DE102005018658B3

DE102005018658B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Kapseln und Warmumformen von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen

Info

Publication number: DE102005018658B3
Application number: DE200510018658
Authority: DE
Inventors: Jiulai Zhang; Kay Rosenberg; Bernd Viehweger; Anja Hüttig; Christoph Leyens
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kapseln und Warmumformen von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und technische Voraussetzungen vorzuschlagen, mit deren Hilfe Rohlinge aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen einfacher und kostengünstiger zu verarbeiten sind, wird gelöst, indem ein Rohling (11) zur Vermeidung der Wärmeabgabe in einer Kapsel aus Glas oder einem glasartigen Werkstoff eingeschlossen wird, wobei die den Rohling (11) umschließende Hülle (12) diesen nicht berührt, was durch Unterschiede in den Abmessungen des Innenraums der Kapsel (12) und des Außenvolumens des Rohlings (11) und durch Abstandshalter gewährleistet wird. Zur weiteren Verringerung des Wärmeüberganges zwischen Rohling (11) und umschließender Hülle (12) ist der Zwischenraum zwischen beiden mit einem Vakuum gefüllt. Der so gekapselte Rohrling wird mit Hilfe eines Induktionsofens auf die Bearbeitungstemperatur erwärmt, wobei die den Rohling umschließende Hülle (12) durch die vom Rohling abgegebene Wärme nicht auf die Erweichungstemperatur erhitzt wird. Dann wird der Rohling in einer aufgeheizten Umformpresse verformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kapseln und Warmumformen von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen.

Zur Herstellung von hoch belasteten oder hoch belastbaren Bauteilen wie beispielsweise Bauteilen von Flugzeugturbinen werden metallische Hochtemperatur-Legierungen insbesondere TiAl-Legierungen verwendet. Um hierbei besonders hohe Festigkeit zu erzielen, ist es erforderlich, diese Teile durch Warmumformen herzustellen. Hierfür steht nur ein sehr geringes Temperaturfenster zur Verfügung, da bei Unterschreitung einer gewissen Temperatur eine Verformung wegen der Festigkeit des Materials nicht möglich ist, während bei bereits geringfügiger Überschreitung der Erweichungstemperatur mit dem Aufschmelzen der Legierung zu rechnen ist. Deshalb ist es notwendig, während der Verarbeitung der Rohlinge den Wärmeaustausch mit der Umgebung möglichst gering zu halten. Hierzu wurde bereits vorgeschlagen, den Rohling für die Verarbeitung in eine metallische Kapsel einzuschließen. Eine derartige Verkapselung wird in der DE 197 47 257 C2 beschrieben. Die vorgeschlagene Vorrichtung soll wenigstens aus einer ersten, den Rohling eng aber beabstandet umschließenden ersten inneren Hülle und einer die innere Hülle eng aber beabstandeten zweiten, äußeren Hülle bestehen, wobei die erste und zweite Hülle aus einem metallischen Werkstoff besteht. Dabei wird vorgeschlagen, dass die innere Hülle (12) eine Wanddicke (120) im Bereich von 0,1 bis 1 mm aufweist und vorzugsweise als Reflektor der von dem Werkstücke abgestrahlten Wärme dient. Für die äußere Hülle wird eine Wanddicke im Bereich von 5 bis 10 mm vorgeschlagen, da durch diese ein Vakuum in den Zwischenräumen gewährleistet werden soll, das einen Wärmeübergang durch Konvektion verhindern soll. Um den Wärmeübergang zwischen der Hülle und dem Werkstück gering zu halten, wird vorgeschlagen, das Werkstück mit nach außen ragenden Abstandshaltern in Form von Stegen, die durch Drehen oder Fräsen gestaltet werden sollen, zu versehen.

Ein derartiges Vorgehen hat mehrere schwerwiegende Nachteile. Zum ersten entsteht durch dieses Verfahren unweigerlich eine metallische Hülle um das fertig ausgeformte Werkstück, die schwer von dem Werkstück zu trennen ist und deren Wandstärke relativ schwer zu beherrschen ist. Um auch beim Erweichungspunkt des Werkstücks noch eine ausreichende Stabilität der Umhüllung zu gewährleisten, sind außerdem hierfür relativ teure Legierungen notwendig. Da zum Erwärmen des Werkstücks die Wärme durch die Hüllen zugeführt werden muss, sind hierfür außerdem relativ lange Zeiten erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und technische Voraussetzungen vorzuschlagen, mit deren Hilfe Rohlinge aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen einfacher und kostengünstiger zu verarbeiten sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren entsprechend den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Durch eine Ausgestaltung der Kapselung entsprechend den in den Ansprüchen 2 bis 9 beschriebenen Merkmalen ist es möglich, die Verunreinigung des Werkstücks durch Materialien, die für die Kapsel verwendet worden sind, weitgehend zu vermeiden.

