DE102018209881A1

DE102018209881A1 - Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Bauteils aus einer TiAl-Legierung

Info

Publication number: DE102018209881A1
Application number: DE102018209881.6A
Authority: DE
Inventors: Martin SCHLOFFER
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-12-19
Also published as: EP3584334A1; US20190381559A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung durch zweistufiges isothermes Schmieden und ein dadurch hergestelltes Bauteil. Das Verfahren umfasst ein erstes isothermes Schmieden einer Bauteil-Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C, ein Zwischenglühen der geschmiedeten Vorstufe bei einer Temperatur im Bereich von 1130°C bis 1170°C für 1 bis 8 Stunden und ein anschliessendes zweites isothermes Schmieden bei einer Temperatur von mindestens 1180°C mit einem Umformungsgrad, der niedriger ist als der Umformungsgrad beim ersten isothermen Schmieden.

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 zweistufiges isothermes Schmieden geformt und vorzugsweise nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil.
STAND DER TECHNIK
TiAI-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, so dass der Einsatz der Titanaluminide bzw. von TiAI-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise für Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen oder Flugtriebwerke, vorteilhaft ist.
Durch Zugabe bestimmter Legierungsbestandteile wie beispielsweise Niob und Molybdän kann das Eigenschaftsprofil der TiAI-Legierungen weiter optimiert werden. Derartige Legierungen mit Niob- und Molybdän-Anteil werden auch als sogenannte TNM-Legierungen bezeichnet.
Diese Legierungen werden beispielsweise zur Herstellung von Leit- oder Laufschaufeln in Flugtriebwerken eingesetzt und werden durch Schmieden in die entsprechende Bauteilform gebracht. Insbesondere kann hier isothermes Schmieden mit nachfolgender Wärmebehandlung zur Einstellung des Gefüges und des Eigenschaftsprofils eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich auch einstückige Schaufel-Scheiben-Einheiten, sogenannte blisks (Kunstwort für blade and disk) herstellen.
Beim Schmiedeverfahren kann die Schmiedetemperatur auf 1200°C angehoben und die Hauptumformung vom zweiten in den ersten Schmiedeschritt verlagert werden. Dadurch nehmen die Erholungsmechanismen auf Kosten der Rekristallisationsmechanismen zu und ein Teil der Versetzungsenergie, der zur Gefügefeinung genutzt werden muss, geht durch Erholung verloren. (Versetzungsenergie ist jene Energie, die durch kleine Defekte im Kristallgitter vorhanden ist; Versetzungen sind eingeschobene Atomebenen, die mitten im Kristall enden). Die Versetzungsdichte wird durch das Schmieden so weit erhöht, dass diese Energie für Rekristallisationsprozesse genutzt werden kann. Dabei wird das Gefüge eingeformt und dadurch feiner und homogener. Dies ist der Mechanismus, weshalb Schmieden angewendet wird, um in Materialien höhere Festigkeiten zu erreichen. Bedingt durch eine zunehmend stärkere Erholung der Mikrostruktur, wenn durch Anhebung der Schmiedetemperatur und Verlagerung der Hauptumformung vom zweiten in den ersten Schmiedeschritt die Erholung gegenüber der Rekristallisation zunimmt, wird die Mikrostruktur inhomogener und die Duktilität bzw. die Streuung bei der Totaldehnung steigt an. Das Festigkeits- und Dehnpotential des Werkstoffes wird dadurch nicht so voll ausgeschöpft, wie dies für die Anwendung wünschenswert wäre.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung bereitzustellen, bei welchem das Bauteil durch zweistufiges isothermes Schmieden bei Temperaturen von etwa 1200°C geformt und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei aber die oben geschilderten Nachteile vermieden werden.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes geschmiedetes Bauteil ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAI-Legierung durch zweistufiges isothermes Schmieden umfasst die folgenden Schritte:

- erstes isothermes Schmieden einer Bauteil-Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem ersten Umformungsgrad;
- Zwischenglühen der geschmiedeten Vorstufe bei einer Temperatur im Bereich von 1130°C bis 1170°C für 1 bis 8 Stunden;
- zweites isothermes Schmieden der zwischengeglühten Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem zweiten Umformungsgrad, der niedriger ist als der erste Umformungsgrad beim ersten isothermen Schmieden.

