Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Druckguss von Nickel-basiertem Waspaloy-Superlegierungen, z.B. typischerweise Waspaloy mit hohen Schmelztemperaturen von über 2300 bis 2500°F/1260 bis 1370°C.

Nickel-basierte und Kobalt-basierte Superlegierungen werden bei Anwendungen benutzt, welche hohe Festigkeit/Gewichtverhältnisse, Korrosionsfestigkeit und Verwendung bei relativ hohen Temperaturen erfordern, beispielsweise bis zu und über ca. 1500°F/815°C. Wie hier verwendet, bezieht sich Superlegierung generell auf jene Materialien, welche durch hohe Festigkeit gekennzeichnet sind und hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen behalten. Solche Materialien sind auch durch relativ hohe Schmelzpunkte gekennzeichnet.

In Gasturbinenmaschinen werden diese Superlegierungen beispielsweise typischerweise verwendet im Turbinenbereich und manchmal in den späteren Stufen des Kompressorbereichs der Maschine einschließlich, aber nicht beschränkt auf Strömungsprofile, z.B. Laufschaufeln und Leitschaufeln, wie auch statische und strukturelle Komponenten, z.B. Zwischengehäuse und Kompressorgehäuse, Kompressorscheiben, Turbinengehäuse und Turbinenscheiben. Eine typische in Gasturbinenmaschinen verwendete Nickel-basierte Superlegierung wird unter dem Namen Waspaloy verkauft und ist beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4 574 015 und 5 120 373 offenbart.

Für Zwecke, bei welchen Waspaloy für Gegenstände wie z.B. Laufschaufeln und Leitschaufeln in Gasturbinenmaschinen verwendet wird, erfüllen die Gegenstände zumindest die Anforderungen, welche aufgeführt sind in Aerospace Material Specification AMS 5707 (Rev.H, veröffentlicht August 1994), veröffentlicht durch SAE International aus Warrendale, PA.

Gatorized Waspaloy ist eine hoch entwickelte Waspaloy-Zusammensetzung, welche entwickelt wurde, um verbesserte Festigkeit und Temperatureigenschaften gegenüber konventionellem Waspaloy zu bieten. Siehe US-Patente Nr. 4 574 015 und 5 120 373. Es hat eine allgemeine Zusammensetzung in Gew.-% an Chrom 15,00 bis 17,00, Kobalt 12,00 bis 15,00, Molybdän 3,45 bis 4,85, Titan 4,45 bis 4,75, Aluminium 2,00 bis 2,40. Gator Waspaloy kann auch kleine Mengen an anderen Elementen haben, z.B. Zirconium 0,02 bis 0,12, Bor 0,003 bis 0,010 und Magnesium 0,0010 bis 0,005.

In der Gasturbinenmaschinen-Industrie wird Schmieden angewendet, um Teile mit komplexen dreidimensionalen Formen zu erzeugen, z.B. Leitschaufeln und Laufschaufeln. Viele Nickel-basierte Superlegierungen, Kobalt-basierte Superlegierungen und Eisen-basierte Superlegierungen werden traditionell präzisionsgeschmiedet, um Teile mit einer kleinen durchschnittlichen Korngröße und einer Ausgeglichenheit an hoher Festigkeit, geringem Gewicht und guter Hochzyklus-Ermüdungsrestistenz zu haben. Für manche Anwendungen, z.B. Turbinenlaufschaufeln und Leitschaufeln, wird die Herstellung typischerweise unter Verwendung von Präzisionsgussverfahren hergestellt. Gießen wird verbreitet verwendet, um Gegenstände mit nahezu ihrer endgültigen Form zu erzeugen.

Präzisionsgießen, wobei geschmolzenes Metall in eine Keramikschale mit einem Hohlraum in der Gestalt des zu gießenden Gegenstands gegossen wird, kann verwendet werden, um solche Gegenstände zu erzeugen. Präzisionsgießen erzeugt jedoch sehr große Körner, beispielsweise ASTM 0 oder größer (verglichen mit den relativ kleinen Korngrößen, welche durch Schmieden erreicht werden können), und in manchen Fällen weist das gesamte Teil ein einzelnes Korn auf. Da außerdem eine individuelle Gussform für jedes Teil hergestellt wird, ist das Verfahren kostspielig. Reproduzierbarkeit von sehr präzisen Abmessungen von einem zum nächsten Teil ist schwierig zu verwirklichen. Falls das Material geschmolzen, gegossen und/oder verfestigt wird in Gegenwart eines Gases, können die Teile unerwünschte Eigenschaften haben, z.B. Einschlüsse und Porosität, insbesondere bei Materialien, welche reaktive Elemente enthalten, z.B. Titan oder Aluminium. Absplitterungen der Keramikschale tragen auch zum Vorhandensein von Einschlüssen und Verunreinigungen bei.

