DE10062310C2

DE10062310C2 - Verfahren zur Behandlung metallischer Werkstoffe

Info

Publication number: DE10062310C2
Application number: DE10062310A
Authority: DE
Inventors: Fritz Appel; Stephan Eggert; Uwe Lorenz; Michael Oehring
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: EP1214995A2; JP3859504B2; US7115177B2; ATE342142T1; CN1380437A; KR20020047012A; ES2269282T3; KR100505168B1; US20020157740A1; DE10062310A1; EP1214995B1; DE50111187D1; CN1237196C; JP2002241912A; EP1214995A3; RU2222635C2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Behandlung metallischer Werkstoffe, insbesondere zur Konsolidierung des Gefüges metallischer Werkstoffe, vorgeschlagen. Das Verfahren umfaßt folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A a) Erzeugung eines Rohlings aus metallischem Werkstoff, DOLLAR A b) Erwärmung des Rohlings auf Umformtemperatur sowie DOLLAR A c) Deformierung des Rohlings in Form einer Drillung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung metallischer Werkstoffe, insbesondere zur Konsolidierung des Gefüges metallischer Werkstoffe, umfassend die Verfahrensschritte Erzeugung eines Rohlings aus metal lischem Werkstoff, Erwärmen des Rohlings auf Umformtem peratur sowie Deformierung des Rohlings, und einen metallischen Rohling.

Bisher verwendete konventionelle Behandlungs- bzw. Umformtechniken für metallische Werkstoffe, siehe beispielsweise Titanium Aluminide Alloys, S. L. Semiatin, Materials Directorate, Wright Laboratory, WL/MLLN Wright-Patterson Air Force Base, Ohio 45433-7817, Gamma Titanium Aluminides Edited by Y-W. Kim, R. Wagner, and M. Yamaguchi, The Minerals, Metals & Materials Society, 1995, Seiten 509 bis 525, und Microstructure development in gamma alloy mill products by thermomechanical pro cessing, Dennis M. Dimiduk ^a.*, Patrick L. Martin ^b, Young-Won Kim^c,a Materials Directorate, Wright Labora tory, WL MLLM Bldg 655, 2230 Tenth Street, WPAFB, OH 45433-817, USA, ^b Rockwell International Science Center, Thousand Oaks, CA 91360, USA, UES, Dayton, OH 45432 USA, Seite 67 bis 75, zeigen Konsolidierungsergebnisse, die den an sich gewünschten Ergebnissen regelmäßig nicht genügen.

Spezielle metallische Werkstoffe, beispielsweise der Gruppe der Titanaluminide, weisen nach den bisher verwendeten konventionellen Behandlungs- bzw. Umform techniken, beispielsweise durch Schmieden oder Strang pressen, immer noch erhebliche chemische und struktu relle Inhomogenitäten ihres Gefüges auf, die für be stimmte technische Anwendungen nicht toleriert werden können. Den bekannten Behandlungs- bzw. Umformtechniken mangelt es in erster Linie daran, daß mit diesen nur verhältnismäßig niedrige Umformgrade erreicht werden können. Dieses ist, beispielsweise wenn die metallischen Werkstoffe in thermisch und mechanisch hochbelasteten Bereichen eingesetzt werden sollen, beispielsweise bei Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken für Flugzeuge oder Pleuel für Antriebsaggregate von Automobilen, nicht hinnehmbar.

Metallische Werkstoffe wie intermetallische Titanalumi nide sind sehr spröde und damit schwer umformbare Werkstoffe. Bisher wurden derartige metallische Werk stoffe ausschließlich über schmelzmetallurgische Ver fahren hergestellt, wobei vorwiegend Vakuum-Lichtbogen schmelzen, Plasmaschmelzen und Induktionsschmelzen angewendet werden. Obwohl das Schmelzgut meist zwei- bis dreimal aufgeschmolzen wird, treten in den Gußkörpern erhebliche Qualitätsmängel auf, die sich vor allem durch ein grobkörniges Gefüge mit einer ausgeprägten Vorzugsorientierung der Kristalle, starke Seigerungen (lokale Schwankungen in der Zusammensetzung) und das Auftreten von Poren zeigen. Derartige Mängel treten nicht nur beim Primärguß beispielsweise von Titanalumi niden auf, sondern auch bei vielen anderen metallischen Werkstoffen, so daß sie, wie erwähnt, für eine direkte Bauteilfertigung aus dem Gußwerkstoff aber nicht geeig net sind. Der als Primärguß vorliegende Werkstoff muß daher strukturell und chemisch konsolidiert werden. Hierzu wird das Hochtemperatur-Umformen durch Schmieden oder Strangpressen regelmäßig angewendet, wobei vor allem eine deutliche Verfeinerung des Gefüges und ein Ausgleich der lokalen Schwankungen in der Zusammenset zung des Werkstoffs angestrebt werden, wenn es sich beispielsweise um metallische Legierungen handelt.

