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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gießen von Metallen. Spezieller
bezieht sie sich auf die Herstellung von Hohlformen, die beim Gießen von
Metallkomponenten benutzt werden.
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Keramische
Hohlformen werden beim Präzisionsguss
von Metallen eingesetzt, um das Metall in seinem geschmolzenen Zustand
aufzunehmen und zu formen. Die Festigkeit und Integrität der Form
sind sehr wichtige Faktoren um sicher zu stellen, dass das Metallteil
die richtigen Abmessungen hat. Diese Hohlform-Charakteristika sind
besonders kritisch zum Herstellen von Komponenten hoher Leistungsfähigkeit,
wie Superlegierungsteilen, die in der Flugzeug- und Energieerzeugungs-Industrie
eingesetzt werden.
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Manchmal
werden sehr hohe Gießtemperaturen,
wie im Bereich von 1500°C
bis 1750°C,
benutzt. Viele konventionelle Hohlformen zeigen bei diesen Temperaturen
nicht genügend
Festigkeit. Die Formen neigen zum Ausbauchen und Reißen, wenn
sie mit dem geschmolzenen Metall gefüllt sind. Das Ausbauchen kann auch
auftreten, wenn sehr große
Teile bei geringeren Temperaturen gegossen werden. Das Ausbauchen
kann die Abmessungen der Form ändern
und dadurch eine unerwünschte
Variation in der gegossenen Komponente verursachen. Das Reißen könnte im
Versagen der Form resultieren, da das geschmolzene Material ausläuft.
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Für Hohlformen,
die bei sehr hohen Gießtemperaturen
eingesetzt werden oder die zum Gießen sehr großer Teile
benutzt werden, ist größere Festigkeit
erforderlich. Das Problem wurde von J. Lane et al. in der
US-PS 4,998,581 angesprochen.
In dieser Offenbarung wurden Hohlformen durch Wickeln eines faserförmigen verstärkenden
Materials um die Hohlform, während
sie hergestellt wurde, verfestigt. In bevorzugten Ausführungsformen
ist das verstärkende
Material eine Keramik-Zusammensetzung auf Aluminiumoxidbasis oder Mullitbasis,
die eine spezifische Mindestzugfestigkeit aufweist. Das verstärkende Material
ist augenscheinlich in einer spiralförmigen Weise mit einem Zug
um die Hohlform gewickelt, der ausreicht, es an Ort und Stelle zu halten,
wenn Keramikschichten auf die Form aufgebracht werden, um sie bis
zu ihrer erwünschten
Dicke aufzubauen.
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US-PS 4,998,581 scheint
Antworten auf einige der oben beschriebenen Probleme zu bieten.
Es scheint aber beträchtliche
Nachteile bei der in der PS offenbarten Erfindung zu geben. So sind
Materialien auf Mullitbasis schwierig ohne Zweitphasen-Einschlüsse von
entweder Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid enthaltenden Verbindungen
herzustellen. Diese Einschlüsse
können
die physikalischen Eigenschaften der Form beeinträchtigen.
Zusätzlich
haben viele der verstärkenden
Materialien, die in
US-PS 4,998,581 eingesetzt
werden, thermische Ausdehnungen, die sehr viel geringer sind als
die der Form. Diese großen
Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung machen die Herstellung
einer rissfreien Form schwieriger. Andere verstärkte Formen sind in
WO 00 05011 ,
US 4 998 581 und
JP 55 064 945 gezeigt.
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Es
wären daher
weitere Verbesserungen in den Eigenschaften der Form des Standes
der Technik willkommen. Die Hohlformen sollten die Festigkeit aufweisen,
hohen Metallgieß-Temperaturen
zu widerstehen und sie sollten geeignet sein zum Gießen großer Teile.