Permanent-Formgießen, wobei geschmolzenes Material in eine mehrteilige, wiederverwendbare Form gegossen wird und nur aufgrund der Schwerkraft in die Form fließt, wird auch allgemein verwendet, um Teile zu gießen. Siehe beispielsweise US-Patent 5 505 246 von Colvin. Permanent-Formgießen hat jedoch verschiedene Nachteile. Für dünne Gussteile, z.B. Strömungsprofile, kann die Schwerkraft nicht ausreichend sein, um das Material in die dünneren Bereich zu zwingen, insbesondere wenn hoch schmelzende Materialien und geringe Überhitzen verwendet werden, und entsprechend wird die Form nicht konsistent aufgefüllt, und die Teile müssen verworfen werden. Abmessungstoleranzen müssen relativ groß sein und erfordern entsprechend mehr Nachbearbeitung nach Gießen, und Wiederholbarkeit ist schwer zu verwirklichen. Permanent-Formgießen führt auch zu relativ schlechten Oberflächen, was auch zusätzliches Nachbearbeiten nach Gießen erforderlich macht.

Druckguss, wobei geschmolzenes Material unter Druck in eine wiederverwendbare Form gegossen wird, wurde in der Vergangenheit erfolgreich verwendet, um Gegenstände aus Materialien mit relativ niedrigen Schmelzpunkten zu erzeugen, beispielsweise unter ca. 2000°F/1093°C. Wie beispielsweise in den US-Patenten Nr. 2 932 865, 3 106 002, 3 532 561 und 3 646 990 beschrieben, umfasst eine konventionelle Druckgussmaschine eine Schussbüchse, welche auf eine (typischerweise fixierte) Platte einer mehrteiligen Form montiert ist, beispielsweise einer zweiteiligen Form einschließlich einer fixierten und einer beweglichen Platte, welche zusammenwirken, um einen Formhohlraum zu definieren. Die Schussbüchse ist horizontal, vertikal oder zwischen horizontal und vertikal geneigt ausgerichtet. Die Schussbüchse ist mit einem Zulauf der Form verbunden und umfasst eine Öffnung an der Schussbüchse, durch welche das geschmolzene Material gegossen wird. Ein Kolben ist zur Bewegung in der Büchse positioniert, und ein Antriebsmechanismus bewegt den Kolben und zwingt geschmolzenes Metall aus der Büchse in die Form. In einer Druckgussmaschine vom „Kaltkammer"-Typ ist die Schussbüchse typischerweise horizontal orientiert und ist unbeheizt. Gießen findet normalerweise unter atmosphärischen Bedingungen statt, d.h. die Ausrüstung ist nicht in einer nicht-reaktiven Umgebung, z.B. Vakuumkammer oder Inertatmosphäre, angeordnet.

Die Nachteile solcher Maschinen werden auch in den US-Patenten Nr. 3 646 990 und 3 791 440, beide von Cross, diskutiert, insbesondere in Verbindung mit der Unfähigkeit, solche Maschinen zum Gießen von Materialien mit höherem Schmelzpunkt zu verwenden. In konventionellen Maschinen wird die Atmosphäre in der Schussbüchse nicht evakuiert, und der Kolben zwingt auch jegliche Luft aus der Büchse in die Form, was zu Porosität der Druckgussgegenstände führt, ein Zustand, der sowohl unerwünscht als auch unannehmbar ist, insbesondere wenn der Gegenstand bei anspruchsvollen Anwendungen verwendet wird, z.B. bei Luftfahrtkomponenten. Um dementsprechend das Einspritzen von Blasen mit dem geschmolzenen Material zu vermeiden, muss die Schussbüchse so vollständig wie möglich gefüllt sein oder so geneigt sein, dass jegliche Luft vor dem Einspritzen sich von der Form weg bewegt. Da außerdem die Schussbüchse ungeheizt ist, verfestigt sich eine Haut bzw. „Dose" des geschmolzenen Materials auf der Innenseite der Schussbüchse, und um den Kolben durch die Schussbüchse zum Einspritzen des geschmolzenen Metalls in die Form zu bewegen, muss der Kolben Widerstand des verfestigten Metalls überwinden, die Haut von der Büchse herunter kratzen und somit die „Dose" zerdrücken. Die Dose bildet jedoch ein strukturell festes Element, beispielsweise in Form eines Zylinders, welcher durch die Büchse gestützt wird, und der Kolben und/oder die verbundene Struktur zum Bewegen des Kolbens kann beschädigt oder zerstört werden aufgrund des Widerstands gegenüber der Kolbenbewegung. Wenn der Kolben thermisch verformt ist und der Büchsenform nicht entspricht bzw. die Büchse thermisch verformt ist, wobei die Freiräume zwischen Büchse und Kolben verändert werden, kann das Durchströmen von Metall zwischen Kolben und Büchse („Blowback") stattfinden und/oder den Kolben binden, was alles die erzeugten Artikel nachteilig beeinflusst. Siehe auch das an Parlanti et al. erteilte US-Patent Nr. 3 533 464.

