Präzisionsguss

Zur Weiter- bzw. Neuentwicklung verschiedenster Feinguss-Verfahren ist eine große Bandbreite an Anlagentechnik im Einsatz; darunter Wachsspritzen, Besandungs- und Einbetteinrichtungen, eine manuell zu bedienende Ausbettanlage, eine Mehrweck-Vakuumgießanlage nach dem Bridgman-Prinzip des Typs VIM IC 5 S der Firma ALD. Eckdaten dieser Anlage sind Gießgewichte von 1,5kg bis 50kg, Gieß- und Heizertemperaturen von 1700°C und maximale Formschalenabmessungen von 600mm im Durchmesser und 750mm in der Höhe. Diese neue Anlage bietet verbesserte Analysemöglichkeiten für die einzelnen Prozessschritte, Prozessparameter und Erstarrungsabläufe und bietet somit neue Möglichkeiten der Gefügebeeinflussung. Das erhöhte Prozessverständnis und die hohe Fertigungsflexibilität erlauben eine abgesicherte Industrietauglichkeit des Prozesses. Mit dieser Ausstattung kann an modernsten Feingussverfahren geforscht werden. Die Verfahrensentwicklung umfasst alle Prozessschritte: Wachsmodellherstellung, Formstoffentwicklung, Herstellung keramischer Formschalen, Legierungsentwicklung und Gießtechnik. In der Prozessentwicklung sind beispielsweise Arbeiten an neuesten faserverstärkten Werkstoffen sowie modernen Superlegierungen und anderen Hochleistungswerkstoffen enthalten. Zusätzlich kann die Prozessentwicklung jederzeit von Simulationen begleitet werden.

Ni-basierende Superlegierungen

Der Herstellungsprozess von komplex aufgebauten einkristallinen Laufschaufeln moderner Gasturbinen beinhaltet zeitaufwendige, kostenintensive Prozessschritte und hohe Materialkosten. Ein hoher Ausschuss an fehlerhaften Turbinenschaufeln infolge des komplexen Herstellungsprozesses führt schnell zu einer geringen Wertschöpfung. Aus diesem Grund sind kosteneinsparende neue Prozesse, ausschussminimierende Prozessoptimierung und Legierungsentwicklung zur Reduzierung von teuren Legierungselementen Schwerpunkt der folgenden Projekte:

  • Innovative Prozesstechnik (DWDS) zur gerichteten Erstarrung
  • Unterkühlbarkeit von Superlegierungen mit den Legierungselementen  Co, Re und Ru
  • Entstehungsmechanismus des Gussfehlers „Freckles“
  • Ausschussminimierung durch Reduzierung von Großwinkelkorngrenzen an Querschnittsänderungen bei der gerichteten Erstarrung

Eigenschaften offenzelliger Al-Legierungsschäume

Mehrskalige Charakterisierung von Wechselwirkungen zwischen Mikrostruktur und Geometrie zur Anpassung der Eigenschaften offenzelliger Al-Legierungsschäume (DFG)

Laufzeit: 01.02.2020 – 30.01.2023

Beteiligte Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut, TU Berlin


Unterschiedliche Strukturebenen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften von metallischen Schäumen, die als Strukturhierarchie bekannt sind. Auf kleinster Ebene sind die Mikrostruktur sowie die Anordnung der Phasen, die hauptsächlich durch die Legierung und die Wärmebehandlung beeinflusst werden, maßgeblich für die mechanischen Eigenschaften. Auf mesoskopischer Ebene sind das Design von Strukturstreben und Platten, Kanten und Flächen von Zellen bilden. Schließlich beeinflussen die Zellkonfiguration und das Geometriedesign der Zellen die Schaumeigenschaften.

In diesem Projekt werden die Auswirkungen verschiedener Parameter in den genannten Ebenen auf die mechanischen Eigenschaften von offenzelligen Aluminiumschäumen untersucht. Die Herstellung dieser erfolgt dabei über die konventionelle Feingussroute. Zu den konkret betrachteten Parametern gehören der Einfluss von Legierungselementen und Wärmebehandlungen sowie der Einfluss unterschiedlicher Zellstrukturen. Um die Zellgeometrie der Schäume gezielt zu variieren, wird auf 3D-Drucktechnologie zurückgegriffen, die eine schnelle und flexible Untersuchung verschiedener Geometrien erlaubt.

Spannungs- und Rissbildung in Feingussformschalen

Untersuchung der Spannungs- und Rissbildung in Feingussformschalen während des Ausschmelzprozesses im Dampfautoklaven (AiF)

Laufzeit: 01.08.19 – 31.07.21

Beteiligte Forschungseinrichtungen: Access e.V.

 

Im November 2019 startete das Gießerei-Institut zusammen mit Access e.V. das Projekt „Dampfautoklav“. Dabei wird die Spannungs- und Rissbildung in Feingussformschalen während des Ausschmelzprozesses im Dampfautoklaven untersucht.

Der Feinguss ist ein vielseitiges gießtechnisches Fertigungsverfahren für hochpräzise und komplexe Bauteilen. In mehreren Prozessschritten wird auf ein Einmalmodell keramische Schichten aufgetragen, der Modellwerkstoff aus der grünfesten Formschale entfernt und die Keramik anschließend gesintert. Hierbei ist ein Schlüsselprozessschritt das Entfernen des Modellwerkstoffs mittels Dampfautoklav aus der keramischen Negativform. Da die üblicherweise als Modellwerkstoff zum Einsatz kommenden Wachse einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die keramische Formschale aufweisen, kommt es bei Erhitzen der Formschale mit Wachsmodell zu Druckspannungen in der Keramik. Dies kann zu Rissen und damit entweder zu einer aufwendigen Reparatur oder direkt zum Ausschuss der Formschale führen. Aus diesem Grund wird ein Simulationsmodell aufgebaut, um zum einen den Prozess besser zu verstehen und zum anderen bei dem Design der Gießform die rissanfälligen Bereiche zu erkennen und zu vermeiden.

MC-Karbide

Multiphase Erstarrung und polykristalline Mikrogefüge in Einkristall-Superlegierungen (DFG)

Laufzeit: 01.03.18 – 31.08.20

Das Erstarrungsverhalten von Nickelbasis Superlegierungen ist aufgrund der Mehrkomponentensysteme mit 6 bis 10 Legierungselementen sehr komplex und die Erstarrungsprozesse bestehen aus einer Reihe von Mehrphasenübergängen. Die geringe Diffusionsfähigkeit der Legierungselemente führt unter Nichtgleichgewichtsverfestigung zu einer deutlichen Entmischung, die zur Bildung eines eutektischen Gefüges an den Dendriten und zur Instabilität der mechanischen Eigenschaften führt. Bei kohlenstoffhaltigen Legierungen bilden sich zusätzlich MC-Karbide in der interdendritischen Restschmelze. Auch an diesen Karbiden können Eutektika ankeimen und haben dadurch eine andere Kristallorientierung als der Einkristall. Zur Untersuchung dieser Erstarrungsmechanismen werden neben Gießversuchen in einer Bridgmananlage im Industriemaßstab auch Abschreckversuche (siehe Abbildung) durchgeführt. Dabei werden die Legierungselemente und die Prozessparameter variiert, um eine Leistungssteigerung und Prozessoptimierung zu erreichen.