DE102011110740B4

DE102011110740B4 - Verfahren zur Herstellung geschmiedeter TiAl-Bauteile

Info

Publication number: DE102011110740B4
Application number: DE102011110740.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Habel; Dietmar Helm; Falko Heutling; Wilfried Smarsly
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: DE102011110740A1; US20140202601A1; EP2742162B1; EP2742162A1; WO2013020548A1; ES2553439T3; WO2013020548A8

Abstract

Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus einer TiAl-Legierung, bei welchem die Bauteile geschmiedet werden und nach dem Schmieden einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei die erste Stufe der Wärmebehandlung ein Rekristallisationsglühen für 50 bis 100 Minuten bei einer Temperatur unterhalb der γ/α-Umwandlungstemperatur und die zweite Stufe der Wärmebehandlung ein Stabilisierungsglühen im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 h umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit bei der ersten Wärmebehandlungsstufe im Temperaturbereich zwischen 1300°C bis 900°C größer oder gleich 3°C/s ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus einer TiAl-Legierung, insbesondere von Bauteilen für Gasturbinen, vorzugsweise Flugturbinen und insbesondere Turbinenschaufeln für Niederdruckturbinen.
STAND DER TECHNIK
Bauteile aus Titanaluminiden sind aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts und ihrer mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in Gasturbinen, insbesondere Flugturbinen, interessant. Allerdings müssen bei Titanaluminid-Werkstoffen die Gefüge exakt eingestellt werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, dass spezielle Prozessrouten gewählt werden müssen, um die gewünschten Gefügeeinstellungen vornehmen zu können. Gleichzeitig soll jedoch die Herstellung und Bearbeitung entsprechender TiAl-Bauteile in industriellen Prozessen wirtschaftlich durchführbar sein. Entsprechend besteht ein ständiger Bedarf, Gefügeeinstellungen und Herstellungswege sowie -parameter für die Herstellung von Titanaluminid-Bauteilen zu optimieren.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist zum Beispiel aus der nachveröffentlichten Druckschrift EP 2 423 340 A1 bekannt. Darüber hinaus sei der Vollständigkeit halber auch noch auf die Druckschriften DE 10 2007 051 499 A1 , DE 197 56 354 A1 und DE 10 2007 060 587 A1 hingewiesen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für die Herstellung von Bauteilen aus Titanaluminid-Werkstoffen bereit zu stellen, welche in Gasturbinen, insbesondere Flugturbinen, vorzugsweise im Bereich der Niederdruckturbine, eingesetzt werden können, wobei eine wirtschaftlich vertretbare Herstellung ermöglicht wird.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus einer TiAl-Legierung werden die Bauteile nach dem Schmieden einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen, wobei die erste Stufe der Wärmebehandlung ein Rekristallisationsglühen unterhalb der γ/α-Umwandlungstemperatur für eine Zeitdauer von 50 bis 100 Minuten vorsieht. Das Glühen bei einer Temperatur unterhalb der γ/α-Umwandlungstemperatur, bei der entsprechend dem Phasendiagramm für die verwendete TiAl-Legierung α-Titan in γ-TiAl umgewandelt wird, kann möglichst nahe an der γ/α-Umwandlungstemperatur stattfinden, wobei eine Temperatur von 15°C, insbesondere 10°C, unterhalb der γ/α-Umwandlungstemperatur nicht unterschritten werden soll.
Das Rekristallisationsglühen kann vorzugsweise für 60 bis 90 Minuten, insbesondere 70 bis 80 Minuten, durchgeführt werden.
Der ersten Stufe der Wärmebehandlung mit dem Rekristallisationsglühen schließt sich eine zweite Stufe der Wärmebehandlung mit einem Stabilisierungsglühen im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 Stunden an.
Das Stabilisierungsglühen kann insbesondere im Temperaturbereich von 825°C bis 925°C, vorzugsweise von 850°C bis 900°C bei einer Haltedauer von 345 Minuten bis 375 Minuten durchgeführt werden.