Trotz ausgiebiger Anstrengungen wurden die konventionellen „Kaltkammer"-Druckgussmaschinen bisher nicht erfolgreich zur Erzeugung von Gegenständen verwendet, welche aus hoch schmelzenden Materialien gebildet sind, z.B. aus Titanlegierungen und Superlegierungen. Wie hier verwendet, bezieht sich Superlegierung im Allgemeinen auf jene Materialien, die durch hohe Festigkeit gekennzeichnet sind und hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen beibehalten. Solche Materialien sind auch durch relativ hohe Schmelzpunkte gekennzeichnet. Vergangene Versuche, hoch schmelzende Materialien, z.B. Titanlegierungen und Superlegierungen, mit Druckguss zu gießen, führte zu unverwendbaren Druckgussmaschinen, wie auch zu Gegenständen, welche durch mindere Qualität gekennzeichnet waren, z.B. Unreinheiten, übermäßige Porosität und relativ geringe Festigkeit und schlechte Ermüdungseigenschaften.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Druckgussgegenstände bereitzustellen, welche aus Nickel-basierten und Kobalt-basierten Superlegierungen gebildet sind.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Druckgussgegenständen bereitzustellen, welche aus hoch schmelzenden Materialien wie Waspaloy gebildet sind; insbesondere um Gegenstände mit relativ komplexer Form herzustellen, z.B. Gasturbinenmaschinen-Komponenten, welche nur schwierig, falls überhaupt, geschmiedet werden können; und Gegenstände herzustellen, welche Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsresistenz haben, die vergleichbar sind mit entsprechenden Gegenständen, welche auf andere Weise hergestellt wurden, z.B. durch Präzisionsgießen und Schmieden; und insbesondere um Gegenstände bereitzustellen mit komplexen dreidimensionalen Formen, welche nur schwierig, falls überhaupt, schmiedbar sind.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Druckgießen eines aus Waspaloy gebildeten Gegenstands gemäß Patentanspruch 1 offenbart. Der dadurch hergestellte Gegenstand, beispielsweise eine Lauf- oder Leitschaufel einer Gasturbinenmaschine, hat eine Mikrostruktur ohne Strömungslinien und hat vorzugsweise auch eine feine durchschnittliche Korngröße, z.B. mindestens ASTM 0 oder kleiner. Für Gasturbinenmaschinen-Komponenten ist die durchschnittliche Korngröße vorzugsweise ASTM 3 oder kleiner.

Die Gegenstände haben sowohl Formfestigkeit als auch Bruchfestigkeit bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur, welche zumindest vergleichbar sind mit Teilen, welche aus dem gleichen Material aufgebaut sind, aber durch andere verfahren hergestellt wurden, z.B. Schmieden oder Präzisionsgießen, und sie haben auch vergleichbare Hoch- und Niedrigzyklus-Ermüdungseigenschaften.

Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen werden nun in größerem Detail lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:

1 ist eine Ansicht eines Druckgussgegenstands gemäß der vorliegenden Erfindung.

2 und 2A sind Mikroskopaufnahmen, welche die Mikrostruktur des Druckguss-Waspaloy gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

3 und 4 sind schematische Ansichten einer bevorzugten Druckgussmaschine, welche verwendet wird, um Gegenstände zu erzeugen, welche aus hoch schmelzenden Materialien bestehen.

5 ist ein Flussdiagramm eines bevorzugten Verfahrens.

Es wird nun auf 1 Bezug genommen. Ein Druckguss-Superlegierungsgegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung ist allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Gegenstand eine Turbinenschaufel 10, welche aus einem Druckguss-Superlegierungsmaterial gebildet ist und in Gasturbinenmaschinen verwendet wird, obwohl nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung auf Gasturbinenmaschinen-Komponenten zu beschränken. Der Gegenstand umfasst ein Strömungsprofil 12, eine Plattform 14 und eine Wurzel 16.

Der Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch eine Abwesenheit von Strömungs- oder Flusslinien. Es wird angemerkt, dass die Gegenstände nach dem Gießen, falls erwünscht, thermomechanisch verarbeitet werden können. Anders ausgedrückt können die Druckgussgegenstände im Folgenden als Vorformen zur Verwendung in einem Schmiedevorgang dienen. Um die mit der Erfindung verbundenen Kosteneinsparungen zu maximieren, bevorzugen wir, dass die Druckgussgegenstände in nahezu ihrer endgültigen Form gegossen werden, um an dem Gegenstand vorgenommene Nachbearbeitungen nach dem Gießen und die damit verbundenen Kosten zu minimieren. Die Gegenstände können im Zustand nach dem Gießen wärmebehandelt werden, um erwünschte mechanische Eigenschaften zu ermöglichen.

