Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze eines ersten Metalls in einer Gießform, wobei das Verfahren das Bereitstellen der Schmelze in der Gießform auf einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des ersten Metalls und anschließendes Ab¬ kühlen der Schmelze in der Gießform durch Eintauchen der Gießform in ein Bad aus einem flüssigen zweiten Metall, wel¬ ches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, welche un¬ terhalb des Schmelzpunktes des ersten Metalls liegt, umfaßt und wobei die Vorrichtung eine Heiz ämmer, welche eine Heiz¬ zone zur Warmhaltung der Schmelze und der Gießform auf einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des ersten Me¬ talls, einen unterhalb der Heizkammer angeordneten Tiegel mit einem Bad aus einem flüssigen zweiten Metall, welches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, die unterhalb des

Schmelzpunktes des ersten Metalls liegt, sowie eine Fahrein¬ richtung zur Bewegung der Gießform aus der Heizzone in das Bad umfaßt.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze wird angewendet, wenn aus einer Schmelze ein Gußstück mit stengelkristallinem oder einkristallinem Gefüge gebildet werden soll. Dies kommt insbesondere in Frage bei der Herstellung einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine aus einer Schmelze einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legie¬ rung, insbesondere einer Superlegierung.

Unter einem stengelkristallinen Gefüge wird in jedem Fall ein vielkristallines Gefüge verstanden, welches aus langgestreck- ten, stengeiförmigen Kristalliten besteht, die alle entlang einer bestimmten Achse ausgerichtet sind. Dieses Gefüge ist besonders widerstandsfähig gegen Belastungen, die entlang der

Achse gerichtet sind. Unter einem einkristallinen Gefüge wird in der Tat das Gefüge eines Einkristalls verstanden, letzt¬ lich also ein Werkstück, welches im wesentlichen ein einziger Kristall ist. Hinweise dazu sind der EP 0 092 496 Bl entnehm- bar.

Die Bildung von Einkristallen aus Schmelzen ist auch auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannt, wobei hier bislang an¬ dere als die bisher beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden. In letzter Zeit gibt es aber Forschungs¬ anstrengungen, bei denen Verfahren und Vorrichtungen ähnlich den für metallische Werkstoffe bekannten eingesetzt werden. Im Zusammenhang mit der gerichteten Erstarrung metallischer Schmelzen sind mehrere Möglichkeiten zur Erzielung eines ein- kristallinen Gefüges bekannt. Die bevorzugte Möglichkeit liegt nach der EP 0 092 496 Bl darin, die Schmelze in einer Gießform erstarren zu lassen, die an ihrem unteren Ende eine spiralförmig gekrümmte Einschnürung aufweist, wobei unterhalb der Einschnürung zunächst ein stengelkristallines Gefüge ent- steht, von dem aus nur ein einziger Stengelkristall die Ein¬ schnürung durchwachsen und somit zum Ausgangspunkt der Kri¬ stallisation der Schmelze oberhalb der Einschnürung werden kann. Alternativ dazu ist es möglich, in die Gießform einen sogenannten Impfkristall, d.h. einen kleinen Einkristall, einzulegen, von dem aus die Schmelze unter Beibehaltung der Orientierung des Impfkristalls kristallisieren kann. Hierbei sind selbstverständlich Vorkehrungen erforderlich, um ein vollständiges Aufschmelzen des mit der zu erstarrenden Schmelze zu bedeckenden Impfkristalls zu vermeiden.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gehen hervor aus der DE 28 15 818 AI. Das in jedem Fall vor¬ gesehene Eintauchen der Gießform in das kühlende Bad, welches insbesondere aus flüssigem Zinn besteht, dient dazu, in der Gießform und der Schmelze eine Zone mit einem steilen verti¬ kalen Temperaturgradienten zu erzeugen, die mit zunehmendem Eintauchen der Gießform in das Bad entgegen der Richtung, in