Die Formen sollten auch bei hohen Temperaturen und während verschiedener
Aufheiz- und Abkühl-Zyklen
abmessungsmäßig stabil
sein. Wenn die Formen durch den Einsatz ver stärkender Materialien verbessert
werden sollen, dann sollten diese Materialien vor dem Glühen flexibel
genug sein, um die Gestaltsanforderungen für die Form zu erfüllen, insbesondere,
wenn komplizierte Metallkomponenten gegossen werden. Schließlich sollte
die Herstellung verbesserter Hohlformen wirtschaftlich machbar sein
und nicht den Einsatz einer signifikanten Menge zusätzlicher
Ausrüstung
erfordern.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine keramische Gießhohlform
mit einer vorausgewählten
Gestalt bereitgestellt, umfassend:
- (a) abwechselnde,
sich wiederholende Schichten eines Keramik-Überzugsmaterials und eines
Keramikverputzes, die eine Gesamtdicke der Hohlform definieren,
und
- (b) eine verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage, die in den abwechselnden, sich wiederholenden
Schichten von Überzugsmaterial
und Verputz an einer Zwischendicke angeordnet ist, wobei die verstärkende Folie auf
Keramikgrundlage einen einstückigen
monolithischen integralen Körper
umfasst, der ein Muster von Löchern
umfasst, die das Verbinden zwischen der verstärkenden Folie auf Keramikgrundlage
und benachbarten Schichten der abwechselnden, sich wiederholenden
Schichten aus Keramik-Überzugsmaterial
fördert, wobei
sich die verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage an die Gestalt der Form anpasst und der
Form eine strukturelle Verstärkung
bietet.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann mindestens eine von Verbindungen
auf Aluminiumoxidbasis, Verbindungen auf Aluminatbasis oder Mischungen
irgendwelcher der vorgenannten Verbindungen umfassen und sie kann
eine Zugfestigkeit aufweisen, die größer ist als die der Hohlform
selbst bei Abwesenheit der verstärkenden
Folie auf Keramikgrundlage.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann an einer Zwischendicke von zwei
bis sechs der abwechselnden, sich wiederholenden Schichten angeordnet
sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer
keramischen Gießhohlform
bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
- (I)
Aufbringen einer einstückigen,
monolithischen integralen verstärkenden
Folie auf Keramikgrundlage auf eine Keramikschicht-Oberfläche einer
Teilhohlform, die durch einen Präzisionsguß-Prozess
gebildet wird, wobei die verstärkende
Folie ein Muster von Löchern
aufweist, die das Verbinden zwischen der verstärkenden Folie auf Keramikgrundlage
und der Teilhohlform fördert,
wobei sich die verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage an die Gestalt der Form anpasst und der
Form eine strukturelle Verstärkung
verleiht;
- (II) Vervollständigen
der Hohlform durch Aufbringen zusätzlicher Keramikschichten über der
verstärkenden schicht,
wobei die verstärkende
Schicht ein Muster von Löchern
aufweist, die das Verbinden zwischen der verstärkenden Schicht und benachbarten
der Keramikschicht-Oberfläche
und der zusätzlichen
Keramikschichten fördert,
und dann
- (III) Glühen
der Hohlform bei einer erhöhten
Temperatur.
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Das
Verfahren kann die zusätzlichen
Stufen einschließen:
- (i) Zubereiten einer Aufschlämmung eines
Keramikmaterials;
- (ii) Aufbringen einer Schicht der Keramikaufschlämmung auf
ein Wachsmuster einer vorausgewählten
Gestalt eines Metalles, das in die Form zu gießen ist,
- (iii) Aufbringen einer Schicht eines Verputzaggregates auf Keramikgrundlage
auf die Schicht der Aufschlämmung;
- (iv) Wiederholen der Stufen (ii) und (iii) so häufig wie
erforderlich, um eine Teilhohlform mit einer vorausgewählten Zwischendicke
zu liefern;
- (v) Aufbringen der verstärkenden
Folie auf die äußere Oberfläche der
Teilhohlform;
- (vi) Aufbauen der Teilhohlform bis zu der erwünschten
Dicke einer vollständigen
Hohlform durch Wiederholen der Stufen
- (ii) und (iii) über
der verstärkenden
Folie, wobei die Folie ein Muster von Löchern umfasst, das die Verbindung
zwischen benachbarten Schichten der Keramikaufschlämmung und
Schichten des Verputzaggregates auf Keramikgrundlage fördert, und
- (vii) Entfernen des Wachses und Glühen der Hohlform, um ihr ein
gewünschtes
Niveau der Zugfestigkeit zu geben.
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Die
verstärkende
Folie kann mindestens eine von Verbindungen auf Aluminiumoxidgrundlage,
Verbindungen auf Aluminatgrundlage oder Mischungen irgendwelcher
der vorgenannten Verbindungen umfassen.
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Die
verstärkende
Folie kann vor ihrem Aufbringen auf die Oberfläche der Teilform gemäß einem
Zeit- und Temperatur-Muster geglüht
werden, um eine erwünschte
Foliendichte zu ergeben.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann bei einer Zwischendicke von 3 bis
5 der abwechselnden, sich wiederholenden Schichten angeordnet sein.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann eine Dicke in einem Bereich von
0,1 mm bis 1,5 mm umfassen.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann eine Dichte von mindestens 90%,
vorzugsweise 99%, ihrer theoretischen Dichte umfassen.
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Die
Oberfläche
der verstärkenden
Folie auf Keramikgrundlage ist mit Löchern versehen.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann mittels einer Dosierrakel-Technik
oder einer Walzenverdichtungs-Technik, gefolgt von einer Glühbehandlung,
hergestellt werden.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann eine Dicke in einem Bereich von
0,5 mm bis 1,0 mm umfassen.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage kann mindestens eines von Aluminiumoxid,
Yttriumaluminat oder einer Mischung davon umfassen.