Wie bereits erwähnt, wird eine in Gasturbinenmaschinen verwendete Superlegierung unter dem Namen Waspaloy vertrieben und ist beispielsweise offenbart in den US-Patenten Nr. 4 574 015 und 5 120 373, welche hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme mit aufgenommen werden. Waspaloy ist eine Nickel-basierte Superlegierung und hat, grob gesprochen, eine Zusammensetzung in Gew.-% von ca. 18 bis 21 Cr, 3,5 bis 5 Mo, 12 bis 15 Co, 2,75 bis 3,25 T, 1,2 bis 1,6 Al, 0,01 bis 0,08 Zr, 0,003 bis 0,010 B, Rest im Allgemeinen Nickel. Das Material kann auch Spuren anderer Elemente aufweisen. 2 und 2A sind Mikroskopaufnahmen, welche die Mikrostruktur von Druckguss-Waspaloy im Zustand nach dem Gießen gemäß der vorliegenden Erfindung und nach Ausgesetztsein über eine HIP-Temperatur von 2050°F/1121 °C über 4 h ohne Druck zeigen. Wie dargestellt, reduziert die Anwendung einer HIP-Temperatur ohne Druck die Entmischung. Die Anwendung eines geeigneten Drucks wird die Porosität reduzieren oder eliminieren.

Proben gemäß der vorliegenden Erfindung werden druckgegossen und dann mit HIP behandelt. Die Arbeitsstücke, welche für Gasturbinenmaschinen behandelt werden sollen, werden vorzugsweise auch Lösungs-behandelt, Stabilisierungsbehandelt und/oder Präzipitations-wärmebehandelt in einer Schutzatmosphäre.

Gegenstände, welche als Gasturbinenmaschinen-Komponenten verwendet werden sollen, haben die folgenden Eigenschaften: Eigenschaft Zugspannung, min/bevorzugt 160 ksi/1,12GPa Streckspannung, 0,2%, min/bevorz. 110 ksi/770 Mpa Dehnung in 4D, min 12% Flächenreduktion 12%

Zusätzlich wurden Standard-Bruchproben (aufweisend Material, welches gemäß der Erfindung hergestellt wurde) getestet. Die Proben wurden bei ca. 1350°F/732°C gehalten und kontinuierlich belastet, nachdem eine anfängliche axiale Belastung von zwischen ca. 75 ksi/525 Mpa erzeugt wurde. Die Proben brachen nur nach mindestens 23 h und mit einer Dehnung nach Bruch von mindestens ca. 10%.

Für Gasturbinenmaschinen-Komponenten zu verwendende Arbeitsstücke sollten eine Mindest-Bruchfestigkeit von mindestens ca. 100 ksi/700 MPa, bevorzugt 110 ksi/770 Mpa haben; eine Streckspannung von mindestens 95 ksi/665 Mpa, bevorzugt 100 ksi/700 Mpa; und eine Dehnung in 4D von mindestens 3%.

Es wird Bezug genommen auf die 3, 4 und 5. Wir bevorzugen die Verwendung einer Druckgussmaschine des Typs mit einer unbeheizten Schussbüchse („Kaltkammer"), um Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Allgemein gesprochen, wird eine Charge eines Materials bereitgestellt (5, Schritt 44), und das zu gießende Material wird in dem Apparat 18 (Schritt 46, 5) geschmolzen. Wir bevorzugen es, das Superlegierungsmaterial durch Induktionsschalen-Rückschmelzen oder -Schmelzen (induction skull remelting or melting – ISR) 24 zu schmelzen, beispielsweise in einer Einrichtung des durch die Consarc Corporation aus Rancocas, NJ hergestellten Typs, welche in der Lage ist, rasch und sauber eine einzelne Charge eines zu gießenden Metalls zu schmelzen, z.B. bis zu 25 Pfund/12 kg Material. Bei ISR wird Material in einem Tiegel geschmolzen, welcher durch eine Mehrzahl von Metallfingern (typischerweise Kupfer) definiert ist, welche in Position aneinander gehalten sind. Der Tiegel ist umgeben durch eine mit einer Stromversorgung 26 verbundenen Induktionsspule. Die Finger umfassen Passagen für die Zirkulation von Kühlwasser von und zu einer Wasserquelle (nicht gezeigt), um ein Schmelzen der Finger zu verhindern. Das durch die Spule erzeugte Feld erwärmt und schmilzt das im Tiegel angeordnete Material. Das Feld dient auch dazu, das geschmolzene Metall zu bewegen bzw. zu rühren. Eine dünne Schicht des Materials friert an der Tiegelwand und bildet die Schale, wodurch die Fähigkeit des geschmolzenen Materials, den Tiegel anzugreifen, minimiert wird. Durch geeignetes Wählen von Tiegel und Spule und der auf die Spule angewendeten Leistung und Frequenz ist es möglich, das geschmolzene Material von dem Tiegel weg zu zwingen, wodurch der Angriff der Tiegelwand durch das geschmolzene Material weiter reduziert wird. Durch Schmelzen nur einer einzelnen Charge anstelle von Bereithalten eines großen Behälters an geschmolzener Legierung stellen wir sicher, dass Komponenten mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt in Bezug auf die Gesamtlegierung nicht verdampfen und vor dem Gießen verloren gehen.