der die Gießform eingetaucht wird, durch die Schmelze wan¬ dert. Ein möglichst steiler Temperaturgradient ist erwünscht, weil er die Bildung eines günstigen Gefüges bewirkt. Er geht einher mit einer hohen Abkühlungsrate beim Eintauchen der Gießform mit der Schmelze in das Bad. Unter einem günstigen Gefüge versteht man in diesem Fall ein Gefüge, das weitgehend frei ist von Inhomogenitäten, Segregationen, niedrig schmel¬ zenden Nichtgleichgewichtsphasen und Poren und somit gute me¬ chanische Eigenschaften aufweist. Ein weiterer Vorteil des steilen Temperaturgradienten ist, daß er einen schnellen und kostengünstigen Fertigungsprozeß ermöglicht. Die Ausbildung eines hohen Temperaturgradienten wird allerdings konterka¬ riert durch eine von der Heizzone ausgehende intensive Wärme¬ strahlung, die bedingt ist durch die in der Heizzone herr- sehende hohe Temperatur von üblicherweise um 1600 °C. Diese Wärmestrahlung kann das Bad stark aufheizen, was zu einer be¬ trächtlichen Verringerung des erzielbaren Temperaturgradien¬ ten und zu einem Verdampfen des Bades führen kann, insbeson¬ dere dann, wenn gemäß üblicher Praxis das gerichtete Erstar- ren der Schmelze unter Vakuum erfolgen soll. Um diese nach¬ teiligen Effekte auszuschließen und zu verhindern, daß Strah¬ lung aus der Heizkammer das Bad erwärmt, ist an der Unter¬ seite der Heizkammer ein zur Gießform hin gerichteter, allge¬ mein als "Baffle" bezeichneter Strahlungsschirm vorgesehen, der das Bad gegen die Heizzone abschirmen soll. Zusätzlich schwimmt auf der Kühlschmelze eine Trennplatte aus einem wär¬ meisolierenden Material, welche zum Eintauchen der Gießform in 'die Kühlschmelze eine Öffnung hat. Die mit dieser Anord¬ nung erzielbare Wärmedämmung ist allerdings unvollkommen, insbesondere dann, wenn ein Gußstück mit variablem Quer¬ schnitt hergestellt werden soll und demgemäß eine Gießform mit ebenfalls stark veränderlichem Querschnitt verwendet wer¬ den muß. In diesem Fall müssen Strahlungsschirm und Trenn¬ platte auf den größten Querschnitt der Gießform abgestimmt sein. Dies führt allerdings dann, wenn ein Bereich der Gie߬ form mit deutlich verringertem Querschnitt durch das Baffle und die Trennplatte in das Bad eintreten soll, zur Entstehung

eines Spaltes, der das Durchtreten von Wärmestrahlung zu dem Kύhlbad erlaubt und sich demgemäß nachteilig auf den erziel¬ baren Temperaturgradienten auswirkt.

Die DE-AS 19 53 716 zeigt bereits einen Behälter mit einem Bad zur Abkühlung einer Schmelze in einer Gießform, wobei die Oberfläche des Bades mit einer wärmeisolierenden Deckschicht bedeckt ist. Das Bad besteht aus flüssigem Blei. Die wärme¬ isolierende Schicht hat den Sinn, ein Oxidieren und ein über- mäßig starkes Abkühlen des Bades zu verhindern. Die Kühl¬ schmelze steht in keinerlei unmittelbarer Beziehung zu einer Heizvorrichtung; das Bad wird benutzt, indem zunächst die leere Gießform hineingegeben und anschließend mit der zu er¬ starrenden Schmelze befüllt wird. Ein gerichtetes Erstarren der Schmelze ist nicht vorgesehen. Ebensowenig ist die Erzie¬ lung einer besonderen Verteilung der Temperatur im Inneren der Schmelze oder des daraus gebildeten Gußstücks ein Thema.

Aus der DE 22 42 111 B2 ist es bei einem Verfahren und bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die

Oberfläche des Bades so dicht unterhalb der Heizkammer vorzu¬ sehen, daß eine am unteren Ende der Gießform vorgesehene Kühlplatte schon vor dem Eintauchen der eigentlichen Gießform zumindest teilweise in das Bad eintaucht. Hierdurch wird die Kühlplatte auch dann auf einer der Temperatur des Bades ent¬ sprechenden Temperatur gehalten, wenn die Gießform sich noch in der Heizzone befindet und womöglich noch nicht gefüllt ist ^" . Hierdurch wird die Kühlung der Schmelze am unteren Ende der Gießform intensiviert und darüber hinaus eine gewisse zu- sätzliche Abschirmung des Bades vor der von der Heizzone aus¬ gehenden Hitzestrahlung erreicht. Ergänzend ist an einem un¬ teren Ende der Heizkammer ein besonderer Hitzeschild vorgese¬ hen. Zur Vergleichmäßigung der Temperatur in dem Bad ist eine Rührvorrichtung vorgesehen, mit der das Bad umgewälzt werden kann.