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Die
Hohlform kann eine Wandstärke
in einem Bereich von 0,50 cm bis 2,50 cm umfassen.
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Mindestens
die erste Schicht von Keramik-Überzugsmaterial
und die erste Schicht von Keramikverputz kann Keramikteilchen umfassen
und die Keramikteilchen können
eine mittlere Teilchengröße von weniger als
100 μm umfassen.
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Die
verstärkende
Folie kann vor dem Glühen
und Aufbringen auf die Teilhohlform flexibel sein.
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Die
verstärkende
Folie kann vor dem Glühen
zu einer Geometrie geformt werden, die im Wesentlichen identisch
der der Oberfläche
der Teilhohlform ist.
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Die
verstärkende
Folie kann vor dem Glühen
Löcher
umfassen.
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Die
verstärkende
Folie kann in Stufe (v) aufgebracht werden, nachdem Stufen (ii)
und (iii) für
2 bis 6 Mal wiederholt wurden.
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Die
verstärkende
Folie kann eine Dichte von mindestens 90% ihrer theoretischen Dichte
aufweisen.
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Die
Folie kann vor ihrem Aufbringen auf die Oberfläche der Teilform gemäß einem
Zeit- und Temperatur-Muster geglüht
werden, um eine erwünschte
Foliendichte zu ergeben.
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In
der Hohlform kann die verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage eine Dicke der Form aufrechterhalten.
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Im
Allgemeinen ist Technologie mit Bezug auf Keramikhohlformen zum
Präzisionsgießen im Stande der
Technik bekannt. Die folgenden Texte sind instruktiv: Kirk-Othmer
Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Auflage, Band 7, Seite 798
ff; Modern Metalworking von J.R. Walker, The Goodheart-Willcox Co,
Inc., 1965; Shell Molding and Shell Mold Castings, von T.C. Du Mond,
Reinhold Publishing Corp., 1954 und Casting and Forming Processes
in Manufacturing, von J.S. Campbell, Jr., McGraw-Rill Book Company,
Inc., 1950. Die Hohlformen umfassen üblicherweise hochschmelzende
Oxidteilchen, die durch ein Siliciumdioxid- oder Phosphat-Gel miteinander verbunden
sind. Verschiedene PSn beschreiben auch viele Aspekte konventioneller
Prozesse zum Formen einer Form. Die Folgenden sind beispielhaft:
US-PSn 4,998,581 (Lane et
al.);
4,097,292 (Huseby
et al.);
4,086,311 (Huseby
et al.);
4,031,945 (Gigliotti,
Jr. et al.);
4,026,344 (Greskovich);
3,972,367 (Gigliotti, Jr.
et al.) und
3,955,616 (Gigliotti,
Jr. et al.).
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Eine
Präszisions-Gießtechnik
für die
vorliegende Erfindung umfasst den „verlorenes Wachs"-Prozess. In einer
Version dieser Technik wird ein Wachsmuster (d. h., eine Nachbildung
des gegossenen Teiles) wiederholt in eine flüssige Aufschlämmung hochschmelzender
Oxidteilchen in einem Siliciumdioxid oder Phosphat tragenden Binder
eingetaucht. Üblicherweise
ist die Aufschlämmung
stark mit den Keramikfeststoffen beladen, z. B., mindestens 40 Vol.-%,
wobei der Rest Wasser, ein organisches Lösungsmittel oder eine Mischung
daraus ist. Es wird zwischen den Eintauchungen genügend Zeit
gelassen, um der Aufschlämmung
zu gestatten, teilweise oder vollständig auf dem Wachs zu trocknen.
Nachdem sich eine genügende
Dicke der Keramik auf dem Wachs aufgebaut hat, wird das Wachs mittels
verschiedener Techniken, wie weiter unten erläutert, entfernt. Die vollständige Form
wird dann geglüht,
was ihr genügend
Festigkeit gibt, dem Gießprozess
zu widerstehen.
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In
einigen Ausführungsformen
der Erfindung wird das Wachsmuster zuerst in die Aufschlämmung eingetaucht
und dann lässt
man das überschüssige Material
von dem Muster ablaufen. Bevor das Muster trocknet, wird es mit
zusätzlichen
Keramikmaterialien, z. B. Keramikoxiden, „beregnet". Diese Abscheidung erfolgt häufig in
einer Standard-Fließbettkammer,
und die aufgebrachte Schicht wird manchmal als ein „Keramikverputz" bezeichnet. Die
Reihenfolge des Eintauchens und Beregnens von Keramikmaterialien
auf das Muster wird wiederholt, bis die er wünschte Dicke erzielt worden
ist. Die anderen Stufen sind konventionell, z. B. Wachsentfernung
und Glühen.
