DE102012201082B4

DE102012201082B4 - Verfahren zur Herstellung geschmiedeter Bauteile aus einer TiAl-Legierung und entsprechend hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102012201082B4
Application number: DE102012201082.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Smarsly Wilfried
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: US10107112B2; WO2013110260A1; US20140369822A1; EP2807281B1; DE102012201082A1; ES2877557T3; EP2807281A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung, bei welchem das Bauteil durch Schmieden geformt und nachfolgend mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei bei einer ersten Wärmebehandlung die Temperatur zwischen 1100 und 1200°C liegt und für 6 bis 10 Stunden gehalten wird und anschließend das Bauteil abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entweder bei einer zweiten Wärmebehandlung das Bauteil auf eine Temperatur über der Solvus-Linie (1) von γ-TiAl erwärmt wird, wobei die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung 20°C bis 50°C über der Solvus-Linie gewählt wird, oder die zweite Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Solvus-Linie (1) γ-TiAl-Phasenfeldes durchgeführt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung, bei welchem das Bauteil durch Schmieden, insbesondere durch isothermes Schmieden geformt und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil. Ein Verfahren nach dem Oberbgriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 197 56 354 A1 bekannt. Ferner sei zudem auch noch auf die Druckschrift EP 2 386 663 A1 hingewiesen.
STAND DER TECHNIK
TiAl-Legierungen, deren Hauptbestandteile Titan und Aluminium sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch Ausbildung von intermetallischen Phasen, wie beispielsweise γ-TiAl, die einen hohen Anteil kovalenter Bindungskräfte innerhalb der metallischen Bindung aufweisen, bei ausreichender Duktilität über eine hohe Festigkeit, insbesondere Hochtemperaturfestigkeit, verfügen. Zudem besitzen sie ein geringes spezifisches Gewicht, sodass der Einsatz der Titanaluminide bzw. von TiAl-Legierungen wie bei Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise bei Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen oder Flugtriebwerken, geeignet ist.
Durch Zugabe bestimmter Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Niob und Molybdän, können das Eigenschaftsprofil der TiAl-Legierungen weiter optimiert werden. Derartige Legierungen mit Niob- und Molybdän-Anteil werden auch als sogenannte TNM-Legierungen bezeichnet.
Diese Legierungen werden in Flugtriebwerken beispielsweise als Leit- oder Laufschaufeln eingesetzt und werden durch Schmieden in die entsprechende Bauteilform gebracht. Insbesondere kann hier isothermes Schmieden mit nachfolgendender Wärmebehandlung zur Einstellung des Gefüges und des Eigenschaftsprofils eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich auch einstückige Schaufel-Scheiben-Einheiten, sogenannte blisk (Kunstwort für blade and disk) herstellen.
Allerdings kann es bei der Herstellung auf Grund von Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung über das Bauteil hinweg zu einer unterschiedlichen Phasenzusammensetzung innerhalb eines Bauteils aus einem TiAl-Werkstoff kommen, was eine ungleichmäßige Verteilung des Eigenschaftsprofils im Bauteil zur Folge hat, sodass aufgrund entsprechender Schwankungen der Eigenschaften über das Bauteil hinweg derartige Bauteile nicht mehr einsetzbar sind, wenn sie außerhalb der vorgegebenen Spezifikation für das Bauteil liegen. Dadurch kommt es zu hohen Ausschussraten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einer TiAl-Legierung über eine schmiedetechnische Herstellungsroute anzugeben, bei denen die Probleme des Standes der Technik insbesondere im Hinblick auf inhomogene Eigenschaften des Bauteils behoben werden und insbesondere ein Bauteil aus einer TiAl-Legierung in einfacher Weise mit einem gewünschten Eigenschaftsprofil hergestellt werden kann, wobei vor allem auf die spezifische chemische Zusammensetzung und deren Streuung im Bauteil eingegangen werden kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, bei einem schmiedetechnisch hergestellten Bauteil aus einer TiAl-Legierung, also einer Legierung, bei der die Legierungsbestandteile mit dem höchsten Anteil an der Legierungszusammensetzung Titan und Aluminium sind, nach dem Schmieden mindestens eine erste Wärmebehandlung vorzunehmen, bei der zumindest in einem Verfahrensschritt das Bauteil auf eine Temperatur zwischen 1100°C und 1200°C für 6 bis 10 Stunden liegt und anschließend abgekühlt wird.