Zu allen bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum gerichte¬ ten Erstarren einer Schmelze sei festgestellt, daß sie zur Herstellung von Gußstücken mit Abmessungen, die einen Wert von 10 cm deutlich überschreiten, nur bedingt geeignet sind. Der Grund liegt im wesentlichen darin, daß die bisher erziel¬ baren Temperaturgradienten für ein zuverlässiges gerichtetes Erstarren größerer Schmelzen nicht ausreichen, wobei sich die geschilderte Problematik aufgrund der Einstrahlung von Wärme aus der Heizzone in das Bad bei größeren Gußstücken mit vari- ierenden Querschnitten zusätzlich störend auswirkt. Probleme stellen sich bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen auch ein, wenn vielzählige, nach Art einer Traube untereinan¬ der und mit einem gemeinsamen Eingußkanal verbundene Gu߬ stücke gleichzeitig hergestellt werden sollen, da in einem solchen Fall die in den Gußstücken erzielbaren Temperaturgra¬ dienten wegen weiter verringerter Abschirmmöglichkeit noch¬ mals verringert sind.

Die Aufgabe, von der die Erfindung ausgeht, liegt daher dar- in, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten

Art derart weiterzuentwickeln, daß eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Abschirmung des Bades und ein gegenüber den Möglichkeiten des Standes der Technik we¬ sentlich höherer Temperaturgradient beim Einführen der Gieß- form mit der Schmelze in das Bad erzielt wird. Vorzugsweise sollen ein günstigeres Gefüge für die erstarrte Schmelze und eine kürzere Herstellungszeit erreicht werden. Es sollen auch größere Gußstücke unter Gewährleistung des gerichteten Er- starrens und unter Vermeidung einer Überhitzung und/oder Ver- dampfung des Bades hergestellt werden können.

Zur Lösung der Aufgabe, soweit sie sich auf ein Verfahren be¬ zieht, wird ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze eines ersten Metalls in einer Gießform angegeben, umfassend Bereitstellung der Schmelze in der Gießform auf ei¬ ner ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des ersten Metalls und anschließendes Abkühlen der Schmelze in der Gieß-

form durch Eintauchen der Gießform in ein Bad aus einem flüs¬ sigen zweiten Metall, welches sich auf einer zweiten Tempera¬ tur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des ersten Me¬ talls liegt, wobei das Bad bedeckt ist von einer schwimmen- den, fließfähigen Deckschicht aus einem wärmeisolierenden Schüttgut und die Gießform mit der Schmelze durch die Deck¬ schicht hindurch in das Bad eingetaucht wird.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Deckschicht aus fließfähigem Material schirmt das Bad vollständig ab, auch während die Gießform in das Bad eintritt, da das fließfähige Schüttgut die Gießform stets eng umschließt selbst dann, wenn sich ihr Querschnitt während des Durchdringens der Deckschicht verän¬ dert und auch dann, wenn die Gießform eingerichtet ist zur Aufnahme mehrerer voneinander beabstandeter Schmelzen, wie dies im Stand der Technik gelegentlich beschrieben und oben bereits erläutert ist.

Mit der Erfindung ist erstmalig eine weitgehend vollständige Verhinderung eines wesentlichen Wärmeeintrags in das Bad mög¬ lich, während eine Schmelze in gerichteter Weise erstarrt wird. Dabei ermöglicht die Erfindung eine wesentliche Ver¬ größerung des beim Erstarren einer Schmelze wirksamen Tempe¬ raturgradienten und erlaubt aufgrund der erreichbaren schnel- len Abkühlung die Erzielung besserer Eigenschaften sowie eine hohe Produktivität bei der Serienfertigung von Gußstücken. Auf dieser Grundlage ermöglicht die Erfindung auch die ratio¬ nelle und serienweise Fertigung von Gußstücken mit deutlich größeren Abmessungen und/oder größeren Trauben von Gußstücken als bisher und erschließt die Anwendung der gerichteten Er¬ starrung für Komponenten von stationären Gasturbinen mit Nennleistungen bis 200 MW und darüber hinaus, insbesondere für Turbinenschaufeln.