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Wie
bereits erwähnt,
schließt
ein Aspekt der Erfindung den Einsatz einer verstärkten Folie auf Keramikgrundlage
bei einer Zwischendicke zwischen den Schichten ein, die die Keramikform
bilden. Die Folie passt sich an die Gestalt der Form an und ergibt
ein großes
Maß struktureller
Verstärkung.
Eine weite Vielfalt von Keramikmaterialien (oder Mischungen von
Materialien) kann benutzt werden, um die verstärkende Folie zu bilden. Viele
sind in einer oder mehreren der oben angegebenen PSn beschrieben,
z. B., Materialien, die zur Bildung der Hohlform selbst benutzt
werden. Nicht einschränkende
Beispiele schließen
Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Lanthanoxid, Aluminiumsilicate,
wie Mullit, Kyanit oder Sillimanit, und verschiedene Aluminate ein,
wie Yttriumaluminat und Magnesiumaluminat (der Begriff „Oxid", wie er im obigen
Zusammenhang benutzt wird, soll allgemein alle möglichen Oxide irgendeines dieser
Materialien umfassen). Verschiedene Mischungen oder Kombinationen
von Keramikmaterialien können
auch für
die verstärkende
Folie eingesetzt werden, z. B. Zweiphasenmischungen auf der Grundlage
irgendeiner Kombination von Seltenerdoxiden (wie Lanthanoxiden),
Yttriumoxiden, Aluminiumoxiden und Magnesiumoxiden. Das Material
der verstärkenden
Schicht umfasst mindestens eines von Aluminiumoxid, Yttriumaluminat
oder Mischungen davon.
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Die
verstärkende
Folie ist vor der Zeit, zu der sie auf die Hohlform aufgebracht
wird, flexibel. Diese Flexibilität
gestattet, dass die Folie leicht in eine Gestalt gebogen wird, die
sich eng an die Gestalt der Form anpasst. Das spezielle Verfahren
zum Herstellen einer flexiblen Keramikfolie ist für die Erfindung
nicht kritisch. In einigen Ausführungsformen
ist eine „Dosierrakel"-Technik, manchmal
als eine „Bandgieß"-Tech nik bezeichnet,
brauchbar. Bei dieser Art von Verfahren wird das geeignete Keramikpulver
oder eine Mischung von Pulvern zuerst mit einem Binder und einem
wässerigen
oder organischen Lösungsmittel
kombiniert, um ein aufschlämmungsartiges
Bad zu bilden. Geeignete Binder sind im Stande der Technik bekannt,
Beispiele schließen
Acrylmaterialien, Vinylmaterialien, wie Polyvinylbutyral und Ähnliche,
ein. Die Vinylmaterialien und Acrylmaterialien können mit Weichmachern kombiniert
werden, um die geeignete Flexibilität zu bieten. Die Rakel wird
dann über
die Oberfläche
des Bades bewegt, um einen dünnen
Film zu bilden, der eine kontrollierte Dicke der Aufschlämmung enthält. Nachdem
die flüchtigen
Komponenten verdampft sind, wie durch Erhitzen, bleibt eine dünne flexible,
ungehärtete
oder ungeglühte
Keramikfolie zurück,
wobei die Folie einen einstückigen,
integralen monolithischen Körper
umfasst, z. B. wie durch Dosierrakel- und Bandgieß-Techniken
hergestellt. Bandgieß-Techniken sind in
verschiedenen Druckschriften beschrieben. Nicht einschränkende Beispiele schließen
US-PSn 4,898,631 ;
4,839,121 und
5,405,571 ein. Alternative Verfahren,
die dem Fachmann bekannt sind, können
benutzt werden, um die verstärkende
Folie herzustellen. So könnte,
z. B., eine Walzenverdichtungs-Technik angewendet werden.
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Die
Oberfläche
der verstärkenden
Folie wird mit einem Muster von Löchern versehen, die sich durch den
Körper
der Folie hindurch erstrecken. Die Löcher können durch Stanzen der Folie
hergestellt werden. Die Löcher
fördern
die Verbindung zwischen der verstärkenden Folie und den benachbarten
Hohlformschichten. Die Größe der Löcher kann
variieren. Die Löcher
sollten weder so groß sein,
dass sie die Gesamtfestigkeit der Folie beeinträchtigen, noch so klein, dass
sie verhindern, dass Keramikaufschlämmungsmaterial in die Löcher fließt, während die
Hüllenschichten
aufgebracht werden. Die Löcher
liegen üblicherweise
im Bereich von 5 mm bis 25 mm Durchmesser. Eine ge eignete Technik
kann benutzt werden, um die Löcher
zu bilden, wie den Einsatz einer manuellen Stanze, Bohren, Laser
und Ähnliche.
Die Löcher
können
in die Folie eingebracht werden, nachdem diese geglüht worden
ist, vorzugsweise werden sie jedoch vor dem Glühen in der Folie gebildet.