Die Abkühlung beim Rekristallisationsglühen kann durch Luftabkühlung erfolgen, wobei im Temperaturbereich zwischen 1300°C und 900°C die Abkühlgeschwindigkeit ≥ 3°C pro Sekunde sein soll, um ein feinlamellares Gefüge aus α₂-Ti₃Al und γ-TiAl in der entsprechenden α₂- und γ-Phase einzustellen, welches die erforderlichen mechanischen Eigenschaften gewährleistet.
Die Abkühlung bei der zweiten Wärmebehandlungsstufe, also dem Stabilisierungsglühen, kann mit entsprechend niedrigeren Abkühlgeschwindigkeiten im Ofen erfolgen.
Für die Einstellung des Gefüges und Reproduzierbarkeit einer entsprechenden Gefügeeinstellung ist es von Bedeutung, dass die Wärmebehandlungsschritte möglichst genau bei der entsprechend gewählten Temperatur durchgeführt werden. Allerdings ist eine zunehmend exakte Einstellung der Temperatur und Halten der Bauteile auf den entsprechenden Temperaturen mit wachsendem Aufwand verbunden, so dass für eine wirtschaftlich sinnvolle Bearbeitung ein Kompromiss gefunden werden muss. Für die Wärmebehandlung von geschmiedeten TiAl-Bauteilen hat sich eine Temperatureinstellung mit einer Abweichung im Bereich von 5°C bis 10°C nach oben und unten von der Soll-Temperatur als vorteilhaft herausgestellt. Entsprechend kann die gewählte Soll-Temperatur für die Wärmebehandlungsschritte der vorliegenden Erfindung in einem entsprechenden Temperaturfenster mit 5°C bis 10°C Abweichung von der Soll-Temperatur nach oben und unten eingestellt und gehalten werden.
Für die Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus TiAl-Legierungen, insbesondere für Gasturbinenbauteile, wie beispielsweise Niederdruckturbinen-Turbinenschaufeln, sind vor allem mit Niob und Molybdän legierte Titanaluminid-Legierungen verwendbar. Derartige Legierungen werden auch als TNM-Legierungen bezeichnet.
Für das vorliegende Verfahren kann eine Legierung mit 42 bis 45 Atomprozent Aluminium, 3 bis 5 Atomprozent Niob und 0,5 bis 1,5 Atomprozent Molybdän verwendet werden.
Der Aluminiumgehalt kann insbesondere im Bereich von 42,8 bis 44,2 Atomprozent Aluminium gewählt werden, während 3,7 bis 4,3 Atomprozent Niob und 0,8 bis 1,2 Atomprozent Molybdän zulegiert sein können.
Darüber hinaus kann die Legierung mit Bor legiert sein, und zwar im Bereich von 0,05 bis 0,15 Atomprozent Bor, insbesondere 0,07 bis 0,13 Atomprozent Bor.
Ferner kann die Legierung unvermeidbare Verunreinigungen bzw. weitere Bestandteile wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Chrom, Silizium, Eisen, Kupfer, Nickel und Yttrium aufweisen, wobei deren Gehalt ≤ 0,05 Gewichtsprozent Chrom, ≤ 0,05 Gewichtsprozent Silizium, ≤ 0,08 Gewichtsprozent Sauerstoff, ≤ 0,02 Gewichtsprozent Kohlenstoff, ≤ 0,015 Gewichtsprozent Stickstoff, ≤ 0,005 Gewichtsprozent Wasserstoff, ≤ 0,06 Gewichtsprozent Eisen, ≤ 0,15 Gewichtsprozent Kupfer, ≤ 0,02 Gewichtsprozent Nickel und ≤ 0,001 Gewichtsprozent Yttrium betragen kann. Weitere Bestandteile können einzeln im Bereich von 0 bis 0,05 Gewichtsprozent bzw. insgesamt von 0 bis 0,2 Gewichtsprozent enthalten sein.
Das Schmieden der entsprechenden Bauteile kann durch Gesenkschmieden im α-γ-β-Temperaturbereich erfolgen, wobei als Vormaterial für das Schmieden gegossene und/oder heiß-isostatisch gepresste Rohlinge eingesetzt werden können.
Die Rohlinge selbst können durch Erschmelzen im Vakuum oder Schutzgas mit selbstverzehrenden Elektroden oder im gekühlten Tiegel mittels Plasmalichtbogenschmelzen hergestellt werden, wobei ein einmaliges oder mehrmaliges Umschmelzen der Legierung durchgeführt werden kann. Das Umschmelzen kann mittels Vakuuminduktionsschmelzen oder Vakuumlichtbogenumschmelzen (VIM vacuum induction melting; VAR vacuum arc remelting) erfolgen und das abgegossene Material kann heiß-isostatisch gepresst werden, wobei Temperaturen ≥ 200°C bei einem Druck ≥ 190 MPa und einer Haltezeit ≥ 4 Stunden angewendet werden können.
Durch das oben dargestellte Verfahren kann ein Bauteil aus einer TiAl-Legierung, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, vorzugsweise einer Flugturbine, hergestellt werden, welches ein Triplex-Gefüge mit einer globulitischen γ-TiAl-Phase, einer B2-TiAl-Phase (kubisch raumzentrierte Phase) und einer lamellaren α₂-Ti₃Al- und γ-TiAl-Phase aufgebaut ist. Der Anteil der γ-Phase beträgt hierbei 2 bis 20 Volumenprozent, der Anteil der B2-Phase 1 bis 20 Volumenprozent und der Anteil der γ-Phase zusammen mit der B2-Phase 5 bis 25 Volumenprozent.