Die Deckschicht kann mit relativ geringem Aufwand und kosten¬ günstig erzeugt werden, indem zu ihrer Bildung fließfähige und isolierfähige Festkörper verwendet werden. Als solche

Festkörper kommen insbesondere keramische Hohlkörper, vor¬ zugsweise Hohlkugeln, zum Einsatz. Diese Hohlkörper bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Keramik, insbe¬ sondere Mullit, und haben Außendurchmesser zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise von etwa 1 mm.

Anforderungen an die Materialien, die zur Bildung der Deck¬ schicht in Frage kommen, sind eine geringe Wärmeleitfähigkeit und gute Schwimmfähigkeit auf dem Bad, sowie, zur Gewährlei- stung der Fließfähigkeit der Deckschicht, eine möglichst ge¬ ringe Neigung, bei den an der Deckschicht, anliegenden Tempe¬ raturen untereinander zu verkleben oder zu versintern. Auch ist bedeutsam, daß die Bestandteile der Deckschicht nicht we¬ sentlich von dem zweiten Metall benetzbar sind, da derart si- chergestellt ist, daß das zweite Metall sich nicht in die Deckschicht eingelagert und bis zu der der Heizzone ausge¬ setzten Oberfläche transportiert wird, wobei mit einer Ver¬ dampfung sowie mit Beeinträchtigungen der Isolierfähigkeit und Fließfähigkeit der Deckschicht zu rechnen wäre.

Ein Werkstoff, der den vorgenannten Anforderungen gerecht wird, ist das erwähnte Mullit, zu verwenden vorzugsweise in Form von Hohlkugeln. Die Deckschicht sollte dabei vorzugswei¬ se eine Schüttung von Kugeln mit übereinstimmenden Außen- durchmessern sein, wobei für Außendurchmesser von etwa 1 mm besonders gute Ergebnisse erwartet werden. Die Verwendung von Hohlkugeln mit deutlich größeren Außendurchmessern sowie die Verwendung von Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern wer¬ den als weniger günstig betrachtet.

Neben keramischen Hohlkörpern eignen sich ebenfalls kerami¬ sche Vollkörper, die eine gute Schwimmfähigkeit auf dem Bad und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Material für diese Vollkörper, welche bevorzugterweise als Vollkugeln ausgebildet sind, kommen keramische Oxide, wie das erwähnte Mullit, sowie Aluminium-, Magnesium- oder Zirkonoxid in Frage. Bevorzugtermaßen haben die Vollkörper einen Durchmes-

ser zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise etwa 1 mm. Die Verwendung von Vollkugeln zeichnet sich durch eine besonders gute Raumausnutzung ohne wesentliche Hohlräume zwischen den Vollkugeln aus, wodurch eine gute Wärmeisolierung gegeben ist.

Als Alternative zu den Hohlkugeln aus Mullit ist eine Deck¬ schicht in Form einer Schüttung aus Aluminium-, Magnesium¬ oder Zirkonoxid denkbar, wobei die Schüttung aus Pulverteil- chen bestehen sollte, deren Außendurchmesser zwischen einer unteren Grenze von 0,06 mm und einer oberen Grenze von 0,4 mm liegen. Für eine derart ausgebildete Deckschicht kann ent¬ sprechendes marktgängiges keramisches Pulver verwendet wer¬ den.

Eine weitere mögliche Alternative ist die Verwendung einer Salzschmelze als Deckschicht.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, die Gießform mit der Schmelze zunächst in einer Heizzone auf der ersten Temperatur zu halten und anschließend aus der Heizzone in das Bad einzutauchen, wobei zumindest dann, wenn die Gießform in die Deckschicht eintaucht, die Deckschicht unmittelbar an die Heizzone heranreicht. Der Abstand zwischen der Heizzone und dem Bad muß möglichst klein sein, um einen möglichst großen Temperaturgradienten in der zu erstarrenden Schmelze zu erhalten. Bei einer entsprechenden Anordnung ist außerdem gewährleistet, daß eine besonders günstige Anfangs¬ position für die Gießform möglich ist. In dieser Anfangsposi- tion taucht eine unter der Gießform befindliche Kühlplatte bereits in das Bad ein, während die noch zu befüllende Gie߬ form etwa mit dem unteren Ende der Heizzone abschließt. So ist beim Eintauchen der Gießform eine besonders hohe anfäng¬ liche Erstarrungsgeschwindigkeit erreichbar. Für diese Maß- nähme sind mehrere Realisierungsmöglichkeiten denkbar. So kann z. B. ein Tiegel, der das Bad enthält, so groß gemacht werden, daß er bis an die Heizzone heranreicht und über dem