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Vor
dem Glühen
kann die verstärkende
Folie in eine Gestalt gebogen werden, die im Wesentlichen identisch
der Gestalt der Hohlform ist. Das Biegen grüner Folien, die aus oben beschriebenen
Keramikmaterialien hergestellt sind, kann recht einfach ausgeführt werden,
wie durch den Einsatz eines Dornes und dazugehöriger Werkzeuge, die Krümmung und
verschiedene Biegewinkel messen können, darauf jedoch nicht beschränkt.
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Die
verstärkende
Folie wird dann nach konventionellen Verfahren geglüht, einschließlich des
Gebrauchs eines Ofens, darauf jedoch nicht beschränkt. Eine
Glühstütze der
erwünschten
Gestalt wird während des
Glühens
benutzt, um sicherzustellen, dass die erwünschte Gestalt erzielt wird.
Das Glühen
wird üblicherweise
bei einer Temperatur von mindestens 1500°C für eine Dauer von mindestens
5 Minuten und häufiger mindestens
30 bis 60 Minuten ausgeführt.
Nach dem Glühen
umfasst die verstärkende
Folie eine Dichte von mindestens 90% ihrer theoretischen Dichte,
z. B., mindestens 99% ihrer theoretischen Dichte.
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Manchmal
mag es erwünscht
sein, die verstärkende
Folie bis zu einer Dichte von mindestens 80% ihrer theoretischen
Dichte vorzuglühen.
Das Endglühen
zu einem der vorgenannten Dichteniveaus würde dann ausgeführt werden,
wenn die gesamte Hohlform geglüht
wird. Dieses alternative Glühen
würde es
einem Hohlform-Hersteller gestatten, Unterschiede in Schrumpfungsraten
zwischen der Folie und der Form selbst zu berücksichtigen.
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Die
Dicke der verstärkenden
Folie hängt
von einer Anzahl von Faktoren ab, wie dem Grad der Verstärkung, der
für die
Form benötigt
wird, was wiederum abhängig
ist von der Art des Gießens,
das für
die Form beabsichtigt wird. Für
eine typische Hohlform mit einer Wandstärke von 0,50 cm bis 2,50 cm
wird die verstärkende
Folie eine Dicke (nach dem Glühen)
von 0,1 mm bis 1,5 mm, z. B. 0,5 mm bis 1 mm, aufweisen. Folien mit
Dicken von mehr als 1,5 mm können
schwierig oder unpraktisch herzustellen sein, während Folien mit Dicken von
weniger als 0,1 mm nicht die Festigkeit haben mögen, die für angemessene Verstärkung der
Form notwendig ist.
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Wie
oben diskutiert, hat die verstärkende
Folie nach dem Glühen
eine Zugfestigkeit von mehr als der Zugfestigkeit der Hohlform selbst,
d. h., der Hohlform bei Abwesenheit der Verstärkung. Darüber hinaus ist die Zusammensetzung
der verstärkenden
Folie nicht auf Materialien beschränkt, die einen Koeffizienten
der Wärmeausdehnung
aufweisen, der geringer ist als der Koeffizient der Wärmeausdehnung
der Hohlform, in die sie eingebracht wird. Folien, die aus Aluminiumoxid
selbst hergestellt sind, werden, z. B., üblicherweise einen Koeffizienten
der Wärmeausdehnung
gleich oder größer als
der Koeffizient der Wärmeausdehnung
der Hohlform aufweisen.
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Wie
oben erläutert,
ist die Erfindung nicht auf die Anwendung irgendeiner besonderen
Präzisions-Gießtechnik
beschränkt.
In Ausführungsformen
wird der „verlorenes
Wachs"-Prozess in
einer gewissen Form ausgeführt.
Die Keramikmaterialien, die bei der Herstellung von Hohlformen eingesetzt
werden, sind ähnlich
oder identisch solchen, die zur Herstellung der Verstärkungsfolie
beschrieben wurden. Materialien auf Aluminiumoxidbasis, Materialien
auf Aluminatbasis (wie Yttriumaluminat) oder Mischungen irgendwelcher
dieser Materialien sind häufig
bevorzugt. Eine Aufschlämmung
wird aus dem Keramikmaterial und einem geeigneten Binder zubereitet,
wie Siliciumdioxid oder kolloidalem Siliciumdioxid. Die Aufschlämmung kann
weiter Benetzungsmittel, Entschäumungsmittel
oder andere geeignete Additive einschließen, von denen einige in der angegebenen
US-PS 4,026,344 von Greskovich
beschrieben sind. Der Fachmann ist vertraut mit den konventionellen
Parametern, die Aufmerksamkeit erfordern, wenn man Aufschlämmungen
dieser Art bildet. Veranschaulichende Parameter schließen Mischgeschwindigkeiten
und Viskosität
ein, ebenso wie die Temperatur und Feuchte der Mischung und der
Umgebung.