Das verwendete Glas schmilzt beim Verformen weitestgehend auf und wirkt in der Form als Gleitmittel. Auf Grund der extrem unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten springt das Glas nach dem Abkühlen leicht von der Oberfläche des Werkstücks ab. Reste können leicht durch Kugelstrahlen oder ähnliche Verfahren entfernt werden.

Zum erfindungsgemäßen Warmumformen von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen, wird der Rohling (11) zur Verminderung der Wärmeabgabe an die Umgebung in einer Kapsel aus Glas oder glasartigem Werkstoff eingeschlossen. Dabei ist die Kapsel so bemessen, dass die den Rohling (11) umschließende Hülle (12) diesen nicht berührt, was einerseits durch entsprechende Unterschiede in den Abmessungen des Innenraums der Kapsel (12) und des Außenvolumens des Rohlings (11) und andererseits durch diesen Abstand überbrückende Abstandshalter gewährleistet wird. Zu weiteren Verringerung des Wärmeüberganges zwischen Rohling (11) und umschließender Hülle (12) ist der Zwischenraum zwischen beiden mit einem Vakuum oder einem inerten Gas gefüllt. Der so gekapselte Rohling wird mit Hilfe eines Induktionsofens auf die Bearbeitungstemperatur so schnell erwärmt, dass die den Rohling umschließende Hülle (12) durch die vom Rohling abgegebene Wärme nicht auf die Erweichungstemperatur erhitzt wird. Anschließend wird der Rohling in einer Umformpresse, deren Arbeitsraum einschließlich der Werkzeuge auf die Erweichungs- oder Schmelztemperatur der Hülle erhitzt ist verformt. Hierbei schmilzt das Glas oder die glasartige Substanz vollständig auf und wirkt als Gleitmittel zwischen dem Werkstück (11) und den Teilen der Gesenkform (22,26).

Zur Verbesserung der Wärmehaltung schlägt die Erfindung weiterhin vor eine oder mehrere reflektierende Schichten (12) anzuordnen, die den Rohling teilweise oder vollständig umschließen.

Diese reflektierenden Schichten (13) können erfindungsgemäß als metallische Folien oder dünne Bleche ausgebildet sein, die im Zwischenraum zwischen Rohling (11) und umschließender Hülle (12) angeordnet sind.

Es ist jedoch ebenso im Sinne der Erfindung, wenn die reflektierenden Schichten durch auf die innere und/oder äußere Oberfläche aufgetragene Verspiegelungen gebildet werden.

Auch hier müssen gemäß der Erfindung zwischen den reflektierenden Schichten (13) und dem Rohling (11) Abstandshalter (14) angeordnet werden.

Eine sinnvolle Ergänzung der Erfindung ist es weiterhin, wenn zwischen den reflektierenden Schichten (13) und der umschließenden Hülle (12) weitere Abstandshalter (14) angeordnet sind.

Wenngleich eine Vielfalt der Ausgestaltung der Abstandshalter (14) denkbar ist, schlägt die Erfindung insbesondere vor, die Abstandshalter (14) als Ausformung der reflektierenden Schichten in Form von Beulen oder Sicken zu gestalten. Es ist jedoch genauso im Sinne der Erfindung, wenn die Abstandshalter (14) aus Glas oder glasartigen Materialien bestehen. In diesem Falle ist es natürlich notwendig, dass diese so bemessen sind, dass sie bei Kontakt mit dem erhitzten Rohling (1) in einem Zeitraum aufschmelzen, der größer ist als die Zeit, die benötigt wird, um das Werkstück vom Induktionsofen zur Presse zu befördern.

Zur Durchführung des Verfahrens schlägt die Erfindung vor, eine Umformpresse mit mindestens einer unteren und einer oberen Gesenkform (22,26) zu verwenden, bei der das Arbeitsvolumen der Presse inklusive der unteren und oberen Gesenkform (22,26) in einer Heizkammer angeordnet ist. Dadurch, dass deren Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des für die Kapselung verwendeten Glases liegt, wird gewährleistet, dass die schmelzbaren Teile der Kapselung zumindest so weich werden, dass sie beim Pressen bis auf eine dünne Schicht aus im Pressenraum ausfließen.

Hierfür wird vorgeschlagenen, die Umformpresse so zu gestalten, dass die untere Gesenkform (22) in der Unterlage der Presse (22) mit Hilfe eines Führungsstabes (23) und die obere Gesenkform (26) mit Hilfe eines weiteren Führungsstabes (25) im Pressenstempel (24) in der Höhe verschiebbar gelagert werden.