Bad bis an die Heizzone mit dem die Deckschicht bildenden Schüttgut gefüllt wird; eine Alternative liegt darin, den Tiegel und eine Heizkammer, in der die Heizzone vorgesehen ist, gegeneinander beweglich auszuführen und vor dem Eintau- chen der Gießform in das Bad einander entsprechend anzunä¬ hern.

Generell wird für die Deckschicht eine Dicke zwischen 30 mm und 50 mm bevorzugt, wobei diese Dicke zumindest während des Eintauchens der Gießform in das Bad gewährleistet sein soll¬ te. Eine solche Dicke wird den Isolierungsanforderungen auf¬ grund der intensiven Wärmestrahlung, mit der die Deckschicht im Regelfall beaufschlagt wird, in besonderer Weise gerecht.

Mit weiterem Vorzug erfolgt die Durchführung des Verfahrens unter Ausschluß von Sauerstoff, vorzugsweise unter Vakuum, zum Zwecke der Vermeidung oxidischer Schlacken auf dem Bad. Dies ist wichtig, um ein durch Schlacken u. U. begünstigtes Verkleben des Schüttgutes in der Deckschicht zu vermeiden. Vor allem dann, wenn als zweites Metall Zinn verwendet wird, wird bevorzugtermaßen die Deckschicht unter einem Vakuum mit einem Restdruck von höchstens 10 ^~ 3 πbar, weiter bevorzugt von höchstens 10 ^~ mbar, gehalten. Neben der Vermeidung der Neu¬ entstehung von Oxid aus dem zweiten Metall wird, wenn das zweite Metall Zinn ist oder Zinn enthält, bei einem solchen Vakuum auch die Zersetzung eventuell bereits vorliegenden Zinnoxids und damit eine Reinigung des Bades und der Deck¬ schicht erreicht. Dieser Effekt beruht auf der chemischen In¬ stabilität und entsprechender Neigung zur Zersetzung des Zinnoxids bei den für das Bad üblicherweise in Frage kommen¬ den Temperaturen; wird durch Bereitstellung eines hinreichend guten Vakuums die Abfuhr des bei der Zersetzung anfallenden Sauerstoffs gesichert, so kann eventuell vorliegendes Zinn¬ oxid vollständig beseitigt werden.

Das Verfahren jedweder Ausgestaltung findet vorzugsweise Ver¬ wendung zum gerichteten Erstarren eines ersten Metalls in Form einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung, insbeson¬ dere einer Superlegierung, wie sie im Zusammenhang mit Turbi- nenschaufeln für Gasturbinen üblicherweise in Betracht gezo¬ gen wird.

Das zweite Metall, welches das Bad bildet, ist vorzugsweise Aluminium oder Zinn, wobei dem Zinn ein besonderer Vorzug ge- bührt. Unter Verwendung von Zinn kann das Bad auf einer zwei¬ ten Temperatur unterhalb von 500 °C, vorzugsweise bei etwa 300 °C, gehalten werden, und somit ist eine besonders hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt des ersten Me¬ talls und der Temperatur des Bades möglich. Eine möglichst niedrige zweite Temperatur bewirkt außerdem eine Verringerung der Gefahr, daß das zweite Metall in nennenswertem Umfang verdampft.

Mit dem Verfahren jedweder Ausgestaltung wird insbesondere durch gerichtetes Erstarren der Schmelze eine Komponente für eine Gasturbine, insbesondere eine Turbinenschaufel, erzeugt.

