und bildet kein besonderes Merkmal der Erfindung. Zur Erläuterung der chemischen und anderer Eigenschaften von Nickel- und Kobaltsuperlegierungen wird auf die Tabelle 1 im Anhang der "The Superalloys" betitelten Arbeit von Sims et al., veröffentlicht bei John Wiley & Sons, verwiesen. Die Tabelle 1 auf den Seiten 596 und 597 zählt viele handelsübliche Nickel- und Kobaltsuperlegierungen auf und auf die dortige Beschreibung wird hiermit Bezug genommen.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung wird dann einem üblichen Präzisionsgußverfahren unterworfen. Obwohl viele Möglichkeiten zur Herstellung von Gießformen dieser Art bestehen, wird erfindungsgemäß doch bevorzugt die in der US-Patentschrift 2 932 864 beschriebene Methode angewendet. Bei der dort beschriebenen Methode wird ein zerstörbares Modell des herzustellenden Gegenstands bei Raumtemperatur durch Eintauchen in eine hochschmelzende Teilchen und ein Bindemittel enthaltende wässrige Aufschlämmung überzogen. Dieser Überzug wird dann isotherm getrocknet, so daß die Temperatur des Modells konstant bleibt. Das Trocknen erfolgt durch Überleiten von Luft mit geregelter Feuchtigkeit über das überzogene Modell, wobei die Luft soviel Feuchtigkeit enthält, daß eine etwa konstante Temperatur der feuchten Thermometerkugel aufrechterhalten wird, die etwa der Äusgangstemperatur des Modells entspricht und wobei die Temperatur der trockenen Thermometerkugel um mindestens 10⁰F höher liegt als die der feuchten. Das Modell wird dann in weitere wässrige Aufschlämmungen aus dem hochschmelzenden Stoff unter Bildung aufeinanderfolgender Schichten auf dem Modell getaucht. Jede nachfolgende Schicht wird wie vorstehend

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beschrieben isotherm getrocknet, während man die Temperatur des Modells im wesentlichen konstant hält. Schließlich wird das Modell entweder in einem Ofen oder in einem Autoklav herausgeschmolzen.

Die dabei erhaltene Form ist in Fig. 5 der Zeichnung dargestellt. Sie enthält einen Trichterteil 31, durch welchen ein Paar Speisungskanäle 32 und 33 gespeist werden, die wiederum ein Paar Gußhohlräume 34 und 35 speisen, welche die Versteifungsbänder der Profilteilanordnung bilden sollen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Form bei einer Temperatur von etwa 87O⁰C zur Oxidation mindestens der Anteile, wie der Vorsprünge 22 und 23, welche die mechanische Verbindung mit anschliessend aufgegossenen Legierung bilden sollen, gebrannt. Andererseits kann der Blatt- oder Profilteil mit einem nichtmetallischen Trennmaterial durch Aufsprühen, Tauchen oder Bestreichen unter Verwendung geeigneter Binder vorüberzogen werden. Zu diesem Zweck können verschiedene keramische Stoffe, z.B. SiOp oder ZrOo verwendet werden, die mit hochschmelzenden Bindemitteln in Stellung gehalten werden oder man verwendet geschmolzene glasartige Überzüge. Noch andere Methoden zur Aufbringung solcher Trennmaterialien sind das sogenannte Flammsprühen oder Plasmasprühen unter Bildung einer keramischen Oberflächenschicht. Die Trennschicht kann auch so erzielt werden, daß man zuerst eine Schicht aus einem Metall aufbringt, das sich besonders für eine anschliessende Umwandlung in eine keramische Form durch Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre eignet.