Durch die vorhergenden Herstellungsschritte erfährt das TiAl-Material eine teilweise Entmischung. Diese erste Wärmebehandlung wird als Homogenisierungsglühen bezeichnet, da damit die Materialzusammensetzung über das Bauteil homogenisiert wird und bestehende Konzentrationsstelle aufgelöst werden. Dabei kann die Abkühlrate zwischen 1°C/s und 5°C/s betragen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Alternative wird das Bauteil in einer zweiten Wärmebehandlung über der Solvus-Linie von γ-TiAl erwärmt. Durch eine derartige zweiten Wärmebehandlung wird im Gefüge das enthaltene γ-TiAl zumindest teilweise in eine andere feste Phase, wie z. B. α-TiAl umgewandelt, sodass eine gewünschte bzw. angepasste Phasenzusammensetzung in der TiAl-Legierung ermöglicht wird und insbesondere abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Bauteils durch Variation der Phasenzusammensetzung eine Einstellung optimaler mechanischer Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Gesamtdehnung und der Kriechfestigkeit möglich wird. Die Wärmebehandlung kann hierbei speziell auf die spezifische chemische Zusammensetzung und deren Streuung im Bauteil abgestimmt werden. Im Vergleich zur bisherigen Vorgehensweise, bei der zwar nach dem Schmieden ebenfalls eine Wärmebehandlung zur Erholung des Gefüges durchgeführt worden ist, kommt es jedoch bei einer Auslagerung des Bauteils bei einer Temperatur oberhalb der Solvus-Linie des γ-TiAl im entsprechenden Phasendiagramm zu einer Änderung der Phasenzusammensetzung, welche eine variable Einstellung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils ermöglicht. Diese zweite Wärmebehandlung bezeichnet man als Rekristallisationsglühen.
Das Bauteil kann nach der zweiten Wärmebehandlung über der Solvus-Linie des γ-TiAl schnell abgekühlt werden, um die bei der Wärmebehandlungstemperatur eingestellte Phasenzusammensetzung weitgehend einzufrieren. Eine schnelle Abkühlung kann beispielsweise durch Abschrecken in Wasser oder Öl oder durch Luftkühlung mit einem Gebläse erfolgen.
Die Abkühlung kann so schnell erfolgen, dass eine Umwandlung von bei der zweiten Wärmebehandlung zusätzlich gebildetem α-TiAl in eine Lamellenstruktur aus α-TiAl und γ-TiAl vermieden wird.
Darüber hinaus kann die zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden, bei der vermieden wird, in ein einphasiges Phasenfeld des TiAl-Phasendiagramms zu gelangen, wie beispielsweise das α-TiAl Phasenfeld, um die bei einer Wärmebehandlung in einem einphasigen Phasenfeld auftretende Gefahr des Grobkornwachstums zu unterbinden.
Die zweite Wärmebehandlung kann für eine Zeitdauer durchgeführt werden, die eine ausreichende Umwandlung des γ-TiAl in eine andere Phase, insbesondere α-TiAl, gewährleistet, so dass die gewünschte Phasenzusammensetzung erreicht werden kann.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Alternativen wird die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung über der γ-TiAl-Solvus-Linie bei einer Temperatur von 20°C bis 50°C, insbesondere 25°C bis 35°C, vorzugsweise ca. 30°C über der γ-TiAl-Solvus-Linie gewählt.
Das Verfahren kann insbesondere für Bauteile eingesetzt werden, die aus einer TiAl-Legierung mit 42 bis 45 At.-% Titan, insbesondere 42,5 – 54,5 At.-% Titan, 3,5 bis 4,5 At.-% Niob, insbesondere 4,0 bis 4,2 At.-% Niob, 0,75 bis 1,5 At.-% Molybdän, insbesondere 0,9 bis 1,2 At.-% Molybdän, und 0,05 bis 0,15 At.-% Bor, insbesondere 0,1 bis 0,12 At.-% Bor, sowie dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen. Bei einer derartigen Legierung liegt eine Phasenzusammensetzung mit entsprechenden Anteilen des γ-TiAl vor, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft macht.
Alterativ zur oben erwähnten zweiten Wärmebehandlung wird in der zweiten alternativen Ausführungsform der Erfindung die zweite Wärmehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Solvus-Linie γ-TiAl durchgeführt, wobei die Temperatur insbesondere zwischen 12°C und 18°C unterhalb der Solvus-Linie liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann zusätzlich eine dritte Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 Stunden durchgeführt werden, um das Materialgefüge im Bauteil zu stabilisieren (Stablisierungsglühen).
Mit einem entsprechenden Verfahren können Bauteile einer Strömungsmaschine hergestellt werden, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, wie insbesondere Laufschaufeln, Leitschaufeln, oder Turbinenbliske, die ein variabel einstellbares Eigenschaftsprofil aufgrund einer angepassten Phasenzusammensetzung aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
Die beigefügte Zeichnung in der einzigen Figur zeigt ein sogenanntes TNM-Phasendiagramm für einen Werkstoff, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht werden kann.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ein Werkstoff für ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil kann beispielsweise eine Zusammensetzung im Bereich von 42 bis 45 At.-% Titan, 3,5 bis 4,5 At.-% Niob, 0,75 bis 1,5 At.-% Molybdän, sowie 0,05 bis 0,15 At.-% Bor mit Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweisen. Ein entsprechendes Bauteil kann beispielsweise isotherm geschmiedet werden, bis es die Rohkontur des endgültig herzustellenden Bauteils aufweist. Als erstes wird das Material des Bauteils durch eine erste Wärmebehandlung bei bspw. 1150°C für 8 Stunden homogenisiert.