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Die
Konstruktion der Hohlform wird üblicherweise
ausgeführt
durch Aufbringen einer Schicht der Aufschlämmung auf das Wachsmuster,
gefolgt vom Aufbringen einer Schicht eines Verputzaggregates, wie
aus kommerziell erhältlichem
geschmolzenem Aluminiumoxid hergestellt, auf die Aufschlämmungsschicht
und dann mehrmaliges Wiederholen des Verfahrens. Eine typische chemische
Zusammensetzung für
eine geeignete Aufschlämmungs-Beschichtung schließt nach
dem Trocknen (und Ignorieren der Verputzzusammensetzung) 80 Gew.-%
bis 100 Gew.-% des Materials auf Aluminiumoxidbasis und 10 Gew.-%
bis 0 Gew.-% des Bindermaterials ein. Andere Komponenten sind manchmal
vorhanden, wie Zirkon.
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Wie
oft die Schichtenreihenfolge wiederholt wird, hängt natürlich von der erwünschten
Dicke der Form ab. Üblicherweise
werden insgesamt 4 bis 20 Keramik-Aufschlämmungschicht/Verputzschicht-Paare
für die Hohlform
benutzt. Häufiger
werden 4 bis 10 Schichtenpaare aufgebracht. An einem Punkt innerhalb
der Reihenfolge des Aufbringens von Aufschlämmungs- und Verputzaggregat-Schichten,
wird die Schichtenaufbringung temporär gestoppt und die verstärkende Folie
wird in die Teilhohlform eingebracht, wie oben erläutert.
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Als
eine spezifischere Veranschaulichung kann ein Wachsmuster einer
Metallkomponente, wie einer Turbinenschaufel, in die Aufschlämmung eingetaucht
und dann herausgezogen werden, worauf man sie abtropfen lässt, wie
in
US-PS 4,026,344 gelehrt.
Die feuchte Oberfläche
des mit Aufschlämmung überzogenen Musters
kann dann mit dem Verputzaggregat in einem Fließbett berieselt und luftgetrocknet
werden. Das Verfahren wird dann so viele Male wiederholt, wie es
erforderlich ist, eine erwünschte
Dicke der aufeinander folgenden Verputz-Keramik-Schichten mit einer Verputzschicht zwischen
abwechselnd benachbarten Schichten herzustellen.
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Üblicherweise
haben die Keramikteilchen in dem ersten Keramik-Aufschlämmungsschicht/Verputzschicht-Paar
und möglicherweise
dem zweiten Schichtpaar eine Größe, die
geringer ist als die der Teilchen in den nachfolgenden Schichten.
Als ein Beispiel ist die mittlere Keramikteilchengröße in dem
ersten Paar von Schichten geringer als 100 μm, während die mittlere Teilchengröße in darauf
folgenden Schichten im Bereich von 100 μm bis 800 μm liegen mag. Die größere Teilchengröße in den
nachfolgenden Schichten gestattet das raschere Wachsen der Formdicke.
Größere Teilchengrößen werden
auch benutzt, um das Schrumpfen der Form zu kontrollieren.
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Nachdem
die Hohlform vervollständigt
worden ist, wird das Wachs nach irgendeiner konventionellen Technik
entfernt. So kann durch Eintauchen der Form für 1 bis 2 Stunden in einen
gasgefeuerten Ofen, der bei einer Temperatur von 950°C bis 1150°C arbeitet,
ein rasches Entwachsen ausgeführt
werden. Die Form ist dann fertig zum Glühen.
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Die
verstärkende
Folie auf Keramikgrundlage wird in die teilweise geformte Hohlform
an einer vorausgewählten
Zwischendicke eingearbeitet. Die exakte „Tiefe" der Folie innerhalb der Form hängt von
verschiedenen Faktoren ab, wie Foliendicke, der Zusammensetzung
der Formschichten und der Gestalt der Form. Das Variieren der Position
der Folie und das Bewerten relevanter physikalische Eigenschaften
der Form können benutzt
werden, um die geeignete Anordnung für die Folie zu bestimmen. Die
Folie kann relativ dicht am Zentrum der Hohlform angeordnet werden,
z. B., innerhalb von 25% des Abstandes vom Zentrum der Wandstärke der
Form. Der Abstand kann jedoch beträchtlich variieren. In den meisten
Ausführungsformen
wird die verstärkende
Folie angebracht, nachdem die Reihenfolge der Keramik-Aufschlämmungs-/Verputzaggregat-Schichten zwei-
bis sechsmal, wie drei- bis fünfmal,
wiederholt wurde.
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Die
Fläche
der verstärkenden
Folie wird gegen die im Wesentlichen parallele Fläche der äußersten Schicht
der Teilhohlform gelegt. Üblicherweise
gibt es eine gewisse natürliche
Haftung, die die Folie an Ort und Stelle hält, während nachfolgende Aufschlämmungs/Verputz-Schichten
aufgebracht werden. Ein Klebstoff oder irgendein anderes Befestigungsmittel
könnte
jedoch benutzt werden, um die Folie an Ort und Stelle zu halten.