Wenn reaktive Materialien, z.B. Titan und Aluminium und diese Materialien enthaltende Legierungen, gegossen werden sollen, ist es wichtig, die Materialien in einer nicht-reaktiven Umgebung zu schmelzen, um eine Reaktion, Kontamination oder andere Umstände zu vermeiden, welche die Qualität der resultierenden Gegenstände nachteilig beeinflussen könnte. Da jegliche Gase in der Schmelzumgebung im geschmolzenen Material eingefangen werden können und zu übermäßiger Porosität in den Druckgussgegenständen führen können, bevorzugen wir es, das Material in einer Vakuumumgebung anstelle einer Inertumgebung, z.B. Argon, zu schmelzen. Stärker bevorzugt wird das Material in einer Schmelzkammer 20 geschmolzen, welche mit einer Vakuumquelle 22 verbunden ist, wobei die Schmelzkammer bei einem Druck von weniger als 100 &mgr;/13,33 Pa, vorzugsweise weniger als 50 &mgr;/6,665 Pa gehalten wird.

Obwohl wir bevorzugen, einzelne oder kleinere Chargen an Material unter Verwendung einer ISR-Einrichtung zu schmelzen, kann das Material auf andere Weise geschmolzen werden, z.B. durch Vakuum-Induktionsschmelzen (vacuum induction melting, VIM) und Elektronenstrahl-Schmelzen, solange das Material nicht beträchtlich kontaminiert wird. Außerdem schließen wir das Schmelzen von Massenmaterial, z.B. mehrere Materialchargen auf einmal, in einer Vakuumumgebung und anschließendes Übertragen einzelner Chargen an geschmolzenem Material in die Schussbüchse zum Einspritzen in die Form nicht aus. Da das Material jedoch in einem Vakuum geschmolzen wird, muss jegliche Ausrüstung, die zum Transfer des geschmolzenen Material verwendet wird, typischerweise in der Lage sein, hohen Temperaturen zu widerstehen und in der Vakuumkammer positioniert zu werden, und folglich muss die Kammer relativ groß sein. Die zusätzliche Ausrüstung erhöht Kosten, und die entsprechend große Vakuumkammer benötigt mehr Zeit zum Evakuieren, wodurch die Zykluszeit beeinträchtigt wird.

Da etwas Zeit notwendigerweise zwischen dem Schmelzen des Materials und Einspritzen des geschmolzenen Materials in die Form vergeht, wird das Material mit einer begrenzten Überhitze geschmolzen – hoch genug, um zu gewährleisten, dass das Material zumindest im Wesentlichen geschmolzen bleibt, bis es eingespritzt wird, aber niedrig genug, um zu gewährleisten, dass rasche Verfestigung nach dem Einspritzen stattfindet, was die Bildung von kleinen Körnern ermöglicht, und auch, um die Wärmebelastung auf die Druckgussausrüstung (insbesondere jene Teile der Ausrüstung, welche in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall kommen) zu minimieren. Wir haben Superlegierungsmaterial mit einer kontrollierten, begrenzten Überhitze geschmolzen, z.B. haben wir erfolgreich Überhitzen innerhalb ca. 100°F bis 200°F/38 bis 93°C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung verwendet und stärker bevorzugt innerhalb ca. 50°F bis 100°F/10 bis 38°C, vorzugsweise unter Verwendung eines Schmelzsystems ohne Keramik, z.B. eine Induktionsschalen-Schmelzeinrichtung. Das Material wird ausreichend überhitzt, um zu gewährleisten, dass es geschmolzen bleibt, bis es in die Form eingespritzt wird, aber die Menge an Überhitze ist niedrig genug, um rasche Verfestigung des geschmolzenen Materials nach Einspritzen zu ermöglichen. Die geschmolzene Legierung wird dann in eine horizontale Schutzbüchse der Maschine übertragen, welche vorzugsweise in einer Vakuumumgebung angeordnet ist, und das geschmolzene Material wird unter Druck in eine wiederverwendbare Form eingespritzt. Wir haben gefunden, dass das Verfahren des Gießens und Einspritzens des geschmolzenen Materials in ein oder zwei Sekunden gut funktioniert in einer Druckgussmaschine mit einer unbeheizten Schussbüchse.

