DE4209227C1

DE4209227C1 - Single crystal superalloy components, e.g. turbine blade or artificial hip joint

Info

Publication number: DE4209227C1
Application number: DE4209227A
Authority: DE
Inventors: Peter R. Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen De Sahm; Juergen Dr.-Ing. Vaals Nl Schaedlich-Stubenrauch; Joan Dipl.-Ing. 6350 Bad Nauheim De Stanescu
Original assignee: Access Ev 5100 Aachen De
Current assignee: Access Ev 5100 Aachen De
Priority date: 1992-03-21
Filing date: 1992-03-21
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2012-03-22

Abstract

Superalloy component, e.g. turbine blade or artificial hipjoint, is mfd. from molten Ni or Co-base alloy which is melted inor cast into a mould (1), consisting at least on its inside ofAl2O3/B2O3 mixt. contg. an undercooling chamber (26) in whichmax. undercooling is obtained. Induction coil (7) and insulationblock (8) produce a temp. gradient and growth of a single crystalis obtained via a narrow-section selector (17) connecting themould to the chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus Superlegierungen.The invention relates to a method and a device for the production of components made of superalloys.

Für die Herstellung hochbeanspruchter Bauteile, z. B. Turbinenschaufeln oder künstlichen Hüftgelenken, werden bevorzugt Superlegierungen auf einer Nickel- oder Kobalt-Basis verwendet. Diese Superlegierungen weisen eine hohe Temperaturfestigkeit und Korro sionsbeständigkeit auf. Außerdem besitzen sie einen relativ großen Elastizitätsmodul. Da mit diese positiven Eigenschaften der Superlegierungen in Erscheinung treten, müssen ihre Schmelzen auf eine bestimmte Weise erstarren und ein möglichst einkristallines Gefüge bilden. Die Art der Erstarrung ist dabei in der Regel die sogenannte gerichtete Erstarrung, bei welcher die Erstarrung aufgrund eines vorgegebenen Temperaturgradienten entlang ei ner Raumkoordinate fortschreitet.For the production of highly stressed components, eg. As turbine blades or artificial Hip joints are preferred superalloys on a nickel or cobalt basis used. These superalloys have high temperature resistance and corro sion resistance. In addition, they have a relatively large modulus of elasticity. because with these positive properties of the superalloys must appear their Solidify melting in a certain way and a monocrystalline structure as possible form. The type of solidification is usually the so-called directional solidification, in which the solidification due to a predetermined temperature gradient along ei a space coordinate progresses.

Die gerichtete Erstarrung wird in der Regel mit einer Vorrichtung erreicht, die eine mit ei ner Legierung gefüllte Gießform aufweist, die von einer Induktionsspule umgeben ist, wel che die Legierung durch induktive Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur bringt, während auf der Unterseite der Gießform eine Kühlplatte vorgesehen ist (DE-A 39 19 920). Zwischen der Aufheizzone und der Kühlzone ist ein sogenanntes "baffle" vorgese hen, das eine thermische Isolierung darstellt. Nachteilig ist hierbei, daß die Wärme nur über den bereits erstarrten Teil der Schmelze abgeführt wird. Mit zunehmender Länge der erstarrten Zone sinkt jedoch die Abkühlrate, so daß nur durch aufwendige Maßnahmen, z. B. durch getrennt steuerbare Ofenheizelemente, ein weitgehend gleichmäßiger Wärme fluß während der Abkühlungsphase möglich ist. The directional solidification is usually achieved with a device that has a with egg ner filled casting mold, which is surrounded by an induction coil, wel the alloy is brought to a certain temperature by inductive heating, while a cooling plate is provided on the underside of the mold (DE-A 39 19 920). Between the heating zone and the cooling zone, a so-called "baffle" is vorgese hen, which represents a thermal insulation. The disadvantage here is that the heat only is removed via the already solidified part of the melt. With increasing length of solidified zone, however, the cooling rate drops, so that only through costly measures, z. B. by separately controllable Ofenheizelemente, a largely uniform heat flow during the cooling phase is possible.

Es ist indessen auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks aus in einer Richtung erstarrten Metallegierung bekannt, bei dem eine Legierung progressiv in einer Gießform abgekühlt und ein in einer Richtung parallel zu einer gegebenen Richtung der Legierungs masse verlaufendes Temperaturgefälle aufrechterhalten wird (DE-B 26 09 949). Hierbei wird die Gesamtheit der Legierung zunächst in ein metastabiles Unterkühlungsgleich gewicht in Form einer homogenen Flüssigkeit gebracht und dann das Unterkühlungs gleichgewicht aufgehoben, wodurch die Erstarrung der Legierung in Form eines Körpers mit einer dendritischen Kristallisationsstruktur hervorgerufen wird mit Dendriten, deren Hauptachse parallel zur Richtung des Temperaturgefälles verlaufen.However, it is also a method of manufacturing a casting in one direction solidified metal alloy known in which an alloy is progressively in a mold cooled and one in a direction parallel to a given direction of the alloy mass extending temperature gradient is maintained (DE-B 26 09 949). in this connection the entirety of the alloy is first transformed into a metastable supercooling equation weight in the form of a homogeneous liquid and then the supercooling lifted equilibrium, causing the solidification of the alloy in the form of a body with a dendritic crystallization structure is caused by dendrites whose Main axis parallel to the direction of the temperature gradient.