Das geschmolzene Metall wird dann unter Überhitzung über

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den Schmelzpunkt soweit eingegossen, daß es alle Ausnehmungen der Form ausfüllt, die Überhitzung ist Jedoch nicht so.hoch, daß ein Schmelzen der Vorform eintritt. Für Nickel- oder Kobaltsuperlegierungen ist eine Überhitzung um 83 bis 19^⁰C über den flüssigen Zustand, d.h. die Temperatur des vollständigen Schmelzens, in der Regel annehmbar. Solche Temperaturen liegen für übliche Legierungen im Bereich von 1427°C und ergeben ein beträchtliches Temperaturgefälle zwischen der Form und dem überhitzten Metall. Die Anteile des geschmolzenen Metalls, welche die Vorsprünge oder Ansätze 22 und 23 umgeben^ kühlen daher unter Entstehung von sehr feinen säulenförmigen, senkrecht zu der Zwischenfläche verlaufenden Körnern sehr rasch und nahezu sofort ab. Diese feinkörnige Struktur ist äusserst erwünscht, da sie den grobkörnigeren Gußstrukturen in ihren mechanischen Eigenschaften überlegen ist. Außerdem ist der steile Temperaturgradient, wie er sich in den Abschreckungskörnern zeigt, ein Anzeichen dafür, daß die Erstarrung so verläuft, daß das rasch abgekühlte Metall in Nähe der Zwischenfläche eine wesentlich geringere Neigung zur Ausbildung einer Schrumpfporösität zeigt; es ist dies für den Fachmann in Bezug auf die metallurgische Qualität und die mechanischen Eigenschaften eindeutig ein günstiges Merkmal.

Die Wahl des jeweiligen geschmolzenen Metalls für das Versteifungsband steht im wesentlich frei. Beispielsweise kann dieses Metall eine Nickel- oder Kpbaltsuperlegierung oder eine hochtemperaturbeständige Eisenlegierung sein. Überraschenderweise können erfindungsgemäß höherschmelzende Legierungen für den Versteifungsbandanteil als für den Profilteil der Schaufel verwendet werden.und zwar wegen der herrschenden großen Wärmeübertragungs

Die Trennschicht an der Zwischenfläche zwischen der Vorform und dem erstarrenden Metall soll eine geringere

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Wärmeleitfähigkeit als jedes der "beiden zu verbindenden Metalle aufweisen. Eine solche Trennschicht verhindert eine Vermischung oder Legierungsbildung der beiden Metalle. Diese Trennschicht kann sehr dünn sein und etwa 1 Tausendstel Zoll oder weniger betragen.

Das bei den bekannten Verfahren vorgesehene Hochvakuum bei der Vorerhitzung während der Herstellung von bimetallischen Gußstücken ist erfindungsgemäß nicht erforderlich. Wie gesagt, kann die Vorerhitzung der Form in einer oxidierenden Atmosphäre erfolgen und der Guß kann dann unter massigen Vakuumbedingungen stattfinden. Das erfindunsgemäße bimetallische Gießverfahren erfordert kein unbedingtes Vakuum, da die gewünschte Verbindung mechanisch und nicht metallurgisch ist. Das beim Schmelzen angewendete Vakuum braucht daher nur für das spezifische zu vergiessende Material ausreichend zu sein. Besondere Vorsichtsmaßnahmen für das Vorliegen sehr sauberer Oberflächen an der Zwischenfläche sind erfindungsgemäß nicht erforderlich. Im Fall von Legierungen, die für gewöhnlich in Luft geschmolzen werden, z.B. viele Kobaltsuperlegierungen, kann das Schmelzen und Gießen ohne Anwendung von Vakuum überhaupt erfolgen, was im ausgeprägten Gegensatz zu den bisherigen Methoden zur Erzielung einer metallurgischen Verbindung steht..