Bisher wurde das Gefüge des Gußwerkstoffs durch Rekris tallisationsvorgänge und Phasenumwandlungen, die während der Hochtemperatur-Umformung durch die in den Werkstoff eingetragene mechanische Energie initiiert werden, konsolidiert. Die Feinheit und Homogenität des nach der Umformung vorliegenden Gefüges hängt daher neben der Umformtemperatur und Umformgeschwindigkeit vor allem vom Umformgrad, d. h. dem Ausmaß der bei der Umformung des Werkstoffs erreichten plastischen Verformung ab. Dieser Umformgrad ist bei konventionellem einstufigen Schmieden durch Kompression meist auf eine Höhenreduktion von 90 bis 95% beschränkt. Bei derartigen Umformgraden ent stehen an der Peripherie des Schmiedekörpers hohe sekundäre Zugspannungen, die oftmals zur Rißbildung führen. Dies ist besonders für spröde Werkstoffe, wie Titanaluminide, problematisch, die deshalb meist nur wesentlich schwächer umgeformt werden können. Höhere Umformgrade erfordern mehrstufiges Schmieden, das sehr aufwendig ist und außerdem nicht für alle angestrebten Bauteilformen anwendbar ist.

Besonders nachteilig ist auch, daß für Schmieden ober halb von 1000°C keine geeigneten Gesenkmaterialien zur Verfügung stehen. Die bis zu Temperaturen von 1000°C bisher eingesetzten Molibdänlegierungen können nur unter Schutzgas betrieben werden, was die praktische Durch führung der Schmiedungen erschwert und verteuert.

Bei dem für die Umformung ebenfalls bisher angewendeten Strangpressen können meist deutlich höhere Umformgrade als beim Schmieden erreicht werden. Auch ist es möglich, daß durch überlagerte hydrostatische Spannungen auch spröde Werkstoffe relativ gut umgeformt werden können. Bei praktischen Anwendungen ist der beim Strangpressen tatsächlich erreichte Umformgrad allerdings meist durch die Geometrie des zu erhalten gewünschten Formkörpers auf eine Querschnittsreduzierung von ca. 10 : 1 be schränkt. Nachteilig ist zudem, daß für das Strangpres sen meist erheblich höhere Temperaturen als für das Schmieden erforderlich sind. Werkstoffe, die wie Titan aluminide gegen Oxidation und Korrosion sehr empfindlich sind, müssen deshalb für das Strangpressen gesondert gekapselt werden, was relativ aufwendig und kosten trächtig ist.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Behandlung metallischer Werkstoffe in bezug auf eine gegenüber bisherigen Verfahren weit verbesserte Konsolidierung derer Gefüge möglich ist, wobei das Verfahren auch für sehr spröde und damit bisher nur sehr schwer umformbare Werkstoffe wie intermetallische Legierungen anwendbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß es sich bei den metallischen Werkstoffen um solche handelt, die schwer umformbar sind, und daß die Defor mierung in Form einer Drillung ausgeübt wird.

Rohling im vorbeschriebenen Sinne bedeutet ein Element aus metallischem Werkstoff der oben beschriebenen Art, der soweit, gegebenenfalls durch mehrfaches Schmelzen, behandelt worden ist, wie er bisher auch für das Strang pressen bzw. Schmieden vorbehandelt worden ist. Das metallische Element in diesem Sinne kann zu wissen schaftlichen Zwecken eine entsprechende Probe sein, es kann aber auch ein Halbzeug sein, das der Erzeugung von Endprodukten dienen soll, beispielsweise Turbinen schaufeln für Strahltriebwerke oder Pleuels für An triebsaggregate von Kraftfahrzeugen.