Ein ähnliches Gießverfahren mit schlagartiger gerichteter Erstarrung ist aus der US-PS 40 57 097 bekannt. Die schlagartige Erstarrung der unterkühlten flüssigen Legierung wird hierbei durch Zerstörung des metastabilen Gleichgewichts der unterkühlten Schmelze be wirkt, beispielsweise indem an der Stelle mit der niedrigsten Temperatur ein mechanischer Schock ausgelöst wird.A similar casting process with sudden directional solidification is known from the US-PS 40 57 097 known. The sudden solidification of the supercooled liquid alloy becomes in this case by destruction of the metastable equilibrium of the supercooled melt be acts, for example, by a mechanical at the point with the lowest temperature Shock is triggered.

Bei diesen Verfahren der autonomen Erstarrung, bei denen aus thermisch unterkühlten Superlegierungsschmelzen ein orientiertes dendritisches Gefüge ohne gerichtete Erstarrung hergestellt werden kann, wird anstelle eines erzwungenen Kristallwachstums ein freies Wachstum ermöglicht, so daß die Wärme nicht nur über das erstarrte Material, sondern aus der unterkühlten Schmelze abgeführt werden kann (B. Lux, G. Haour, F. Mollard: Dyna mic undercooling of Superalloys, METALL, Heft 12, 1981, S. 1235-1239). Der Grundge danke besteht dabei darin, zuerst eine regelmäßige Anordnung oder Gruppierung von aus gerichteten Dendriten in einer unterkühlten Schmelze zu erzeugen und dann auf dieser die übrige Schmelze aufwachsen zu lassen. Wie Untersuchungen gezeigt haben, weist das nach diesem Verfahren hergestellte Material kein einkristallines Gefüge auf, son dern Körner unterschiedlicher Größe.In these methods of autonomous solidification, in which thermally supercooled Superalloy melts an oriented dendritic structure without directional solidification is made, instead of a forced crystal growth is a free Growth allows, so that the heat not only on the solidified material, but out the supercooled melt can be removed (B. Lux, G. Haour, F. Mollard: Dyna mic undercooling of Superalloys, METAL, Vol. 12, 1981, pp. 1235-1239). The Grundge Thank you, first of all, a regular arrangement or grouping of to generate directed dendrites in a supercooled melt and then on this the to grow up the remaining melt. As studies have shown, this shows material produced by this method does not have a monocrystalline structure, but grains of different sizes.

Diese Erscheinung wird dadurch erklärt, daß zu Beginn der Erstarrung mehrere Kristallisa tionszentren vorhanden waren. Während der Rekaleszenz einer noch unterkühlten Schmel ze, d. h. wenn sie sich im Bereich des Temperaturanstiegs befindet, entwickelt sich sehr schnell ein feines dendritisches Netzwerk, das die gesamte Schmelze durchzieht. Das in dieser Phase entstandene Dendritennetzwerk, das aus Dendritenachsen und Sekundärden dritenarmen besteht, bestimmt mit einer Orientierung bereits die Mikrostruktur des ge samten Bauteils oder Werkstücks. Nach der Rekaleszenz erstarrt die Restschmelze in den interdendritischen Räumen bei einer geringeren Unterkühlung. Tertiärdendriten wachsen in die verbleibenden Bereiche der Restschmelze. Durch die relativ langsamen Abkühl geschwindigkeiten während dieser Phase kann sich das bei der Rekaleszenz entstandene Gefüge infolge ablaufender Wachstums- und Reifungsprozesse, der sog. Ostwald-Reifung, vergröbern.This phenomenon is explained by the fact that at the beginning of the solidification several crystalliza centers were available. During the recalescence of a still supercooled melt ze, d. H. when it is in the range of temperature rise, it develops a lot quickly a fine dendritic network that pervades the entire melt. This in This phase resulted dendritic network consisting of dendrite axes and secondary den the third is determined by an orientation already determines the microstructure of ge entire component or workpiece. After recalescence, the residual melt solidifies in the interdendritic spaces with less hypothermia. Tertiary dendrites grow in the remaining areas of the residual melt. Due to the relatively slow cooling velocities during this phase may be the result of recalescence Microstructure as a result of ongoing growth and maturation processes, the so-called Ostwald ripening, coarsen.