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung einer großen Vielzahl komplexer Formen Anwendung finden, wobei die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften jedes Teils der fertigen Form zur Geltung kommen. Das Verfahren kann beispielsweise zum Gießen ganzer Turbinenräder um Schaufelblatt- oder Profilteile mit verschiedenen physikalischen und chemischen Eigenschaften angewendet

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werden. Das Verfahren eignet sich auch zum Gießen von Versteifungsbändern auf Profilteile, einzeln oder als Mehrfachanordnung, zur Erzielung von Schaufeln oder Schaufelsegmenten, wobei Legierungen kombiniert werden, deren Eigenschaften so zugeschnitten sind, daß sie den verschiedenen Betriebsbedingungen, wie sie in dem Profilteil und dem Versteifungsbandteil auftreten, entsprechen. Gegenstände, die als einheitliches Gußstück dazu neigen, eine Schrumpfporösität in den Bereichen zu zeigen, wo Profilteile auf die massiveren Befestigungsbereiche auftreffen, zeigen gemäß der Erfindung eine geringere Schrumpfporosität. Da solche bimetallischen Gußstücke auf einer eher mechanischen als metallurgischen Verbindung beruhen, entfällt die Unsicherheit und das Risiko, das in Folge fehlender Prüfmöglichkeiten und der Gefahr einer Verschlechterung bei Belastung in Anwesenheit selbst nur kleiner Stellen schlechter metallurgischer Verbindung besteht. Das Verfahren zur Erzielung einer mechanischen Verbindung erfordert eine viel weniger strenge Überwachung und die Verbindung wird leichter erzielt. Die thermischen Bedingungen sind so, daß keine sehr hohe Vorerhitzung und keine sehr hohen Gießbemperaturen erforderlich sind, so daß die Möglichkeit einer Erosion oder Schmelzens der Vorform vermieden wird. Infolgedessen sind die Ergebnisse des erfindungsgemässen Verfahrens weitgehend vorhersagbar.

Obwohl vorstehend das Verfahren spezifisch für Legierungskombinationen mit anisotropen metallurgischen Strukturen in der Vorform beschrieben wurde, sind solche anisotropen Strukturen doch kein Erfordernis für die erfolgreiche Anwendung des Verfahrens zur Erzielung einer

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mechanischen Verbindung unter gewollter Vermeidung einer metallurgischen Verbindung.

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Claims (16)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verbinden von zwei metallischen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, daß man auf mindestens den Teilen des ersten Formteils, die mit dem zweiten verbunden werden sollen, eine Trennschicht aufbringt, daß man ein verlorenes Modell mit der Gestalt des zweiten Formteils an dem ersten Formteil befestigt, um dieses Modell eine Präzisionsgußform bildet, das Modell unter Verbleib eines Gießhohlraums mit der für den zweiten Formteil gewünschten Gestalt entfernt, geschmolzenes Metall in diesen Gießhohlraum eingießt und das vergossene Metall unter Bildung eines mit dem ersten metallischen Formteil unter Vermeidung einer metallurgischen Bindung verbundenen zweiten Form-■ teils abkühlt, "

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Formteil anisotrope metallurgische Eigenschaften besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Formteil eine längliche Kornstruktur besitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Formteil aus einem gerichtet erstarrten Gußstück mit säulenförmiger Kornstruktur besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Formteil aus einem gerichtet erstarrten Gußstück mit etwa eutektischer Zusammensetzung besteht.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Formteil aus einem Verbundmaterial mit einer faserverstärkten Metallmatrix besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Formteil die Abmessungen einer Tragfläche oder 'eines Profilteils besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch Erhitzen der den ersten Formteil enthaltenden Form in Luft auf eine zur Erzielung einer Oxidschicht auf diesem ersten Formteil ausreichende Temperatur gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Formteil auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur als das gegossene geschmolzene Metall gehalten wird, so daß das auf diesen ersten Formteil aufgegossene geschmolzene Metall abgeschreckt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Formteil aus einer Superlegierung auf Nickelbasis besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Formteil aus einer Superlegierung auf Kobaltbasis besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Formteil Öffnungen für eine mechanische Verzahnung mit dem erstarrten Metall des zweiten Formteils aufweist.

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13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht im wesentlichen aus einer keramischen Zusammensetzung besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht aus einem geschmolzenen Glas besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch Aufsprühen von geschmolzenem Metall gebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht durch -Oxidation eines vorher auf den ersten Formteil aufgebrachten Metallüberzugs gebildet wird.

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