Zur Lösung der der Erfindung im Hinblick auf eine Vorrichtung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine Vorrichtung zum gerichte- ten Erstarren einer Schmelze eines ersten Metalls in einer Gießform angegeben, umfassend eine Heizkammer, welche eine Heizzone zur Warmhaltung der Schmelze und der Gießform auf einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des er¬ sten Metalls, einen unterhalb der Heizkammer angeordneten Tiegel mit einem Bad aus einem flüssigen zweiten Metall, wel¬ ches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, die unter¬ halb des Schmelzpunktes des ersten Metalls liegt, sowie eine Fahreinrichtung zur Bewegung der Gießform aus der Heizzone in das Bad, wobei das Bad bedeckt ist von einer schwimmenden, fließfähigen und von der Gießform durchdringbaren Deckschicht aus einem wärmeisolierenden Schüttgut.

Hinsichtlich der Vorteile, die diese erfindungsgemäße Vor¬ richtung bietet, gelten alle zu dem erfindungsgemäßen Verfah¬ ren gemachten Ausführungen, von deren Wiederholung an dieser Stelle abgesehen wird.

Wie bereits ausgeführt, sind die Heizkammer und der Tiegel vorzugsweise gegeneinander bewegbar, um zur gerichteten Er¬ starrung der Schmelze in der Gießform die Heizzone in der Heizkammer und die Deckschicht in dem Tiegel in eine ge- wünschte enge räumliche Beziehung zueinander bringen zu kön¬ nen.

Ebenfalls ist es bevorzugt, die Deckschicht in der Vorrich¬ tung seitlich zu umgrenzen von einem auf dem Bad schwimmenden und durch den Auftrieb dichtend gegen die Heizkammer gepre߬ ten Ring. Ein dichtendes Anliegen des Rings an der Unterseite der Heizkammer kann ermöglicht sein durch die vorstehend be¬ schriebene Ausführung, bei der die Heizkammer und der Tiegel gegeneinander bewegbar sind. Der Ring trägt wesentlich dazu bei, die Deckschicht gegenüber der Heizzone und der Oberflä¬ che des Bades zu fixieren, wobei ein Austreten von Wärme¬ strahlung aus der Heizkammer in Richtung des Bades zuverläs¬ sig verhindert werden kann. Damit ist auch gewährleistet, daß die Deckschicht unmittelbar mit der hohen Temperatur der Heizzone beaufschlagt und somit innerhalb der Deckschicht ein besonders hoher Temperaturgradient erreicht wird. Der Ring kann gegebenenfalls begleitet sein von einem geeignet ausge¬ bildeten Oberlauf an dem Tiegel, über den das zweite Metall aus dem Bad entweichen kann, wenn eine Gießform eingetaucht wird. Die Frage, ob ein Überlauf vonnöten ist, ist selbstver¬ ständlich in jedem Einzelfall unter Berücksichtigung aller Gegebenheiten, insbesondere der Geometrie des Bades und des jeweils von einer Gießform zu verdrängenden Volumens zu ent¬ scheiden.

Hinsichtlich der Bildung der Deckschicht mit Schüttgut aus von dem zweiten Metall nicht benetzbaren Festkörpern, insbe-

sondere keramischen Hohlkörpern aus Mullit oder dergleichen oder pulverförmigen Zubereitungen aus Aluminium-, Magnesium¬ oder Zirkonoxid, jeweils mit bestimmten Abmessungen, sei auf die obigen Ausführungen zu entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.

Die Deckschicht ist vorzugsweise so ausgeführt und angeord¬ net, daß der Abstand zwischen der Heizzone und der Oberfläche des Bades möglichst klein ist, um einen möglichst großen Tem- peraturgradienten zu erzeugen.

Vorzugsweise hat die Deckschicht eine Dicke zwischen 30 mm und 50 mm, um eine ausreichende Wärmeisolierung zu gewährlei¬ sten.

Die Vorrichtung ist mit weiterem Vorzug umschlossen von einem evakuierbaren und/oder mit einem Schutzgas befüllbaren Schutzgefäß. Dadurch kann die Einwirkung schädlicher Gase wie z. B. Sauerstoff auf das erste Metall oder das zweite Metall oder, durch Bildung eines Vakuums in dem Schutzgefäß, die