Schließlich ist auch noch eine Vorrichtung für die Herstellung einer Superlegierung auf Nickel-Basis mittels der autonomen gericheten Erstarrung bekannt, bei der ein induktiv aufgeheizter Graphitsuszeptor als Wärmequelle für die zu unterkühlende Legierung dient (INGENIEUR-WERKSTOFFE, 1990, Nr. 10, S. 64, 65). Dieser Suszeptor weist eine inne re Ausnehmung auf und ist außen von einem Tiegel umgeben, der seinerseits von einem Metallgehäuse umgeben ist, das auf seiner Außenseite wassergekühlte Mittelfrequenz-In duktionsspulen trägt. In der inneren Ausnehmung des Suszeptors ist ein Tiegel angeordnet, in dem sich die Legierungsschmelze befindet.Finally, there is also a device for the production of a superalloy Nickel base known by the autonomous directed solidification, in which an inductive heated graphite as a heat source for the undercooling alloy serves (ENGINEERING MATERIALS, 1990, No. 10, p. 64, 65). This susceptor has one inside Re recess on and outside is surrounded by a crucible, which in turn from a Metal housing is surrounded, on its outside water-cooled center frequency In carries production coils. In the inner recess of the susceptor, a crucible is arranged, in which the alloy melt is located.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung einer Legierung mittels der autonomen gerichteten Erstarrung zu schaffen, mit dem es möglich ist, auch größere Werkstücke, z. B. Turbinenschaufeln, vollständig aus einkristallinem Gefüge herzustellen.The invention has for its object to provide a method and an apparatus for the Making an alloy by means of autonomous directional solidification, with it is possible, even larger workpieces, z. B. turbine blades, completely off to produce a monocrystalline structure.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 12 gelöst.This object is achieved according to the features of claims 1 and 12.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß einerseits das sehr kostengünstige und schnelle Verfahren der autonomen gerichteten Erstarrung Anwendung findet und andererseits die Nachteile dieses Verfahrens, d. h. die relativ grobe oder poly kristalline Struktur des Gefüges, vermieden wird, wodurch auch die Korngrenzen ver schwinden. Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, einkristalline Turbinenschaufeln aus ei ner unterkühlten Schmelze reproduzierbar herzustellen. Durch einen einfachen Stift kann die Erstarrung mechanisch initiiert werden. Um die Einkristallinität zu gewährleisten, wird ein Selektor verwendet. Besonders vorteilhaft ist auch die Verwendung einer Gießform, die wenigstens auf ihrer Innenseite aus Al₂O₃ und B₂O₃ besteht. Für den Einsatz der Er findung sind Legierungen besonders geeignet, die nur geringe Gehalte an karbid-, oxid- oder nitridbildenden Elementen und geringe Gehalte an B, C, Zr aufweisen, z. B. sollte deren C-Gehalt <0,009% sein. The advantage achieved by the invention is, in particular, that on the one hand the very cost-effective and rapid method of autonomous directional solidification application and on the other hand, the disadvantages of this method, d. H. the relatively rough or poly crystalline structure of the structure is avoided, whereby the grain boundaries ver dwindle. With the aid of the invention, it is possible to monocrystalline turbine blades from egg ner produce supercooled melt reproducible. Through a simple pen can the solidification be initiated mechanically. To ensure the monocrystallinity, is used a selector. Particularly advantageous is the use of a mold, which consists at least on its inside of Al₂O₃ and B₂O₃. For the use of Er Alloys are particularly suitable, the only low levels of carbide, oxide or nitride-forming elements and low levels of B, C, Zr, e.g. B. should their C content is <0.009%.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and is in the fol described in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Gießform für ein Werkstück, wobei die in der Gießform befindliche Legierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgekühlt wird; Figure 1 shows a mold for a workpiece, wherein the alloy located in the casting mold is cooled by the inventive process.

Fig. 2 eine Abkühlkurve für eine Legierung; Fig. 2 is a cooling curve for an alloy;

Fig. 3 eine Gießform entsprechend Fig. 1, deren Inhalt statt mit einer Induktions spule mit einer Widerstandsheizung aufgeheizt wird; Fig. 3 is a mold according to Figure 1, the content is heated instead of an induction coil with a resistance heater.

Fig. 4 zwei Gießformen im Traubenaufbau. Fig. 4 shows two molds in the grape structure.

In der Fig. 1 ist eine Formschale oder Gießform 1 gezeigt, in der sich eine flüssige Metall- Legierung 2 befindet. Diese Metall-Legierung 2 wird vorzugsweise außerhalb der Form schale 1 verflüssigt und dann in die Formschale 2 eingegossen. Die Temperatur der ver flüssigten Metall-Legierung beträgt hierbei z. B. 1500°C. Findet der Schmelzvorgang außerhalb der Gießform 1 statt, so wird eine Behandlung der Schmelze vorgenommen, die es ermöglicht, eine keimarme Schmelze in die Gießform einfließen zu lassen. Die Form schale 1 ist in ihrem mittleren Bereich 20 so ausgebildet, daß ihre inneren Konturen den äußeren Konturen eines zu gießenden Werkstücks entsprechen. In der Fig. 1 sind die Konturen eines speziellen Werkstücks nicht zu erkennen, weil die Formschale 1 stark schematisiert dargestellt ist. Im oberen Bereich 21 weist sie einen inneren Kranz 3 auf, der ein Filter 4 trägt, mit dem große Verunreinigungen abgefangen werden, z. B. Keramikpar tikel oder Schlackenpartikel aus dem Schmelztiegel. Um die Formschale 1 herum ist ein Graphit-Suszeptor 5 angeordnet, der seinerseits von einer Metallhülle 6 umgeben ist, die eine wassergekühlte Induktionsspule 7 trägt. Die Spule 7 kann hierbei z. B. oben dichter gewickelt sein als unten. Eine direkte induktive Aufheizung der Schmelze erfolgt mit der Anordnung gemäß Fig. 1 nicht, weil durch die hierbei auftretende Rückwirkung der Temperaturgradient der im mittleren Bereich befindlichen Schmelze 14 zerstört würde, weshalb der Graphit-Suszeptor für die induktive Aufheizung gewählt wird.In Fig. 1, a mold shell or mold 1 is shown, in which a liquid metal alloy 2 is located. This metal alloy 2 is preferably liquefied outside the mold shell 1 and then poured into the shell mold 2 . The temperature of the ver-liquid metal alloy is in this case z. B. 1500 ° C. If the melting takes place outside of the casting mold 1 , a treatment of the melt is carried out, which makes it possible to incorporate a low-germ melt into the casting mold. The mold shell 1 is formed in its central region 20 so that their inner contours correspond to the outer contours of a workpiece to be cast. In Fig. 1, the contours of a specific workpiece can not be seen, because the mold shell 1 is shown in a highly schematic. In the upper region 21 , it has an inner ring 3 , which carries a filter 4 , are intercepted with the large impurities, for. B. ceramic particles or slag particles from the crucible. Around the mold shell 1 , a graphite susceptor 5 is arranged, which in turn is surrounded by a metal shell 6 which carries a water-cooled induction coil 7 . The coil 7 can in this case z. B. be wrapped up dense than below. A direct inductive heating of the melt does not take place with the arrangement according to FIG. 1, because the temperature gradient of the melt 14 located in the middle region would be destroyed by the reaction occurring in this case, which is why the graphite susceptor is selected for inductive heating.