Das Bauteil kann in ersten ersten Alternative einer zweiten Wärmebehandlung dann bei einer Temperatur von beispielsweise 1290°C (also oberhalb der Solvus-Linie (1)) für eine vorbestimmte Zeitdauer geglüht werden, um eine teilweise Umwandlung des γ-TiAls in α-TiAl zu bewirken, sodass α-TiAl und γ-TiAl nebeneinander im Gefüge vorliegen. Die Temperaturbehandlung kann dabei solange durchgeführt werden, bis für die gewünschte Phasenzusammensetzung eine ausreichende Menge an γ-TiAl in α-TiAl umgewandelt worden ist.
Danach wird das Bauteil schnell abgekühlt, beispielsweise durch Abschrecken in Wasser (10 min) oder in Öl oder durch Abkühlung mit einem Gebläse. Diese Gebläseabkühlung erfolgt in einem Ofen, wobei die Temperatur auf 850°C gesenkt und für 6 Stunden gehalten wird.
Dadurch wird das bei der Temperatur der zweiten Wärmebehandlung, also bei einer Temperatur von 1290°C, eingestellte α- und γ-TiAl-Gefüge weitgehend eingefroren und eine Umwandlung der α-Phase in α/γ-Lamellen vermieden. Durch die Wahl der Wärmebehandlungstemperatur in Höhe von 1290°C wird zudem vermieden, dass das γ-TiAl vollständig in α-TiAl umgewandelt wird, was bei einer entsprechenden Temperaturbehandlung zu der Gefahr des Grobkornwachstums führen würde.
In einer zweiten Alternative für die zweite Wärmebehandlung wird das Bauteil unterhalb der Solvus-Linie (1) erwärmt. Beispielsweise wird das Bauteil bei 1235°C für eine Stunde erwärmt, anschließend das Bauteil abgekühlt (mit Wasser, Öl oder Ofenabkühlung). Bei der Ofenabkühlung wird die Temperatur auf 850°C gesenkt und für 6 Stunden gehalten.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für einen Fachmann klar, dass Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen, oder andersartige Kombinationen von Merkmalen realisiert werden können, ohne dass der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung, bei welchem das Bauteil durch Schmieden geformt und nachfolgend mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei bei einer ersten Wärmebehandlung die Temperatur zwischen 1100 und 1200°C liegt und für 6 bis 10 Stunden gehalten wird und anschließend das Bauteil abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entweder bei einer zweiten Wärmebehandlung das Bauteil auf eine Temperatur über der Solvus-Linie (1) von γ-TiAl erwärmt wird, wobei die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung 20°C bis 50°C über der Solvus-Linie gewählt wird, oder die zweite Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Solvus-Linie (1) γ-TiAl-Phasenfeldes durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate zwischen 1°C/s und 5°C/s liegt.
Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach der zweiten Wärmebehandlung über der Solvus-Linie (1) durch Abschrecken in Wasser oder Öl oder durch Luftkühlung mit einem Gebläse schnell abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach der zweiten Wärmebehandlung so schnell abgekühlt wird, dass eine Umwandlung des α-TiAl in eine Lamellenstruktur aus α-TiAl und γ-TiAl unterdrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur oberhalb der Solvus-Linie (1) so lange gehalten wird, bis eine gewünschte Phasenzusammensetzung aus α-TiAl und γ-TiAl erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung 25°C bis 35°C, vorzugsweise ca. 30°C über der Solvus-Linie gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung bei 12 bis 18°C unterhalb der Solvus-Linie (1) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer γ-TiAl-Legierung mit 42 bis 45 At.-% Ti, insbesondere 42,5 bis 44,5 At.-% Ti, 3,5 bis 4,5 At.-% Nb, insbesondere 4 bis 4,2 At.-% Nb, 0,75 bis 1,5 At.-% Mo, insbesondere 0,9 bis 1,2 At.-% Mo und 0,05 bis 0,15 At.-% B, insbesondere 0,1 bis 0,12 At.-% B und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung des Bauteils durch isothermes Schmieden erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung des Bauteils durch Feingießen und nachfolgend heiß-isostatisches Pressen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine dritte Wärmebehandlung zur Stabilisierung im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 Stunden umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei mindestens einer Wärmebehandlung mit einer Genauigkeit von 5°C bis 10°C Abweichung von der Solltemperatur nach oben und unten eingestellt und gehalten wird.
Bauteil, das mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist.
Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks ist, insbesondere eine Laufschaufel, Leitschaufel oder Turbinenblisk ist.