Mittels der erfindungsgemäßen Lösung sind Rohlinge aus metallischen Werkstoffen erzeugbar, mit denen, wie angestrebt, eine deutlich Verbesserte Gefügekonsolidie rung des metallischen Werkstoffs erreichbar ist, wobei auch die Anwendung des Verfahrens auf spröde und damit schwer umformbare metallische Werkstoffe Ergebnisse in bezug auf das verfahrensgemäß erreichbare Gefüge gezeigt hat, die sogar die in das Verfahren gesetzten Erwar tungen erheblich übertroffen haben, d. h. die struktu relle und chemische Konsolidierung des Gefüges hat sich gegenüber den erreichbaren Gefügekonstellationen mittels bekannter Schmiede- und Strangpressverfahren erheblich verbessert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfin dungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Umformtem peratur, auf die der Rohling erwärmt wird, erheblich unter den Temperaturen liegen kann, die für das bisherige bekannte Schmiede- und Strangpressverfahren erreicht werden mußten.

Durch die Deformierung in Form einer Drillung auf den Rohling wird eine durch Drehung des Rohlings in sich hervorgerufene plastische Verformung erzeugt. Der Drillwinkel soll dabei keinen geometrischen Beschrän kungen unterliegen mit der Folge, daß durch mehrfaches Verdrillen des Rohlings sehr große plastische Verfor mungen erreicht werden. Mittels der Drillung lassen sich hohe Umformverhältnisse auch bei kleinen wirksamen Längen des Rohlings realisieren, d. h. sehr hohe Umformgrade des Werkstoffes erreichen, auch bei der Anwendung des Verfahrens auf an sich schwer umzuformende Werkstoffe. Durch die Drillung wird ein sehr großer Betrag mecha nischer Energie in den Werkstoffe eingeleitet, durch die eine gleichmäßige dynamische Rekristallisation des Gefüges des Werkstoffs eingeleitet wird.

Um die Konsolidierung des Gefüges des metallischen Werkstoffs noch zu verbessern, wird die Deformierung vorzugsweise in Form einer Kompression des Rohlings ausgeübt, wobei dann, wenn äußerst vorzugsweise auf den Rohling im wesentlichen gleichzeitig sowohl eine Dril lung als auch eine Kompression ausgeübt wird, d. h. eine Überlagerung beider Deformierungsarten erfolgt, die bei der Verformung des metallischen Werkstoffs aufgrund der Verdrillung gegebenenfalls auftretenden Scherrisse in einem sehr frühen Stadium wieder geschlossen werden, so daß diese nicht zu Makro-Rissen anwachsen können. Durch die Überlagerung von Drillung und Kompression wird zudem eine homogenere Verformung des Werkstoffs erreicht, da die zu beiden Verformungsprozessen gehörenden Schervor gänge bei geeignetem geometrischen Aufbau des Rohlings stark zueinander geneigt verlaufen.

Vorteilhafterweise erfolgt die Kompression durch Beauf schlagung des Rohlings mit konstanter Kraft, es ist aber auch vorzugsweise möglich, die Kompression durch Beauf schlagung des Rohlings mit konstanter Verformungsge schwindigkeit erfolgen zu lassen.

Grundsätzlich kann die Erwärmung des Rohlings bei der verfahrensmäßigen Behandlung auf beliebige Weise erfol gen, wobei es vorteilhaft ist, die Erwärmung des Roh lings derart zu steuern, daß der Rohling insgesamt erwärmt wird bzw. auf Umformtemperatur gehalten wird, wenn die Deformierung stattfindet. In diesem Falle wird der Rohling insgesamt deformiert, d. h. verdrillt und/ oder komprimiert.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Erwärmung derart zu bewirken, daß gezielt der ausgewählte Bereich des Rohlings erwärmt wird, dessen Deformierung bewirkt werden soll, d. h. eine im weitesten Sinne schrittweise Deformierung des Rohlings in Abhängigkeit der relativ zum Rohling positionierten Erwärmungseinrichtung bzw. Wärmezufuhr.

Die Erwärmung des Rohlings erfolgt vorzugsweise mittels einer elektrischen Spule, die geeignet um den Rohling positioniert wird und gegebenenfalls längs des Rohlings verschiebbar ist, um im Sinne des vorangehend Gesagten bestimmte ausgesuchte Bereiche des Rohlings zu erwärmen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, die Verformung des Rohlings bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C erfolgen zu lassen, wobei es aber auch erfindungsgemäß möglich ist, wenn der spezielle metallische Werkstoff dieses erfordert, höhere oder tiefere Temperaturen für die Umformtemperatur des Rohlings zu wählen.