Insbesondere kann der Anteil der γ-Phase 5 bis 15 Volumenprozent und der Anteil der B2-Phase 3 bis 15 Volumenprozent sowie der Anteil der beiden Phasen zusammen 8 bis 20 Volumenprozent betragen.
Die Größe der γ-Phase oder der γ-Körner kann so eingestellt sein, dass ein umschriebener Kreis einen Durchmesser ≤ 40 μm aufweist. Gleiches gilt für die B2-Phase oder B2-Körner.
Die lamellaren Gefügebereiche aus α₂- und γ-Phase weisen eine Größe auf, bei der die äquivalente Fläche eines Kreises einen Durchmesser von ≤ 100 μm besitzt.
Das Streckungsverhältnis der lamellaren α₂- und γ-Phase, also das Verhältnis der Länge zur Breite der Lamellen kann ≤ 3:1 sein.
Das Gefüge kann zusätzlich Boride aufweisen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich.
Eine TiAl-Legierung mit einem Aluminiumanteil von 28,1 bis 29,1 Gewichtsprozent, einem Niobanteil von 8,5 bis 9,6 Gewichtsprozent, einem Molybdänanteil von 1,8 bis 2,8 Gewichtsprozent, einem Boranteil von 0,019 bis 0,034 Gewichtsprozent, einem Kohlenstoffanteil von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent, einem Sauerstoffanteil von 0 bis 0,08 Gewichtsprozent, einem Stickstoffanteil von 0 bis 0,015 Gewichtsprozent, einem Wasserstoffanteil von 0 bis 0,005 Gewichtsprozent, einem Chromanteil von 0 bis 0,05 Gewichtsprozent, einem Siliziumanteil von 0 bis 0,05 Gewichtsprozent, einem Eisenanteil von 0 bis 0,06 Gewichtsprozent, einem Kupferanteil von 0 bis 0,15 Gewichtsprozent und einem Nickelanteil von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent sowie einem Anteil an Yttrium von 0 bis 0,001 Gewichtsprozent und dem Rest Titan und anderen einzelnen Bestandteilen mit einem Anteil von 0 bis 0,05 Gewichtsprozent bzw. zusammen mit insgesamt 0 bis 0,20 Gewichtsprozent, ist im Vakuum oder unter Schutzgas mit einer selbstverzehrender Elektrode erschmolzen und mindestens einmal in gleicher Weise umgeschmolzen worden. Das so erschmolzene Material wurde bei einer Temperatur von > 1200°C und einem Druck von mehr als 190 MPa für eine Haltezeit von mehr als 4 Stunden heiß-isostatisch verdichtet und dann in einer Gesenkschmiede bei einer Temperatur im α-γ-β-Phasenbereich geschmiedet. Anschließend erfolgte eine Wärmebehandlung mit einem Rekristallisationsglühen unterhalb der γ/α-Umwandlungstemperatur für 75 Minuten mit einer Luftabkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 3°C pro Sekunde. Anschließend wurde das entsprechende Bauteil bei 920°C für 6 Stunden einer Stabilisierungsglühung unterzogen und anschließend im Ofen abgekühlt.
Ein derartiges Bauteil, wie beispielsweise eine Turbinenschaufel für eine Niederdruckturbine in einem Flugtriebwerk, weist ein Triplex-Gefüge mit entsprechenden Anteilen an γ-Phase, B2-Phase und lamellarer α₂- und γ-Phase auf. Ein derartiges Bauteil weist bei einem Warmzugversuch bei 300°C eine Streckgrenze (0,2%-Dehngrenze R_p0,2) von mehr als 670 MPa und eine Zugfestigkeit R_m von mehr als 840 MPa bei einer Gesamtdehnung (elastische und plastische Dehnung bis Bruch) A_tot von mehr als 1,7% auf. Bei einem Warmzugversuch bei einer Temperatur von 750°C wird immer noch eine Streckgrenze R_p0,2 von mehr als 500 MPa und eine Zugfestigkeit R_m > 730 MPa erreicht. Die Kriecheigenschaften sind bei einer Kriechtemperatur von 750°C und einer Prüfspannung von 150 MPa sowie einer Kriechdauer von mehr als 200 Stunden durch eine plastische Gesamtdehnung A_p von ≤ 1% chrakterisiert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist, sondern dass Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Prozess- und Werkstoffparameter weggelassen oder andere Kombinationen von Prozess- und Werkstoffparametern gewählt werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere sämtliche einzelnen Prozessschritte und Prozess- und Werkstoffparameter.