Um das geschmolzene Material vom Tiegel zu einer Schussbüchse 30 des Apparats (148 – 5) zu übertragen, ist der Tiegel zur Translationsbewegung (Pfeil 31 in 4) und auch zur Drehbewegung (Pfeils 33 von 3) um eine Gießachse angebracht und ist wiederum an einem Motor (nicht gezeigt) montiert, um den Schmelztiegel zu rotieren, um geschmolzenes Material von dem Schmelztiegel durch ein Gießloch 32 der Schussbüchse 30 zu gießen. Die Translation bzw. Seitwärtsbewegung des Schmelztiegels findet statt zwischen der Schmelzkammer 20, in welcher das Material geschmolzen wird und einer Position in einer separaten Vakuumkammer 34, in welcher die Schussbüchse angeordnet ist. Die Gießkammer 34 wird auch als nicht-reaktive Umgebung aufrechterhalten, vorzugsweise als Vakuumumgebung mit einem Druck von weniger als 100 &mgr;/13,33 Pa und vorzugsweise weniger als 50 &mgr;/6,665 Pa. Die Schmelzkammer 20 und die Gießkammer 34 sind durch ein Absperrventil oder eine andere geeignete Einrichtung (nicht gezeigt) getrennt, um den Verlust an Vakuum zu minimieren, in dem Fall, dass eine Kammer der Atmosphäre ausgesetzt wird, z.B. um Zugang zu einem bestimmten Bauteil in einer bestimmten Kammer zu erhalten. Während die dargestellte Ausführungsform eine separate Schmelz- und Gießkammer aufweist, ist es auch möglich, das Schmelzen und Gießen in einer einzelnen Kammer durchzuführen. Wir bevorzugen es, separate Kammern zu verwenden, um den Verlust an Vakuum zu minimieren, in dem Fall, dass ein bestimmtes Bauteil der Atmosphäre ausgesetzt wird, z.B. um die Schmelzeinrichtung oder die Schussbüchse zu warten oder ein Gussstück zu entnehmen.

Wie bereits festgestellt, wird das geschmolzene Material von dem Tiegel 24 in die Schussbüchse 30 durch ein Gießloch 34 übertragen. Die Schussbüchse 30 ist verbunden mit einer mehrteiligen, wiederverwendbaren Form 36, welche einen Formhohlraum 38 definiert. Eine ausreichende Menge an geschmolzenem Material, um den Formhohlraum zu füllen, wird in die Schussbüchse gegossen, wobei der Formhohlraum ein Teil oder mehrere Teile umfassen kann. Wir haben erfolgreich bis zu 12 Teile mit einem einzelnen Schuss gegossen, z.B. durch Verwendung einer Form mit 12 Hohlräumen.

Die dargestellte Form 36 umfasst zwei Bereiche, 36a, 36b (kann aber mehr Bereiche aufweisen), welche miteinander wirken, um den Formhohlraum 38 zu definieren, beispielsweise in Form einer Verdichter-Laufschaufel oder -Leitschaufel für eine Gasturbinenmaschine. Die Form 36 ist vorzugsweise direkt mit einer Vakuumquelle und auch durch die Schussbüchse verbunden, um die Evakuierung der Form vor dem Einspritzen des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen. Die Form kann in einer Vakuumkammer angeordnet sein, anstelle von oder zusätzlich zu der direkten Kopplung mit einer Vakuumquelle. Ein Bereich der beiden Bereiche 36a, 36b der Form ist typischerweise fix, während der andere Teil relativ zu dem einen Teil beweglich ist, beispielsweise durch eine hydraulische Anordnung (nicht gezeigt). Die Form umfasst vorzugsweise Auswurfstäbe (nicht gezeigt), um den Auswurf des verfestigten Materials von der Form zu erleichtern. Die Form kann auch einen Stripper-Mechanismus aufweisen (nicht gezeigt), um Gussmaterial von der Form zu entfernen, während das Material noch heiß ist, um die Wärmebelastung auf die Form weiter zu reduzieren.

Die Form kann aus verschiedenen Materialien bestehen und sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit haben und relativ widerstandsfest gegen Erosion und chemischen Angriff vom Einspritzen des geschmolzenen Materials sein. Eine umfassende Liste möglicher Materialien wäre relativ groß und umfasst Materialien wie Metalle, Keramiken, Grafit, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe und Metallmatrix-Verbundwerkstofte. Jede der verschiedenen Gussform-Materialien hat Eigenschaften, z.B. einfache Bearbeitbarkeit, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kompromisse aus den beiden, was es geeignet für verschiedene Anwendungen macht. Wir bevorzugen zur Zeit, für Superlegierungen aus Kohlenstoff-Flussstahl, z.B. 1018, gebildete Formen zu verwenden, aufgrund dessen geringer Kosten und leichter Bearbeitbarkeit. Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen können verwendet werden, um die Geräteleistung und Qualität der resultierenden Teile zu verbessern. Die Form kann auch mit einer Kühlmittelquelle, z.B. Wasser, oder Wärmequelle, z.B. Öl (nicht gezeigt), verbunden sein, um die Gussform-Temperatur während des Betriebs zu regulieren. Außerdem kann ein Gussform-Schmiermittel auf eines oder mehrere ausgewählte Teile der Form und pro Gussmaschine aufgetragen werden. Jegliches Schmiermittel sollte allgemein die Qualität der resultierenden Gussteile verbessern und sollte insbesondere resistent gegenüber wärmebedingtem Zerfall sein, um das einzuspritzende Material nicht zu verunreinigen.