Sollten extrem hohe, über 1000°C gegebenenfalls hinaus gehende Umformtemperaturen nötig sein, ist es vorteil haft, das Verfahren wenigstens teilweise in einer Schutzgasatmosphäre vonstatten gehen zu lassen.

Die Erfindung betrifft auch einen Rohling aus einem Titanaluminid, behandelt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Titanaluminid vorzugsweise die Zusammensetzung (in Atom%)

Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B

aufweist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus führungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer möglichen technischen Lösung des Verfahrens, wobei der dort dargestellte Rohling einer Kombination aus Drillung und Kompression ausgesetzt wird,

Fig. 2 eine Makroaufnahme einer bei 1000°C durch die Kombination von Verdrillung und Kompression mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten TiAl-Probe der Zusammensetzung Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B, wobei die Zusammensetzung in Atomprozent angegeben ist, und

Fig. 3 eine lichtmikroskopische Gefügeaufnahme zur Darstellung der durch die Kombination von Verdrillung und Kompression erreichten Gefüge feinung, wobei a) das Gefüge im umverformten Kopfbereich der Probe zeigt, b) das Gefüge im umgeformten zentralen Bereich der Probe und c) eine rasterelektronenmikroskopische Ausnahme im zentralen Bereich der Probe zur Darstellung der erreichten starken Gefügefeinung.

Das hier beschriebene Verfahren wurde im Labormaßstab an einer TiAl-Legierung der Zusammensetzung (in Atompro zent)

Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B

erprobt. Die Experimente wurden an Luft durchgeführt. Mit Gewindeköpfen versehene Proben wurden hierzu in eine Kompressionsapparatur eingebaut, bei der die Probenfas sungen zur Drillung der Probe gegeneinander verdreht werden konnten (Fig. 1). Die Proben wurden durch eine Induktionsspule auf unterschiedliche Verformungstempe raturen zwischen 1000 und 1100°C erwärmt. Die Proben temperatur wurde mit einem Thermoelement bestimmt. Aufgrund des geometrischen Aufbaus der Spule hatte die heiße Probenzone einen Länge von etwa 6 mm, was für die Auswertung als effektive Probenlänge betrachtet wurde. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wurden die Proben zunächst in Kompressionsrichtung mit konstanten Spannungen belastet, die zwischen 10 und 50 MPa lagen. Hierbei erfolgte aufgrund des sehr groben Gußgefüges noch keine Verformung. Danach wurden die Proben inner halb von einer Minute um ø = 720° (zwei Umdrehungen) verdrillt. Dies entspricht, bei dem vorliegenden Aufbau der Probe r = 4 mm, l = 6 mm am Außenmantel der Proben dem sehr hohen Verformungsgrad von etwa r_t = 600% und einer Dehnrate von dr_t/dt = 5 × 10^-2 s-l. Während der Drillung findet daher intensive Rekristallisation statt. Durch die damit einhergehende Gefügefeinung sinkt die Fließspannung des Materials stark ab, so daß es sich unter der anliegenden Spannung auch in Kompression verformt. Hierdurch wird die erwünschte Kombination von Drillung und Kompression erreicht. Die auf diese Weise erzeugte Kompressionsverformung betrug typischerweise 20%.

Fig. 2 zeigt eine Makroaufnahme der umgeformten Probe. Die durch das Umformverfahren erreichte Gefügefeinung ist an Hand von lichtmikroskopischen Gefügeaufnahmen in Fig. 3 demonstriert.

Fig. 3a zeigt das relativ grobe Gußgefüge im Kopfbereich der Probe, in dem keine Verformung und damit auch keine dynamische Rekristallisation stattgefunden hat. Demge genüber ist in dem durch die Kompression und Drillung verformten zentralen Probenbereich eine starke Gefüge feinung eingetreten (Fig. 3b). Die mittlere Korngröße von lamellaren Kolonien beträgt im Kopfbereich der Probe etwa d = 800 µm, während die äquivalente Größe im zentralen Probenbereich auf etwa d = 50 µm reduziert wurde. In dem durch Drillung und Kompression verformten Probenbereich traten trotz des hohen Umformgrades an keiner Stelle Risse auf, daher kann der Umformgrad zur weiteren Gefügefeinung sicherlich noch deutlich vergrö ßert werden.