Die Formschale 1 sitzt mit dem Boden 10 ihres unteren Bereichs 26 auf einem Isolierblock 8 auf, der auf dem Boden 9 der Metallhülse 6 angeordnet ist. In diesem Isolierblock befin den sich gut wärmeleitende Kühlblöcke 22, 23, durch die Kühlrohre 24, 25 geführt sind, in denen Kühlwasser fließt. Der untere Bereich 26 der Formschale 1 ist als eigenständiger Behälter von flüssiger Schmelze 16 ausgebildet, der nur über einen Selektor 17 mit dem mittleren Bereich 20 in Verbindung steht. Dieser Selektor 17 ist helixförmig ausgebildet und hat einen inneren Durchmesser von 2 bis 10 mm. Außer einem helixförmigen Selektor könnte auch ein anderer bekannter Selektor Verwendung finden (vgl. hierzu F. J. Feikus: "Technologie der einkristallinen Erstarrung hochchromhaltiger Nickelbasissuperlegierun gen", Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 5: Grund- und Werkstoffe, Nr. 147, 1988).The mold shell 1 is seated with the bottom 10 of its lower portion 26 on an insulating block 8 which is arranged on the bottom 9 of the metal sleeve 6 . In this insulating block befin the good heat conducting cooling blocks 22, 23 , are guided by the cooling tubes 24, 25 , in which cooling water flows. The lower portion 26 of the shell mold 1 is formed as a separate container of liquid melt 16 , which communicates only with a selector 17 with the central region 20 . This selector 17 is helical and has an inner diameter of 2 to 10 mm. In addition to a helical selector, another known selector could be used (see, in this regard, FJ Feikus: "Technology of monocrystalline solidification of high-chromium nickel base superalloys", Progress Reports VDI, Series 5: Materials, No. 147, 1988).

Der Abstand d zwischen dem Boden des Behälters 26 und der Oberkante der Kühlblöcke 22, 23 legt weitgehend den Abkühleffekt fest. Durch den Boden 9 des Isolierblocks 8 und den Boden 10 der Formschale 1 führt eine Öffnung 11, durch die ein Stift 12 geführt ist. Dieser Stift 12 dient zur Auslösung eines Kristallisationsvorgangs. Dieser Vorgang kann jedoch ohne Stift ausgelöst werden. Allerdings ist dann die Erstarrung nicht exakt bei einer definierten Unterkühlung zu starten, sondern sie beginnt von selbst, wenn die durch das System Formschale/Legierung vorgegebene maximale Unterkühlung erreicht ist.The distance d between the bottom of the container 26 and the upper edge of the cooling blocks 22, 23 largely determines the cooling effect. Through the bottom 9 of the insulating block 8 and the bottom 10 of the shell mold 1 performs an opening 11 through which a pin 12 is guided. This pin 12 serves to trigger a crystallization process. However, this process can be triggered without a pen. However, then the solidification is not exactly start at a defined supercooling, but it starts by itself, if the specified by the system shell mold / alloy maximum supercooling is reached.

Es sei angenommen, daß mit der Formschale 1 eine Turbinenschaufel hergestellt werden soll, die aus der Superlegierung CMSX6 besteht, die folgende Zusammensetzung aufweist:It is assumed that the mold shell 1 is to be used to produce a turbine blade which consists of the superalloy CMSX6, which has the following composition:

NiNi -70,3 Gew.-%-70.3% by weight CrCr - 9,8 Gew.-%- 9.8% by weight Alal - 4,85 Gew.-%4.85% by weight TiTi - 4,7 Gew.-%4.7% by weight TaTa - 2,1 Gew.-%2.1% by weight FeFe - 0,5 Gew.-%0.5% by weight MoMo - 2,8 Gew.-%2.8% by weight CoCo - 5,2 Gew.-%- 5.2% by weight HfHf - 0,01 Gew.-%0.01% by weight MnMn < 0,01 Gew.-%<0.01% by weight CC < 0,006 Gew.-%<0.006 wt% SS < 0,05 Gew.-%<0.05% by weight NN 10 ppm10 ppm OO 9 ppm9 ppm

Wenigstens die Innenwand der Formschale, die mit der Schmelze 2, 14, 16 in Berührung kommt, besteht hierbei aus einer Mischung aus Al₂O₃ und B₂O₃. Hierdurch wird die Schmelze weitgehend keimfrei gehalten. At least the inner wall of the shell mold, which comes into contact with the melt 2, 14, 16, in this case consists of a mixture of Al₂O₃ and B₂O₃. As a result, the melt is kept largely germ-free.