Irgendeine Art von Klebstoff sollte geeignet sein, solange er Komponenten
enthält,
die die Formmaterialien nicht beeinträchtigen oder die vollständig verdampfen,
wenn die Hohlform geglüht
wird. Nach dem Einführen
der verstärkenden
Folie kann die Abscheidung nachfolgender Keramik-Aufschlämmungs/Verputzaggregat-Schichten,
wie vorher, fortgesetzt werden, bis die geeignete Formdicke erhalten
ist. Üblicherweise
hat die Form nach einmaligem Glühen
eine Dicke von 0,50 cm bis 2,50 cm, z. B., 0,50 cm bis 1,25 cm.
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Kerne
können
in die für
die vorliegende Erfindung hergestellten Hohlformen eingeführt werden.
Die Kerne werden häufig
benutzt, um Löcher
oder Hohlräume
innerhalb der Form zu schaffen, und sie können, z. B., unter Benutzung
von Einsätzen
aus glasartigem Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminaten, Zirkon
oder irgendeiner Kombination solcher Materialiengebildet werden.
Das Kernmaterial wird aus dem fertigen Gusskörper durch konventionelle Techniken
entfernt. Viele Druckschriften beschreiben den Einsatz von Kernen,
z. B. Modern Metalworking; Casting and Forming Processes in Manufacturing;
US-PSn 4,097,292 und
4,086,311 . Die verstärkende Folie
dieser Erfindung unterstützt
die Beibehaltung der richtigen Metalldicke um die Kerne herum innerhalb
der Form – insbesondere
wenn die Form normalerweise empfindlich für Kriechen und Verformung bei
hoher Temperatur wäre.
Die genaue Kontrolle über
die Größe der Hohlräume innerhalb
der Form ist häufig
kritisch, wenn man Metallteile formt, die komplizierte Gestalten
haben und/oder die sehr rigorose Abmessungsanforderungen erfüllen müssen.
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Nachdem
die Hohlform fertiggestellt und das Wachs entfernt worden ist, wird
die Form gemäß konventionellen
Techniken geglüht.
Die erforderlichen Betriebsbedingungen der Temperatur und der Zeit
für die
Glühstufe
hängen
natürlich
von Faktoren ab, wie Wandstärke,
Formzusammensetzung und Ähnlichen.
Typischerweise wird das Glühen
bei einer Temperatur im Bereich von 1350°C bis 1750°C für 5 Minuten bis 60 Minuten ausgeführt. Dann
lässt man
sich die Form auf Raumtemperatur abkühlen. Weitere Stufen, die für die Formherstellung
konventionell sind, können
auch ausgeführt
werden, z. B. Reparieren und Glätten
der Oberflächen
der Form.
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Der
Einsatz von Hohlformen, wie denen der vorliegenden Erfindung, zum
Gießen
ist für
den Fachmann vertraut. Eine weite Vielfalt von Metallen oder Metalllegierungen
kann gegossen werden, wie Superlegierungen auf Titan- und Nickelgrundlage.
Aus solchen Materialien mit der verstärkten Hohlform hergestellte
Komponenten liegen auch im Rahmen dieser Erfindung.
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BEISPIELE
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Diese
Beispiele sind lediglich veranschaulichend und sollten nicht als
irgendeine Art von Beschränkung
hinsichtlich des Umfanges der Erfindung verstanden werden. Alle
Teile werden in Gewichtsprozent angegeben, sofern nichts Anderes
ausgeführt,
und die Werte sind etwaige Werte, sofern nichts Anderes ausgeführt ist.
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Beispiel 1
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Probenformen
wurden zubereitet unter Anwendung konventioneller Hohlform-Technologie.
Die Stufen waren die Folgenden (wobei die Formverstärkung innerhalb
der Reihenfolge von Stufen, wie oben beschrieben, ausgeführt wurde).
- (1) Ein Wachsmuster wurde in eine Suspension
von plattenförmigem
Aluminiumoxid von –325
Maschen und Siliciumdioxidbinder eingetaucht;
- (2) das überzogene
Muster ließ man
abtropfen;
- (3) das überzogene
Muster wurde dann in ein Fließbett
von geschmolzenem Aluminiumoxid der Teilchengröße 80 Grit (Maschen) eingetaucht;
- (4) das Muster wurde luftgetrocknet;
- (5) Stufen 1–4
wurden wiederholt;
- (6) das Muster wurde in eine Suspension von Aluminiumoxid von –240 Maschen
und –325
Maschen, mit einem Siliciumdioxidbinder eingetaucht;
- (7) das Muster wurde in ein Fließbett von Aluminiumoxid von –54 Maschen
eingetaucht;
- (8) das Muster wurde dann luftgetrocknet und
- (9) Stufen 6–8
wurden sechsmal wiederholt.