Geschmolzenes Metall wird dann vom Tiegel zur Schussbüchse übertragen. Eine ausreichende Menge des geschmolzenen Materials, um die Schussbüchse teilweise zu füllen und im Folgenden die Form zu füllen, wird in die Büchse gegossen. Vorzugsweise ist die Büchse zu weniger als 50% gefüllt, stärker bevorzugt zu weniger als ca. 40% gefüllt und höchst bevorzugt zu weniger als 30% gefüllt.

Eine Einspritzvorrichtung, z.B. ein Kolben 40 wirkt mit der Schussbüchse 30 und einer Hydraulik oder einer anderen geeigneten Anordnung (nicht gezeigt) zum Antrieb des Kolbens in Richtung des Pfeils 42 zusammen, um den Kolben zwischen der mit durchgezogenen Linien dargestellten Position und der mit unterbrochenen Linien dargestellten Position zu bewegen und damit das geschmolzene Material unter Druck von der Büchse 30 in den Formhohlraum 38 einzuspritzen (Schritt 50 – 4). In der durch die durchgezogenen Linien dargestellten Position kooperieren der Kolben und die Büchse, um ein Volumen zu definieren, welches wesentlich größer ist als die Menge an geschmolzenem Material, welche eingespritzt wird. Vorzugsweise ist das Volumen mindestens das Zweifache des Volumens von einzuspritzendem Material, stärker bevorzugt mindestens das Dreifache. Entsprechend führt das geschmolzene Material, welches von dem Tiegel zu der Büchse übertragen wird, weniger als die Hälfte und stärker bevorzugt weniger als ca. ein Drittel des Büchsenvolumens. Da die Büchse nur teilweise gefüllt ist, bildet jegliches Material bzw. jegliche Haut, welche sich auf der Büchse verfestigt, nur einen Teil-Zylinder, d.h. eine offene gebogene Fläche, und wird während des Metall-Einspritzens ohne Probleme abgekratzt oder zerdrückt und in das geschmolzene Material zurückgebracht. Zum Einspritzen haben wir Kolbengeschwindigkeiten von zwischen ca. 30 inch/s (ips)/0,76 m/s und 300 ips/7,62 m/s verwendet, wobei eine Schussbüchse einen Innendurchmesser von ca. 3 inch (76 mm) hat, und wir bevorzugen zur Zeit, eine Kolbengeschwindigkeit von zwischen ca. 50 bis 175 inch/s (ips)/1,28 bis 4,5 m/s zu verwenden. Der Kolben wird typischerweise mit einem Druck von mindestens 1200 psi/8,4 MPa und stärker bevorzugt von mindestens 1500 psi/10,5 MPa bewegt. Wenn der Kolben sich dem Ende seines Stoßes nähert und wenn der Formhohlraum gefüllt ist, beginnt er, Druck auf das Metall zu übertragen. Es kann dann vorteilhaft sein, den Druck zu vergrößern, um ein komplettes Füllen des Formhohlraums zu gewährleisten, die jeweiligen Vergrößerungsparameter sind abhängig vom gewünschten Ergebnis. Die Vergrößerung wird durchgeführt, um Porosität zu minimieren und um jegliche Materialschrumpfung während des Abkühlens zu reduzieren. Wir haben eine Vergrößerung auf über 1500 psi/10,5 MPa mit zufrieden stellenden Ergebnissen verwendet. Nachdem eine ausreichende Zeitdauer vergangen ist, um die Verfestigung des Materials in der Form zu gewährleisten, werden die Auswurfstäbe (nicht gezeigt) betätigt, um Teile aus der Form auszuwerfen (Schritt 52 – 5).

Wie aus der Technik bekannt, weisen Druckgussgegenstände typischerweise etwas Porosität auf, im Allgemeinen bis zu einigen wenigen Prozent. Dementsprechend und insbesondere wenn solche Gegenstände in anspruchsvolleren Anwendungen verwendet werden, z.B. Verdichter-Strömungsprofile für Gasturbinenmaschinen, besteht ein Erfordernis, die Porosität zu reduzieren und vorzugsweise zu eliminieren und, falls notwendig, anders zu behandeln (Schritt 54 – 5). Die Teile werden daher vorzugsweise mit heißem isostatischem Pressen (HIP), wie beschrieben, behandelt, um Porosität in den Teilen im Zustand nach dem Gießen zu reduzieren und im Wesentlichen zu eliminieren. Tatsächliche Wärmebehandlungs- und NIP-Parameter können abhängig von der gewünschten Anwendung für den Gegenstand und der zu erzielenden Zykluszeit für das Verfahren variiert werden, die Temperatur, der Druck und die Zeit, welche während HIP verwendet werden, müssen jedoch ausreichend sein, um im Wesentlichen die gesamte Porosität in den Druckgussgegenständen zu eliminieren, ohne jedoch signifikantes Kornwachstum zu ermöglichen. Typische Korngrößen sind kleiner als ASTM 0, wobei stärker beanspruchte Teile, z.B. Gasturbinenmaschinen-Komponenten, vorzugsweise ASTM 3 oder weniger haben.