Mit Hilfe der Induktionsspule 7, die mit einer mittelfrequenten Wechselspannung betrie ben wird, wird das Material 14 in der Formschale 1 auf ca. 1500°C aufgeheizt. Das Wech selfeld der Induktionsspule 7 durchdringt dabei die Metallhülle 6, die aus einem nicht magnetischen Metall besteht und gelangt zu dem Graphit-Suszeptor 5, den es induktiv er wärmt. Die von dem Suszeptor 5 abgestrahlte Wärme bringt die Legierung in der Form schale 1 dabei auf die erwähnte Temperatur von 1500°C. Ist diese Temperatur erreicht, d. h. ist das Legierungsmaterial 14 überall flüssig, wird die Stromzufuhr zu der Induktions spule 7 unterbrochen, worauf sich der Graphit-Suszeptor 5 allmählich abkühlt. Die Ab kühlung erfolgt sehr langsam. Die Festlegung der Stelle der größten Unterkühlung erfolgt vorzugsweise durch das Zusammenwirken mehrerer Maßnahmen, beispielsweise indem die Induktionsspule 7 unterschiedliche Wicklungen aufweist und/oder indem der Tempera turgradient durch getrennt gesteuerte Widerstandsheizelemente eingestellt wird und/oder indem die Dicke der Isolation zwischen Schmelze und Isolierblock 8, der mittels Wasser gekühlt werden kann, auf einen bestimmten Wert festgelegt wird. Prinzipiell kann die Un terkühlung durch Nichtheizen als auch durch kontrolliertes Abkühlen realisiert werden. Die Einstellung eines Temperaturgradienten in Längsrichtung kann auch nach dem Sulzer- Verfahren erfolgen, d. h. es kann in eine auf 1500°C vorgeheizte Formschale gegossen und dann das System auf geeignete Weise isoliert werden. Für die Einstellung eines hohen Gradienten nur im Ankeim- bzw. Selektorbereich wird eine gleichmäßig hohe Unterküh lung oberhalb der Nukleationstemperatur im Schaufelbereich erzeugt, und zwar bei gleich zeitiger Einstellung eines Temperaturgradienten im Ankeim- oder Helixbereich, um so ein lokales Unterschreiten der Keimbildungstemperatur zu erreichen. Hat das Legierungsmate rial 14 eine bestimmte Temperatur erreicht, wird mit dem Stift 12 in den unteren Bereich 16 des Legierungsmaterials 14, wo die größte Abkühlung auftritt, gestochen, um eine Keimbildung künstlich zu initiieren. Die Spitze 13 des Stifts 12 dringt hierbei nur wenig in den Bereich 16 ein. Um diese Spitze herum bilden sich Kristalle, die nach oben wandern und zu einem Selektor 17 gelangen, der die Form einer Schraubenwindung aufweist. Durch diesen Selektor 17 wird von mehreren Kristallkörnern nur eines ausgewählt. Der ausgewählte Einkristall wächst nun in den oberen Bereich des Legierungsmaterials 14 hin ein und füllt schließlich die ganze Formschale 1 aus. Statt mittels des Einstechens des Stifts 12 in die Schmelze kann die Keimbildung auch durch andere Methoden erreicht wer den, z. B. durch eine gezielte Erschütterung der Schmelze an der Stelle der Ankeimung oder durch Unterkühlen bis zur maximal möglichen Unterkühlung ohne Einwirkung durch Fremdkeime oder durch Erschütterungen bzw. durch schlagartige Erhöhung der Abkühlge schwindigkeit. Ein Ankeimen ist zwar erwünscht, aber nicht in jedem Fall erforderlich. Ist die Temperatur entlang der vertikalen Achse der Formschale nicht konstant, so kann auf das Ankeimen verzichtet werden. Dagegen ist ein Ankeimen erforderlich, wenn die Tem peratur entlang der vertikalen Achse überall gleich ist, d. h. der Temperaturgradient Null ist. Wenngleich auch ohne Temperaturgradient gearbeitet werden kann, wird er dennoch bevorzugt eingesetzt und durch eine nichtlineare Verteilung der Spulenwindungen oder durch unterschiedlich starke Abkühlung von Widerstandsheizern etc. erzeugt.With the help of the induction coil 7 , which is operated with a medium-frequency AC voltage ben, the material 14 is heated in the shell mold 1 to about 1500 ° C. The Wech selfeld the induction coil 7 penetrates the metal shell 6 , which consists of a non-magnetic metal and passes to the graphite susceptor 5 , which it inductively warms it. The heat radiated from the susceptor 5 brings the alloy in the form of shell 1 to the mentioned temperature of 1500 ° C. If this temperature is reached, that is, the alloy material 14 is liquid everywhere, the power supply to the induction coil 7 is interrupted, after which the graphite susceptor 5 gradually cools. The cooling is done very slowly. The location of the largest supercooling is preferably carried out by the interaction of several measures, for example by the induction coil 7 has different windings and / or by the tempera turgradient is adjusted by separately controlled resistance heating and / or by the thickness of the insulation between the melt and insulating 8 , which can be cooled by means of water, is set to a certain value. In principle, the cooling can be realized by non-heating as well as by controlled cooling. The adjustment of a temperature gradient in the longitudinal direction can also be carried out by the Sulzer method, ie it can be poured into a preheated to 1500 ° C mold shell and then the system can be isolated in a suitable manner. For the setting of a high gradient only in Ankeim- or selector area a uniformly high Unterküh ment is generated above the nucleation temperature in the blade area, namely at the same time setting a temperature gradient in Ankeim- or helical region, so as to achieve a local below the nucleation temperature. If the alloy Mate rial 14 reaches a certain temperature, is stung with the pin 12 in the lower portion 16 of the alloy material 14 , where the largest cooling occurs, to initiate nucleation artificially. The tip 13 of the pin 12 penetrates this little in the area 16 . Around this tip crystals are formed, which migrate upwards and reach a selector 17 , which has the form of a helical coil. By this selector 17 , only one of several crystal grains is selected. The selected single crystal now grows into the upper region of the alloy material 14 and finally fills the entire shell mold 1 from. Instead of means of piercing the pin 12 in the melt nucleation can be achieved by other methods who the, z. B. by a targeted vibration of the melt at the point of germination or by subcooling to the maximum possible hypothermia without exposure to foreign nuclei or shocks or by abruptly increasing the cooling speed. Although germination is desirable, it is not necessary in every case. If the temperature along the vertical axis of the shell mold is not constant, it can be dispensed with the germination. In contrast, germination is required when the temperature along the vertical axis is the same everywhere, ie the temperature gradient is zero. Although it is also possible to work without a temperature gradient, it is nevertheless preferably used and produced by a non-linear distribution of the coil windings or by different degrees of cooling of resistance heaters, etc.