Claims

Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus einer TiAl-Legierung, bei welchem die Bauteile geschmiedet werden und nach dem Schmieden einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei die erste Stufe der Wärmebehandlung ein Rekristallisationsglühen für 50 bis 100 Minuten bei einer Temperatur unterhalb der γ/α-Umwandlungstemperatur und die zweite Stufe der Wärmebehandlung ein Stabilisierungsglühen im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 h umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit bei der ersten Wärmebehandlungsstufe im Temperaturbereich zwischen 1300°C bis 900°C größer oder gleich 3°C/s ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekristallisationsglühen für 60 bis 90 Minuten, insbesondere 70 bis 80 Minuten und/oder das Stabilisierungsglühen im Temperaturbereich von 825°C bis 925°C, insbesondere 850°C bis 900°C und/oder für 345 bis 375 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Wärmebehandlung mit einer Genauigkeit von 5°C bis 10°C Abweichung von der Solltemperatur nach oben und unten eingestellt und gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine TiAl-Legierung mit Niob und Molybdän, insbesondere eine Legierung mit 42 bis 45 At.% Aluminium, 3 bis 5 At.% Niob und 0,5 bis 1,5 At.% Molybdän verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung mit 0,05 bis 0,15 At.% Bor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Gesenkschmieden im α-γ-β-Temperaturbereich hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vormaterial für das Schmieden gegossene oder heiß-isostatisch gepresste Rohlinge verwendet werden.