Ausbreitung von Wärme durch Konvektion verhindert werden. In diesem Zusammenhang sei unter Vakuum eine Atmosphäre verstan¬ den, die einen Wert von 10 ^" ^ mbar nicht überschreitet, vor¬ zugsweise unter 10"^ mbar liegt. Die Temperatur im Inneren des Schutzgefäßes kann auf einem Wert bis zu 300 °C liegen, was insbesondere auch sicherstellt, daß organische Ablagerun¬ gen durch den zur Aufrechterhaltung des Vakuums erforderli¬ chen Pumpprozeß entfernt werden und weder die Vorrichtung noch die darin befindlichen flüssigen Metalle beeinträchtigen können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der Zeichnung hervor. Zur Verdeutlichung spezifischer Einzelheiten ist die Zeichnung nicht maßstabsgetreu und gegebenenfalls leicht ver- zerrt ausgeführt. Im einzelnen zeigen:

FIG 1 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsge¬ mäße Vorrichtung mit einer Gießform, die eine abzukühlende Schmelze enthält;

FIG 2 und FIG 3 Ansichten des Bades mit jeweils einem Ausfüh¬ rungsbeispiel für die Deckschicht.

FIG 4 eine gerichtet erstarrte Turbinenschaufel mit sten¬ gelkristallinem Gefüge.

Figur 1 zeigt eine Schmelze 1 eines ersten Metalls in einer Gießform 2, welche zum Zwecke der Abkühlung in ein Bad 3 ei¬ nes flüssigen zweiten Metalls, welches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, die wesentlich geringer ist als die er- ste Temperatur der Schmelze 1, einzutauchen ist. Als zweites Metall findet vorzugsweise Zinn Verwendung, wobei die zweite Temperatur auf einen Wert unterhalb von 300° C, selbstver¬ ständlich jedoch oberhalb des Schmelzpunktes des Zinns bei 254° C, eingestellt wird. Das Bad 3 ist abgedeckt von einer Deckschicht 4, die aus einem fließfähigen, wärmeisolierenden Schüttgut 5, 6 (vgl. hierzu Figuren 2 und 3) abgedeckt ist. Die Deckschicht 4 hat die Aufgabe, einen Wärmeeintrag aus der Heizzone 7, in der die Gießform 2 mit der Schmelze 1 zunächst gehalten wird und die sich auf einer sehr hohen ersten Tempe- ratur, insbesondere um 1600° C, befindet, in das Bad 3 zu verhindern, so daß sich im Inneren der Deckschicht 4 ein mög¬ lichst hohes Temperaturgefälle, entsprechend einem besonders hohen Temperaturgradienten, einstellt. Aufgrund des Wärmeein¬ trags in die Schmelze 1 und die Gießform 2 in der Heizzone 7 und aufgrund des Wärmeaustrags aus der Schmelze 1 und der

Gießform 2 in dem Bad 3 stellt sich in der Schmelze 1 in dem Bereich, wo sie die Deckschicht 4 durchquert, ebenfalls ein hoher Temperaturgradient ein, welcher ein gerichtetes Erstar¬ ren der Schmelze 1 zu einem Werkstück oder mehreren Werks- tücken, insbesondere einer Turbinenschaufel 8 (vgl. Figur 4), mit stengelkristallinem oder einkristallinem Gefüge bewirkt. Die Heizzone 7 befindet sich in einer Heizkammer 9, die auf

einen Tiegel 10 aufgesetzt ist, welcher das Bad 3 enthält. In das Innere der Heizkammer 9 ragt eine Fahreinrichtung 11, symbolisiert durch ein Haltegestell 11, mit der bzw. mit dem die Gießform 2 verfahrbar und insbesondere aus der Heizzone 7 in das Bad 3 eintauchbar ist. Eine Abdichtung des Bades 3, und damit verbunden eine gewünschte Positionierung des Bades

3 und der Deckschicht 4 relativ zur Heizzone 7, wird erreicht mittels eines auf dem Bad 3 schwimmenden und die Deckschicht

4 umgrenzenden Rings 12. Die ganze Vorrichtung ist umschlos- sen von einem εchematisch angedeuteten Schutzgefäß 13, insbe¬ sondere zu dem Zweck, Sauerstoff, welcher das Bad 3 oder die Schmelze 1 oxidieren könnte, aus der Vorrichtung fernzuhal¬ ten. Zu diesem Zweck kann das Schutzgefäß 13 evakuiert und/oder mit einem geeigneten Schutzgas, wie z.B. Argon, be- füllt werden.