In der Fig. 2 ist der Temperaturverlauf in der Schmelze in Abhängigkeit von der Zeit bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt. Man erkennt hierbei, daß die Tempe ratur in den ersten 500 Sekunden von etwa 1380°C auf 1310°C fällt. Dabei werden zuerst die Liquidus-Temperatur TLIQ und dann die Solidus-Temperatur TSOL unterschritten. Beim Erreichen der Temperatur T_L setzt die Rekaleszenz ein, d. h. die Temperatur steigt wieder bis zu einem Betrag T_W an, um hierauf wieder abzufallen. Der Bereich T_L-T_W charakterisiert somit die Rekaleszenzphase I. Die Postrekaleszenzphase II wird durch den Bereich T_W-T_SOL gekennzeichnet. Die in der Fig. 2 dargestellte Unterkühlung läuft in der Regel so ab, daß das Schmelzgut nach dem Aufschmelzen eine definierte Zeit mit einer definierten Temperatur überhitzt wird. Nach Beendigung der Erstarrung kann die Probe wieder aufgeheizt werden und damit ein neuer Zyklus beginnnen. FIG. 2 shows the temperature profile in the melt as a function of time in a preferred exemplary embodiment. It can be seen here that the temperature falls in the first 500 seconds from about 1380 ° C to 1310 ° C. In doing so, first the liquidus temperature TLIQ and then the solidus temperature TSOL are undershot. Upon reaching the temperature T _L , the recalescence sets in, ie the temperature rises again up to an amount T _W , in order to drop off again. The region T _L T _W thus characterizes the Rekaleszenzphase I. The Postrekaleszenzphase II is characterized by the area T _W -T _SOL. The supercooling shown in FIG. 2 generally proceeds in such a way that the melt is overheated after melting for a defined time at a defined temperature. After completion of the solidification, the sample can be reheated and thus start a new cycle.

Wie vorstehend beschrieben, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstel lung einkristalliner Bauteile Schmelzen bis zu einer Temperatur unterkühlt, bei der es möglich ist, die für eine Legierung bestimmter Zusammensetzung spezifische Erstarrungs wärme unter anderem in die unterkühlte Schmelze abfließen zu lassen, und zwar derart, daß sich die normalerweise dendritenartig wachsenden Kristalle, beginnend am Ort der Keimbildung, so weit ausbreiten, daß die ersten Dendritenspitzen das andere Ende des herzustellenden Bauteils erreicht haben, ohne daß ein der einkristallinen Ausbildung entge genwirkendes Wiederaufschmelzen - bedingt durch die Abgabe der Erstarrungswärme in der Schmelze - stattfindet.As described above, in the inventive method for the manufacture Melting monocrystalline components undercooled up to a temperature at which it possible, the specific solidification for an alloy of certain composition heat, among other things, to flow into the supercooled melt, in such a way that the normally dendrite-like growing crystals, starting at the place of Nucleation, spread so far that the first dendrite tips the other end of the achieved component without entge one of the monocrystalline training genome re-melting - due to the release of solidification heat in the melt - takes place.

Um zu erreichen, daß die nach oben wandernde Dendritenspitze vor einem durch die Ab gabe der Erstarrungswärme der Schmelze auftretenden Wiederaufschmelzen den größt möglichen Abstand vor der Keimstelle erreicht hat, wird eine größtmögliche Unterkühlung eingestellt. Das Wiederaufschmelzen tritt nur in der Postrekaleszenzphase auf; d. h. je größer die Unterkühlung ist, desto geringer fällt die Postrekaleszenzphase aus. Dadurch wird das Wiederaufschmelzen auf ein Minimum reduziert. In order to achieve that the upward migrating dendrite tip in front of a through the Ab Given the heat of solidification of the melt occurring re-melting the largest possible distance before the germinal site has reached, is a maximum of hypothermia set. The remelting occurs only in the post-recalescence phase; d. H. ever the higher the supercooling, the lower the post-recalculation phase. Thereby Remelting is reduced to a minimum.

Der Selektor 17, der im Windungsbereich eine Dicke von 3 bis 10 mm aufweist, dient für die Auswahl eines einzelnen zum Einkristall sich auszubildenden Kristalliten, wobei er dem Keimbildungspunkt an der Spitze des Stifts 12 vorgeschaltet ist und von dem Kristall zu durchlaufen ist, bis das eigentliche Bauteil im Bereich 14 vom wachsenden Kristall er reicht ist.The selector 17 , having a thickness of 3 to 10 mm in the winding area, serves to select a single crystallite to be formed into a single crystal, upstream of the nucleation point at the tip of the pin 12 and traversed by the crystal until the crystallization point actual component in the range 14 from the growing crystal he is enough.

Die Gießform der Formschale 1 ist auf ihrer Innenseite so ausgestaltet, daß eine Keim bildung zwischen dieser Innenseite und der Schmelze verhindert wird. Hierzu besteht die Innenseite vorzugsweise aus einer Mischung aus Al₂O₃ und B₂O₃.The mold of the shell mold 1 is designed on its inside so that a germ formation between this inside and the melt is prevented. For this purpose, the inside preferably consists of a mixture of Al₂O₃ and B₂O₃.