Das hier beschriebene Verfahren kann ohne Schwierig keiten auf technische Maßstäbe erweitert werden, da die hierfür erforderlichen Komponenten, wie Induktionshei zungen oder Umformmaschinen, zur Standardausrüstung der metallurgischen Industrie gehören.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist, daß die Probenfassungen nicht erwärmt zu werden brauchen, daher bestehen auch keine besonderen Anforderungen an die Hochtemperaturfestigkeit dieser Materialien. Bei der Durchführung des Experiments kann die umzuformende Probe homogen über die ganze Länge auf die gewünschte Verfor mungstemperatur erwärmt werden. Alternativ dazu kann die Probe jedoch auch lokal durch Induktionsheizung erwärmt werden. Dieses letztere Verfahren hat den Vorteil, daß bei sonst gleichen Bedingungen lokal sehr hohe Umform grade und Umformgeschwindigkeiten realisiert werden können, was bei vielen Materialien für das Erreichen einer homogenen Rekristallisierung vorteilhaft ist. Für die Gesamtumformung der Probe muß dazu, wie in Fig. 1 angedeutet, die Induktionsspule entlang der Proben längsachse verschoben werden. Die Umformung kann, wie durch die vorliegenden Ergebnisse demonstriert wurde, im Vergleich zu konventionellen Schmiede- und Strangpress verfahren bei relativ niedrigen Umformtemperaturen um 1000°C erfolgen, was die Umformung von korrosionsem pfindlichen Werkstoffen, wie Titanaluminiden deutlich einfacher gestaltet. Ein besonderer Vorteil des Ver fahrens besteht jedoch auch darin, daß Umformvorgänge bei extrem hohen Temperaturen unter Schutzgas in relativ einfacher Weise realisiert werden können. Bei Titanalu miniden sind beispielsweise oftmals Umformtemperaturen oberhalb von 1350°C erforderlich, da hiermit besondere lamellare Gefügemorphologien eingestellt werden können. Durch diese Variabilität in der Versuchsführung können die Umformbedingungen in hohem Maße an das Verformungs- und Rekristallisierungsverhalten eingestellt werden, so daß auch relativ spröde Werkstoffe, wie Titanaluminide, gut geformt werden können. Die zur Verformung erforder lichen Drehmomente und Kräfte können jedoch in allen Fällen über relativ kalte Probenfassungen eingeleitet werden, so daß diese Fassungen nicht aus sehr teuren Hochtemperaturwerkstoffen gefertigt zu werden brauchen.

Bezugszeichenliste

10

Rohling

11

Gewindekörper

12

Gewindekörper

13

Deformierungseinrichtung

14

Drillung

15

Kompression

16

Erwärmungseinrichtung (Induktionsspule)

17

Verschiebung der Erwärmungseinrichtung (Pfeil)

18

Erwärmungsbereich

Claims

1. Verfahren zur Behandlung metallischer Werksstoffe, insbesondere zur Konsolidierung des Gefüges metallischer Werkstoffe, umfassend die Ver fahrenschritte Erzeugung eines Rohlings aus metallischem Werkstoff, Erwärmung des Rohlings auf Umformtemperatur sowie Deformierung des Rohlings, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den metallischen Werkstoffen um solche handelt, die schwer umformbar sind und daß die Deformie rung in Form einer Drillung ausgeübt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deformierung in Form einer Kompression ausgeübt wird.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Rohling im wesentlichen gleichzeitig sowohl eine Drillung als auch eine Kompression ausgeübt wird.

4. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression durch Beaufschlagung des Rohlings mit konstanter Kraft er folgt.

5. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression durch Beaufschlagung des Rohlings mit konstanter Verformungs geschwindigkeit erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung derart bewirkt wird, daß der Rohling insgesamt erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung derart bewirkt wird, daß gezielt der Bereich des Rohlings erwärmt wird, dessen Deformierung bewirkt werden soll.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Rohlings mittels elektrischer Induktion bewirkt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung des Rohlings bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C erfolgt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses wenigstens teilweise in einer Schutzgasatmosphäre vonstatten geht.

11. Rohling aus einem Titanaluminid, behandelt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.

12. Rohling nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Titanaluminid die Zusammensetzung (in Atom%)
Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,58
hat.