Die Gießform 2 ruht auf einer Kühlplatte 14, die auch dann teilweise in das Bad 3 eintauchen soll, wenn die Gießform 2 selbst dies nicht tut. Dies dient dazu, den unteren Bereich der Gießform 2 gegebenenfalls bereits vor dem Eingießen der Schmelze 1 abzukühlen, um für die gerichtete Erstarrung der Schmelze 1, welche durch langsames Eintauchen der Gießform 2 in das Bad 3 bewerkstelligt wird, eine geeignete anfängliche Temperaturverteilung sicherzustellen. Die Kühlplatte 14 kann gegebenenfalls entfallen. In der Heizzone 7 vertikal überein¬ ander angeordnet sind mehrere Heizelemente 15, beispielsweise Widerstandsheizelemente, induktiv wirkende Suszeptoren oder dergleichen, und die Heizkammer 9 ist ausgekleidet mit einer Isolierauskleidung 16. Abgedeckt ist die Heizkammer 9 mit ei- nem Deckel 17, der einen entsprechenden Durchlaß für das Hal¬ tegestell 11 aufweist. Zwischen den Heizelementen 15 angeord¬ net sind Isolierringe 18, die es je nach Größe und Gestalt der Gießform 2 gegebenenfalls gestatten, eines oder mehrere der Heizelemente 15, beginnend von oben, unbenutzt zu lassen oder in der jeweils erzeugten Heizleistung im Hinblick auf eine gewünschte Verteilung der Temperatur anzupassen.

Figur 2 und Figur 3 zeigen Ausführungsbeispiele für die Deck¬ schicht 4 auf dem Bad 3. Die besonders bevorzugte Ausführung gemäß Figur 3 zeigt eine Deckschicht 4, gebildet aus kerami¬ schen Hohlkugeln 5. Wie bereits erläutert, sind solche Hohl- kugeln 5 aufgrund ihrer guten Schwimmfähigkeit für den ange¬ strebten Zweck besonders geeignet. Ein geeigneter Werkstoff für diese Hohlkugeln ist die Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Ke¬ ramik Mullit. Diese Keramik wird auch nicht von Metallen wie Zinn und Aluminium benetzt und kann somit eine besonders gute Abschirmung des üblicherweise höchstens 500° C, vorzugsweise höchstens 300° C, heißen Bades 3 gegen die Heizzone 7, von der eine Wärmestrahlung ausgeht, die einer Temperatur der Größenordnung von 1600° C entsprechen kann, bewirken. Es ver¬ steht sich, daß die Deckschicht 4 so dick sein muß, daß sie diese Wärmestrahlung weitgehend vollständig abschirmt, daß sie, mit anderen Worten gesagt, für Wärmestrahlung "optisch dicht" ist.

Gemäß Figur 3 besteht die Deckschicht aus pulvrigem Schüttgut mit Pulverteilchen 6. Als Werkstoff für solches Schüttgut kommen Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Zirkonoxid in Frage, wobei gegebenenfalls marktgängige pulvrige Zubereitungen die¬ ser Oxide verwendet werden können. Zu vorteilhaften Dimensio¬ nierungen sei auf die entsprechenden obigen Ausführungen ver- wiesen.

Figur 4 zeigt eine Turbinenschaufel 8, die durch gerichtetes Erstarren einer Schmelze 1, wie dargestellt in Figur 1, er¬ halten wird. Das stengelkristalline Gefüge 19, das an der Oberfläche einer Turbinenschaufel 8 in aller Regel deutlich sichtbar ist, ist dargestellt durch entsprechende Linien. Dieses Gefüge 19 vermag die Belastbarkeit der Turbinenschau¬ fel 8 gegenüber einer konventionell gegossenen Turbinenschau¬ fel deutlich zu verbessern, wenn es entlang derjenigen Rich- tung 20 ausgerichtet ist, entlang derer die Turbinenschaufel 8 hauptsächlich belastet wird. Diese Richtung 20 ist die Längsachse 20, entlang derer unter betrieblicher Belastung

Zentrifugalkräfte sowie die wesentlichen Wärmedehnungen ge¬ richtet sind. Der übliche Aufbau der Turbinenschaufel 8 ist ansatzweise angedeutet: sie besitzt einen (nur teilweise sichtbaren) Blatteil 21, der das funktioneil wesentliche Teil ist, und einen Fußteil 22, an dem sie zu befestigen ist.