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Für den Zweck
dieser Beschreibung ist der „primäre Überzug" als die ersten beiden
Schichten definiert, die in Stufen 1–4 aufgebracht sind, während die „sekundären Überzüge" als die Schichten
definiert sind, die in Stufen 6–9
aufgebracht wurden. Rechteckige Wachsmuster wurden benutzt, um die
Formen zuzubereiten. Nach der Herstellung wurden die gegenüber liegenden
Wandungen der Form weggekratzt, um zwei flache Stangen zurückzulassen.
Die Stangen (20 cm lang und 2,5 cm breit) wurden dann bei 1000°C in Luft
geglüht, um
zusätzliche
Handhabungsfestigkeit zu entwickeln. Die Formen wurden dann bei
einer Temperatur in einem Bereich von 1500°C bis 1550°C vor der Bewertung geglüht. Die
Stäbe waren
nach dem Glühen
ohne Risse.
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Die
Formverstärkung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde bewerkstelligt durch Einbeziehen einer dichten Folie
auf Aluminiumoxid-Grundlage in die Form. Perforierte Folien wurden
durch Stanzen von 0,48 cm-Löchern
auf 0,89 cm-Zentren in der ungeglühten Folie hergestellt. Die
Aluminiumoxidfolie wurde dann bei 1600°C für eine Stunde geglüht, um Dichten
zu ergeben, die größer als
99% sind. Die Folie wurde dann auf die Formoberfläche zwischen
der zweiten und dritten sekundären
Aufschlämmungsbeschichtung
unter Einsatz einer Mischung von Aluminiumoxid von –240 Maschen
und Kaliumsilicat-Paste aufgebracht. Danach wurden sekundäre Überzüge aufgebracht,
sodass die Folie im Inneren der Formwand begraben wurde.
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Für Testzwecke
wurden Stangen sowohl aus den verstärkten Formen als auch den nicht
verstärkten Formen
maschinell herausgearbeitet, nachdem die Formen gesintert worden
waren. Nur das Äußere der
Form wurde maschinell bearbeitet, um eine Dicke von 0,79 cm zu ergeben.
Die Breite der Stäbe
nach der maschinellen Bearbeitung betrug 1,59 cm. Die primären Überzüge wurden
während
der maschinellen Bearbeitung intakt gelassen.
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An
jedem der Stäbe
wurde bei 1550°C
ein Dreipunkt-Durchhängetest
auf einer Spanne von 15,24 cm ausgeführt. Für diesen Test wurde eine Last
von 0,34 MPa (50 psi) im Zentrum jeder Spanne aufgebracht. Die Verformung
jedes Stabes nach dem Testen ist in Tabelle 1 gezeigt: Tabelle 1
| Nicht
verstärkter
Stab | 0,5
mm |
| Nicht
verstärkter
Stab | 0,6
mm |
| Verstärkter Stab* | 0,05
mm |
- * verstärkt
mit einer Folie auf Aluminiumoxid-Grundlage gemäß der vorliegenden Erfindung
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Tabelle
1 zeigt klar die dramatische Verbesserung in der Festigkeit für Hohlformen,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung verstärkt
wurden.
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Beispiel 2
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Eine
Mischung von Wachs und geschmolzenem Aluminiumoxid von 120 Maschen
wurde (unter Schmelzen des Wachses) kombiniert, um eine Keramikaufschlämmung zu
bilden. Die Aufschlämmung
wurde auf eine Form mit einer Oberflächenkrümmung gegossen, die typisch
für eine
Turbinenschaufel ist, dann ließ man
sie sich verfestigen. Der gegossene Block wurde aus der Gieß form entfernt.
Der Block wurde dann bei 1500°C
geglüht,
um das Wachs zu entfernen und Handhabungsfestigkeit zu entwickeln.
Der gegossene Block wurde als Nächstes
als eine Glühstütze für eine flexible
Folie aus Aluminiumoxid benutzt. Die Folie wurde von Hand verformt,
um sie an die Krümmung
der Glühstütze anzupassen.
Die Glühstütze mit
der Aluminiumoxidfolie wurde dann bei 1600°C für eine Stunde in Luft geglüht. Das
nach dem Glühen
erhaltene Produkt war eine dichte gekrümmte Folie aus Aluminiumoxid
mit den Konturen einer Turbinenschaufel. Eine solche Folie kann als
Verstärkung
für die
in Beispiel 1 beschriebene Hohlform benutzt werden. Darüber hinaus
wurde die Folie nach einer Technik hergestellt, die keine komplizierte
Ausrüstung
erfordert, z. B. eine Vorrichtung zum Wickeln von Fasern.