Hierfür ist eine Verstelleinrichtung beispielsweise in Form einer Feder vorgesehen, die gewährleistet, dass die untere Gesenkform (22) in unbelastetem Zustand in einer oberen Position in einem Abstand zur Unterlage (21) angeordnet ist und bei einer Belastung auf die Unterlage (21) abgesenkt wird. Auch die obere Gesenkform (26) ist in unbelastetem Zustand in einem Abstand zum Pressenstempel (24) angeordnet und wird bei Belastung an der Unterseite des Pressenstempels (24) gepresst. Dadurch, dass die Heizkammer nach oben und unten durch verschiebbare Türen (31,32) abgeschlossen ist, die sich in der Ruheposition der Presse in den Zwischenräumen zwischen Unterlage (21) und unterer Gesenkform (22) sowie zwischen Pressenstempel (24) und oberer Gesenkform (26) befinden und die Führungsstäbe (23,25) umschließen und die im Arbeitstakt der Presse so weit seitlich verschoben werden, dass durch die obere Öffnung der Pressenstempel (24) und durch die untere Öffnung die untere Gesenkform (22) hindurch treten kann, wird gewährleistet, dass lediglich die Gesenkformen (22,26) auf die zum Erweichen der Kapsel benötigte Temperatur erwärmt werden müssen.

Die Erfindung soll im Folgenden an Hand der Zeichnungen 1 bis 3 in Form eines Ausführungsbeispiels beschrieben werden.
Dabei zeigt
1 verschiedene Ausführungen der Kapselung und der Anordnung von Abstandshaltern,
2 eine erfindungsgemäße Presse bei der Bestückung mit dem gekapselten Rohling 10 und
3 eine erfindungsgemäße Presse im Arbeitstakt.
Zum erfindungsgemäßen Warmumformen eines Rohlings aus einer TiAl-Legierung, wird dieser zur Verminderung der Wärmeabgabe an die Umgebung in einer Kapsel aus einem hochschmelzenden Glas mit einer Wandstärke von 3 mm eingeschlossen. Dabei ist die Kapsel so bemessen, dass zwischen dem Rohling 11 und der ihn umschließende Hülle 12 allseits ein Abstand von 2 mm gewährleistet ist. Die Sicherung dieses Abstandes erfolgt durch die diesen Abstand überbrückende Abstandshalter 14. Zu weiteren Verringerung des Wärmeüberganges zwischen Rohling 11 und umschließender Hülle 12 ist der Zwischenraum zwischen beiden mit einem Vakuum gefüllt. Durch eine auf die Innenfläche der Glaskapsel 12 aufgetragene Verspiegelungen wird die Abstrahlung des erhitzten Rohlings 11 weiter vermindert.
Der so gekapselte Rohling wird mit Hilfe eines Induktionsofens auf die Bearbeitungstemperatur so schnell erwärmt, dass die den Rohling umschließende Hülle 12 durch die vom Rohling abgegebene Wärme nicht auf die Erweichungstemperatur erhitzt wird. Anschließend wird der Rohling in einer Umformpresse, deren Arbeitsraum einschließlich der Werkzeuge auf die Erweichungs- oder Schmelztemperatur der Hülle erhitzt ist, gepresst. Hierbei schmilzt das Glas vollständig auf und wirkt als Gleitmittel zwischen dem Werkstück 11 und den Teilen der Gesenkform 22,26.
Hierfür wird eine Umformpresse mit mindestens einer unteren und einer oberen Gesenkform 22,26 verwendet, bei der das Arbeitsvolumen der Presse inklusive der unteren und oberen Gesenkform 22,26 in einer Heizkammer angeordnet ist. Dadurch, dass deren Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des für die Kapselung verwendeten Glases liegt, wird gewährleistet, dass die schmelzbaren Teile der Kapselung zumindest so weich werden, dass sie beim Pressen bis auf eine dünne Schicht aus dem Pressenraum ausfließt.
Das kann mit Hilfe der Erfindung so geschehen, in dem die untere Gesenkform 22 in der Unterlage der Presse 22 mit Hilfe eines Führungsstabes 23 und die obere Gesenkform 26 mit Hilfe eines weiteren Führungsstabes 25 im Pressenstempel 24 in der Höhe verschiebbar gelagert wird.
Die Verstelleinrichtung in Form einer Feder gewährleistet, dass die untere Gesenkform 22 in unbelastetem Zustand in einer oberen Position in einem Abstand zur Unterlage 21 angeordnet ist und bei einer Belastung auf die Unterlage 21 abgesenkt wird. Auch die obere Gesenkform 26 ist in unbelastetem Zustand in einem Abstand zum Pressenstempel 24 angeordnet und wird bei Belastung an der Unterseite des Pressenstempels 24 gepresst. Dadurch, dass die Heizkammer nach oben und unten durch verschiebbare Türen 31,32 abgeschlossen ist, die sich in der Ruheposition der Presse in den Zwischenräumen zwischen Unterlage 21 und unterer Gesenkform 22 sowie zwischen Pressenstempel 24 und oberer Gesenkform 26 befinden und die Führungsstäbe 23,25 umschließen und die im Arbeitstakt der Presse so weit seitlich verschoben werden, dass durch die obere Öffnung der Pressenstempel 24 und durch die untere Öffnung die untere Gesenkform 22 hindurch treten kann. Dadurch wird gewährleistet, dass lediglich die Gesenkformen 22,26 auf die zum Erweichen der Kapsel benötigte Temperatur erwärmt werden müssen.