Der Temperaturgradient der Schmelze 14 beträgt je nach Legierung während der Unter kühlung vorzugsweise zwischen 0,0 und 10 K/cm. Der Punkt der größten Unterkühlung ist an einem Ende des herzustellenden Bauteils angesiedelt, ohne daß dieser Punkt der höch sten erreichten Unterkühlung entsprechen muß. Er sollte jedoch direkt an der Grenzfläche zwischen Keramik und Schmelze 16 liegen. Der Keimbildungsvorgang kann durch Anste chen der Legierung mit einem arteigenen oder einem artfremden Keim ausgelöst werden. Wird die Schmelze mit einem arteigenen Keim angestochen, so besteht der Stift 12 aus demselben Material wie die Schmelze 14. Andernfalls wird eine andere Superlegierung mit einem höheren Schmelzpunkt gewählt. Auch eine gezielte Erschütterung oder abrupte Ab kühlung der Schmelze kann die Keimbildung anregen. Eine abrupte Erhöhung der Abkühl geschwindigkeit kann z. B. dadurch erreicht werden, daß entweder der Wasserfluß durch eine Wasserkühlung im Block 8 erhöht wird oder daß die Gießform 1 aus dem Heizraum herausgezogen wird. Die Dicke des Blocks 8 ist maßgeblich für die Abkühlstärke, d. h. bei geeigneter Wahl dieser Dicke können unterschiedlich hohe Temperaturgradienten einge stellt werden. Als Legierungen werden vorzugsweise solche verwendet, die keine hetero gene Keimbildung vorzeitig auslösen können, z. B. durch Lieferung von Fremdteilchen, die durch Reaktionen in der Schmelze oder aus in der Schmelze verteilten feinen Disper sionen entstehen. Um die Schmelze vor dem Eingießen in die Gießform keimarm zu machen, wird sie mit einer B₂O₃-Schlacke in Kontakt gebracht und einige Male mit einer Temperatur von über 1500°C erhitzt.The temperature gradient of the melt 14 is depending on the alloy during the sub-cooling preferably between 0.0 and 10 K / cm. The point of greatest hypothermia is located at one end of the component to be produced, without this point must correspond to the highest achieved supercooling. However, it should be located directly at the interface between ceramic and melt 16 . The nucleation process can be triggered by puncturing the alloy with a species-specific or a foreign species. If the melt is pierced with a species-specific germ, the pin 12 is made of the same material as the melt 14 . Otherwise another superalloy with a higher melting point is chosen. A targeted vibration or abrupt cooling of the melt can also stimulate the formation of nuclei. An abrupt increase in the cooling speed can z. B. be achieved in that either the water flow is increased by a water cooling in the block 8 or that the mold 1 is pulled out of the boiler room. The thickness of the block 8 is decisive for the Abkühlstärke, ie with a suitable choice of this thickness different high temperature gradients can be turned. As alloys, preferably those are used which can not induce heterogeneous gene nucleation prematurely, z. B. by the supply of foreign particles, which are formed by reactions in the melt or dispersed in the melt fine Disper ions. In order to make the melt germ-free before pouring into the mold, it is brought into contact with a B₂O₃ slag and heated a few times at a temperature of about 1500 ° C.

Für die Herstellung sehr großer Bauteile, wie z. B. Gasturbinenschaufeln für stationäre Gasturbinen mit einer Länge von <500 mm, kann zur Aufrechterhaltung des vertikalen Temperaturgradienten über die gesamte Länge während der Rekaleszensphase das Bauteil auch mit entsprechender Geschwindigkeit aus der Heizzone herausgezogen werden. Ein Baffle ist jedoch auch hier nicht nötig, weil der Vorgang in Sekunden und damit ver gleichsweise schnell abläuft.For the production of very large components, such. B. gas turbine blades for stationary Gas turbines with a length of <500 mm, can be used to maintain the vertical Temperature gradients over the entire length during the recalescence phase of the component be pulled out of the heating zone with appropriate speed. On Baffle is also not necessary here, because the process in seconds and ver runs at the same time fast.

In der Fig. 3 ist eine Variante der Vorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt, bei welcher statt einer induktiven Heizung eine Widerstandsheizung vorgesehen ist. Eine derartige Wider standsheizung ist beispielsweise aus der Fig. 1 der DE-OS 37 16 145 bekannt. Die Wider standsheizung besteht hierbei aus drei zylindermantelförmigen Graphitheizelementen 30, 31, 32, deren elektrische Anschlüsse nicht dargestellt sind. Über diese Heizelemente wird die Schmelze 14 direkt erhitzt. FIG. 3 shows a variant of the device according to FIG. 1, in which, instead of an inductive heating, resistance heating is provided. Such resistance heater is known for example from FIG. 1 DE-OS 37 16 145. The resistance heater consists here of three cylinder jacket-shaped Graphitheizelementen 30, 31, 32 , the electrical connections are not shown. About these heating elements, the melt 14 is heated directly.