Die Teile werden inspiziert (Schritt 56 – 5) unter Verwendung konventioneller Inspektionstechniken, z.B. durch Fluoreszenz-Penetrantinspektion (FPI), radiografische und visuelle Inspektion, und nach durchlaufener Inspektion können die Teile verwendet werden oder weiter behandelt/wieder behandelt werden, falls erforderlich (Schritt 58 – 5).

Als Folge unserer Arbeit mit Superlegierungen sind wir der Ansicht, dass mehrere Bedingungen wichtig sind, um Gussstücke mit guter Qualität zu produzieren. Das Schmelzen, Gießen und Einspritzen von Material, insbesondere bei reaktiven Materialien, muss in einer nicht-reaktiven Umgebung durchgeführt werden, und wir bevorzugen, diese Arbeitsvorgänge in einer Vakuumumgebung durchzuführen, welche bei einem Druck von vorzugsweise weniger als 100 &mgr;/13,33 Pa und stärker bevorzugt von weniger als 50 &mgr;/6,665 Pa gehalten wird. Das Ausmaß an Überhitze sollte ausreichend sein, um zu gewährleisten, dass das Material im Wesentlichen und vollständig geschmolzen bleibt von dem Zeitpunkt, an welchem es gegossen wird, bis es eingespritzt wird, aber auch, um rasches Kühlen und die Bildung von kleinen Körnern zu ermöglichen, sobald es eingespritzt wird. Ausgrund der relativ geringen Überhitze muss der Transfer und das Einspritzen von geschmolzenem Material rasch genug sein, um vor der Metallverfestigung stattzufinden. Die resultierende Mikrostruktur, z.B. Korngrößen, scheint mit der Schichtdecke des gegossenen Teils wie auch mit den verwendeten Formmaterialien und der verwendeten Überhitze zu korrespondieren, d.h. dünnere Bereiche neigen dazu, kleinere Körner aufzuweisen, und dickere Bereiche (insbesondere interne Abschnitte der dickeren Bereiche) neigen dazu, größere Körner aufzuweisen. Gussformmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit führen zu Gegenständen mit kleineren Körnern wie auch die Verwendung von geringeren Überhitzen. Wir sind er Ansicht, dass dies aus den relativen Abkühlraten resultiert. Die Rate, mit welcher der Kolben bewegt wird, und entsprechend die Rate, mit welcher das Material in die Form eingespritzt wird, scheint die Oberflächenbeschaffenheiten der Gegenstände im Zustand nach dem Gießen zu beeinflussen, obwohl die Konstruktion des Angusses, wie auch das Gussformmaterial, auch eine Rolle in Kombination mit der Einspritzgeschwindigkeit spielen können.

Druckguss bietet andere beträchtliche Vorteile gegenüber Schmieden. Vom Gesichtspunkt der benötigten Ausrüstung her betrachtet erfordert Schmieden das Herstellen von mehreren Gussformen zur Erzeugung eines neuen Teils mit beträchtlichen Kosten. Demgegenüber wird nur ein einzelner Gussform-Satz pro Teil bei signifikant reduzierten Kosten im Vergleich zum Schmieden benötigt. Die zur Herstellung eines Teils benötigte Zeit vom Barren zum fertigen Teil ist signifikant reduziert, da es kein Erfordernis gibt, besonders angefertigte Formlinge des Materials herzustellen und das Druckgießen allgemein in einem einzelnen Schritt durchgeführt wird, im Gegensatz zu mehreren Schmiedevorgängen. Beim Druckgießen können mehrere Teile in einem einzelnen Guss hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexeren dreidimensionalen Gestalten, wodurch ermöglicht wird, neue Software-Konstruktionstechnologie in Bereichen anzuwenden und auszunutzen, wie z.B. Gasturbinenmaschinen, und es ermöglicht die Herstellung von effizienteren Strömungsprofilen und anderen Komponenten. Wir sind der Ansicht, dass Druckgießen die Herstellung von Gegenständen mit komplexen Gestalten ermöglichen wird, unter Verwendung von Materialien, welche nur mit Schwierigkeiten oder gar nicht in diese Form geschmiedet werden können. Außerdem können die Druckgussgegenstände näher an ihrem Endzustand mit besseren Oberflächeneigenschaften produziert werden, was Nachbearbeitungsvorgänge nach dem Gießen minimiert, all das reduziert auch die Kosten der Herstellung solcher Teile.