Claims

Verfahren zum Kapseln und Warmumformen von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (11) in einer Kapsel aus Glas oder glasartigem Werkstoff so eingeschlossen wird, dass die den Rohling (11) umschließende Hülle (12) diesen nicht berührt, sowie dass der Zwischenraum zwischen Rohling (11) und umschließender Hülle (12) mit einem Vakuum oder einem inerten Gas gefüllt ist, dass anschließend der Rohling mit Hilfe eines Induktionsofens auf die Bearbeitungstemperatur so schnell erwärmt wird, dass die den Rohling umschließende Hülle (12) durch die vom Rohling abgegebene Wärme nicht auf die Erweichungstemperatur erhitzt wird, sowie dass anschließend der Rohling in einer Umformpresse, deren Arbeitsraum einschließlich der Werkzeuge auf die Erweichungs- oder Schmelztemperatur der Hülle erhitzt ist, verformt wird, wobei das Glas oder die glasartige Substanz vollständig aufschmilzt und als Gleitmittel wirkt.
Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen, die zum Warmumformen einer Pressbehandlung unterzogen werden, wobei die Kapselung aus mindestens einer, den Rohling (11) beabstandet umschließenden Hülle (12) besteht und zwischen Rohling (11) und umschließender Hülle (12) Abstandshalter vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Hülle (12) aus einem Glas oder glasartigem Werkstoff besteht.
Kapselung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere reflektierende Schichten (13) vorhanden sind, die den Rohling teilweise oder vollständig umschließen.
Kapselung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Schichten (13) als metallische Folien oder dünne Bleche ausgebildet sind, die im Zwischenraum zwischen Rohling (11) und umschließender Hülle (12) angeordnet sind.
Kapselung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den reflektierenden Schichten (13) und dem Rohling (11) Abstandshalter (14) angeordnet sind.
Kapselung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den reflektierenden Schichten (13) und der umschließenden Hülle (12) Abstandshalter (14) angeordnet sind.
Kapselung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14) Ausformung der reflektierenden Schichten in Form von Beulen oder Sicken sind.
Kapselung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14) aus Glas oder glasartigen Materialien bestehen und so bemessen sind, dass sie bei Kontakt mit dem erhitzten Rohling (1) in einem Zeitraum aufschmelzen, der größer ist als die Zeit, die benötigt wird, um das Werkstück vom Induktionsofen zur Presse zu befördern.
Kapselung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Schichten durch auf die innere und/oder äußere Oberfläche aufgetragene Verspiegelungen gebildet werden.
Umformpresse mit mindestens einer unteren und einer oberen Gesenkform (22,26) zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen der Presse inklusive der unteren und oberen Gesenkform (22,26) in einer Heizkammer angeordnet ist, deren Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des für die Kapselung verwendeten Glases liegt.
Umformpresse nach Anspruch 10 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Gesenkform (22) in der Unterlage der Presse (22) mit Hilfe eines Führungsstabes (23) in der Höhe verschiebbar gelagert ist, wobei eine Verstelleinrichtung so angeordnet ist, dass die untere Gesenkform (22) in unbelastetem Zustand in einer oberen Position in einem Abstand zur Unterlage (21) angeordnet ist und bei einer Belastung auf die Unterlage (21) abgesenkt wird, dass weiterhin die obere Gesenkform (26) mit Hilfe eines Führungsstabes (25) im Pressenstempel (24) in der Höhe verschiebbar so gelagert ist, dass die obere Gesenkform (26) in unbelastetem Zustand in einem Abstand zum Pressenstempel (24) angeordnet ist und bei Belastung an der Unterseite des Pressenstempels (24) anliegt, dass die Heizkammer nach oben und unten durch verschiebbare Türen (31,32) abgeschlossen ist, die sich in der Ruheposition der Presse in den Zwischenräumen zwischen Unterlage (21) und unterer Gesenkform (22) sowie zwischen Pressenstempel (24) und oberer Gesenkform (26) befinden und die Führungsstäbe (23,25) umschließen und im Arbeitstakt der Presse so weit seitlich verschiebbar sind, dass durch die obere Öffnung der Pressenstempel (24) und durch die untere Öffnung die untere Gesenkform (22) hindurch treten kann.