Die Fig. 4 zeigt in stark schematisierter Form einen Traubenaufbau von zwei Vorrichtun gen gemäß Fig. 1 und 3. Mit 40 ist hierbei eine Kühlplatte bezeichnet, auf der zwei Behäl ter 41, 42 für flüssige Metall-Legierungen angeordnet sind. Diese Behälter 41, 42 sind über jeweils einen helixförmigen Selektor 43, 44 mit einer Gießform 45, 46 verbunden, welche die innere Kontur einer Turbinenschaufel aufweist. Im oberen Bereich der Gießformen 45, 46 sind Filtervorrichtung 47, 48 vorgesehen, durch welche eine Metall-Legierung in die Gießformen 45, 46 eingegeben wird. Diese Metall-Legierung wird über einen Einfüll- Trichter 49 und Einfüllstutzen 50, 51 auf die Filtervorrichtungen 47, 48 gegeben. Zur Ab stützung des Einfüll-Trichters 49 ist eine Säule 52 vorgesehen. Fig. 4 shows in a highly schematic form a grape structure of two Vorrichtun gene of FIG. 1 and 3. With 40 here is a cooling plate referred to, are arranged on the two Behäl ter 41, 42 for liquid metal alloys. These containers 41, 42 are connected via a respective helical selector 43, 44 with a casting mold 45, 46 , which has the inner contour of a turbine blade. In the upper region of the molds 45, 46 filter device 47, 48 are provided, through which a metal alloy in the molds 45, 46 is entered. This metal alloy is added via a hopper 49 and filler neck 50, 51 to the filter devices 47, 48 . From the support of the hopper 49 , a column 52 is provided.

Das in der Fig. 4 gezeigte Prinzip der Anordnung von zwei Selektoren 43, 44 kann auch auf die Vorrichtungen der Fig. 1 und 2 übertragen werden. In einem solchen Fall sind zwischen den Bereichen 15 und 16 zwei helixförmige Selektoren vorgesehen. Durch eine solche Anordnung wird die Ausbeute an <100< orientierten Kristallen wesentlich erhöht.The principle of the arrangement of two selectors 43, 44 shown in FIG. 4 can also be transferred to the devices of FIGS. 1 and 2. In such a case, two helical selectors are provided between regions 15 and 16 . Such an arrangement substantially increases the yield of <100 <oriented crystals.

Claims

1. A process for the production of superalloy components, in which

a) a liquid metal alloy in a mold or shell mold for a component he testifies or is introduced from the outside into this mold or shell mold;
b) the liquid metal alloy is brought by progressive cooling in a metastable under cooled state, wherein a point is determined at which the largest sub-cooling occurs;
c) destroying the metastable state of the supercooled liquid metal alloy at the point of greatest supercooling so that the liquid metal alloy consolidates and forms a dendritic crystal structure,

characterized in that the dendritic crystal structure as a single crystal of the Stel le the strongest supercooling via a selector in the liquid metal alloy is over, which is located in the shell mold.

2. The method according to claim 1, characterized in that the melt by 30 K to 70 K is undercooled to reach a metastable state.

3. The method according to claim 1, characterized in that prior to the recalescence phase is cooled at a cooling rate between 11 K / min and 17 K / min.

4. The method according to claim 1, characterized in that the temperature gradient ent long the vertical axis of the shell mold ( 1 ) between 0.0 K / cm and 4.2 K / cm.

5. The method according to claim 1, characterized in that in the Postrekaleszenzphase is cooled at a cooling rate between 9 K / min and 14 K / min.

6. The method according to claim 1, characterized in that the control of the Place of the strongest supercooling upwards migrating dendrite tip done so that they are before their remelting, which by the release of solidification water can be effected, has reached the maximum distance from the germinal point.

7. The method according to claim 1, characterized in that the formation of the dendri crystal structure by piercing the supercooled melt with a germ follows, which consists of the same material as the melt.

8. The method according to claim 1, characterized in that the formation of the dendri crystal structure by piercing the supercooled melt with a germ follows, which consists of a different material such as the melt.

9. The method according to claim 1, characterized in that the formation of the dendri tical crystal structure by a vibration of the shell mold ( 1 ) is initiated.

10. The method according to claim 1, characterized in that the formation of the dendri crystal structure is initiated by abrupt increase in the cooling rate.

11. The method according to claim 1, characterized in that a low-germ alloy merge melt produced and then introduced into the shell mold ( 1 ).

12. The method according to claim 1, characterized in that the location of the largest Un cooling is placed at the lowest point of the liquid metal alloy.

13. A device for the production of components made of superalloys, with

a) a mold ( 1 ) into which a metal alloy is melted or externally charged as a liquid;
b) means ( 7, 8 ) for the controlled generation of a certain temperature or a temperature gradient of the liquid metal alloy along at least one axis of the mold;
c) means ( 12 ) for engaging the liquid metal alloy;

marked by

d) a wall-bound subcooling space ( 26 ) in which the liquid metal alloy is brought to its maximum supercooling;
e) a selector ( 17 ) with a narrow cross section, which connects the mold ( 1 ) with the subcooling chamber ( 26 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the subcooling chamber ( 26 ) is arranged on a coolable plate ( 8 ).

15. The apparatus according to claim 13, characterized in that the selector ( 17 ) is a hollow spiral.

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the inner diameter of the spiral ( 17 ) is about 3 to 10 mm.

17. The apparatus according to claim 13, characterized in that the device for the controlled generation of a specific temperature is an induction coil ( 7 ).

18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the induction coil consists of separate individual coils.

19. The apparatus according to claim 15, characterized in that the means for the controlled generation of a temperature gradient is an insulation, which is attached to the mold shell ( 1 ).

20. The apparatus according to claim 13, characterized in that a Verschiebevor direction is provided, which the relative position between the component to be cast and the heating or insulating zone changes, so that in the starter a high temperature gradient is set during the recalescence phase.

21. The apparatus according to claim 13, characterized in that the device for the controlled generation of a certain temperature has a plurality of resistance heating elements ( 30 to 32 ) whose power is separately adjustable.

22. The apparatus according to claim 13, characterized in that the casting mold or shell ( 1 ) at least on its inside consists of a mixture of Al₂O₃ and B₂O₃.