Der zweite Umformungsgrad kann beispielsweise nicht mehr als 95 %, nicht mehr als 90 %, nicht mehr als 85 %, nicht mehr als 80 %, oder nicht mehr als 75 % des ersten Umformungsgrads betragen.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens kann es sich bei der TiAl-Legierung insbesondere um eine TNM-Legierung handeln, also eine Legierung, die neben den Hauptbestandteilen Titan und Aluminum auch kleinere Anteile an Niob und Molybdän (und vorzugsweise auch Bor) umfasst.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann besonders vorteilhaft 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, Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, bestehen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens beträgt die Temperatur im ersten bzw. zweiten Schmiedeschritt mindestens 1190°C, und inbesondere mindestens 1200°C, wobei eine Temperatur von etwa 1200°C besonders bevorzugt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens beträgt der Grad der Umformung im ersten Schmiedeschritt im inneren Bereich, den die finale Bauteilgeometrie umfasst, mindestens 0,55, vorzugsweise mindestens 0,6, und insbesondere mindestens 0,65.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt die Temperatur im Zwischenglühschritt im Bereich von 1135°C bis 1165°C, insbesondere im Bereich von 1140°C bis 1160°C. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur im Bereich von 1145°C bis 1155°C. Die Haltezeit bei der angegebenen Temperatur beträgt mindestens 1 Stunde, beispielsweise mindestens 1,5 Stunden oder mindestens 2 Stunden, und ist nicht länger als 8 Stunden, beispielsweise nicht länger als 7,5 Stunden oder nicht länger als 7 Stunden.
Durch Einführung einer ein- bis achtstündigen Zwischenglühung im obigen Temperaturbereich zwischen den isothermen Schmiedeschritten können das Dehnpotential und die Festigkeit des TiAl-Werkstoffes (beispielsweise einer TNM-Legierung) angehoben werden, insbesondere dann, wenn im ersten isothermen Schmiedeschritt mehr lokale Umformung eingebracht wird als im zweiten Schmiedeschritt. Des Weiteren sinken dadurch im zweiten isothermen Schmiedeschritt die Fließspannungen, wodurch im Regelfall die Gesenkstandzeiten erhöht werden können und die Formfüllung verbessert werden kann. Damit sinken die Gesenk-Kosten und die Festigkeit und das Dehnpotential des Bauteils werden erhöht und stabilisiert. Das Zwischenglühen kann beispielsweise in einem Ofen realisiert werden.
An das Zwischenglühen schliesst sich vorzugsweise (vor dem zweiten isothermen Schmiedeschritt) eine Kühlung der Bauteil-Vorstufe an (vorzugsweise durch Luftkühlung). Die Bauteil-Vorstufe kann jedoch auch ohne Kühlung direkt auf die Temperatur für den zweiten isothermen Schmiedeschritt angehoben werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens schliesst sich an den zweiten isothermen Schmiedeschritt (auf Endkontur oder near net shape) mindestens eine Wärmebehandlung des geschmiedeten Bauteils an. Diese weitere Wärmebehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der γ-Solvus-Temperatur oder unterhalb der γ-Solvus-Temperatur durchgeführt, vorzugsweise jeweils für 20 Minuten bis 180 Minuten.
Beispielsweise wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von der γ-Solvus-Temperatur bis 50°C, vorzugsweise 30°C, besonders vorzugsweise von 2°C bis 25°C, insbesondere von 5°C bis 25°C oberhalb der γ-Solvus-Temperatur oder bei einer Temperatur von 10°C bis 50°C, vorzugsweise von 15°C bis 30°C, unterhalb der γ-Solvus- Temperatur durchgeführt.
Vorzugsweise schliesst sich an die weitere Wärmebehandlung eine Abkühlung, vorzugsweise mit einer Abkühlrate von mindestens 100°C/Minute oder nicht mehr als 500°C/Minute, an. An die Abkühlung kann sich gegebenenfalls eine weitere Wärmebehandlung anschliessen, beispielsweise bei einer Temperatur von 800°C bis 950°C (Stabilisierungsglühen).
Beispielsweise kann mit dem ersten isothermen Schmiedeschritt des erfindungsgemässen Verfahrens soviel Umformung und damit Versetzungsdichte in das Werkstück eingebracht werden, dass durch eine Rekristallisationsglühung bei beispielsweise 1150°C für 1 bis 8 Stunden mit anschliessender (Luft-)Kühlung das Gefüge bis auf lokale Umformgrade von etwa 0,7 vollständig globular eingeformt wird. Im zweiten isothermen Schmiedeschritt auf Endkontur kann dieses Gefüge mit wenig Kraftaufwand (globulares Gefüge hat weniger Fließspannung) in eine endkonturnahe Form geschmiedet werden. Auch wenn lokal nun weniger Umformgrad als für eine vollständige Rekristallisation notwendig (>0,7) vorliegt, kann durch eine anschließende Wärmebehandlung wie oben beschrieben ein homogenes Gefüge ohne alte, aus dem Gusszustand zurückgebliebene Restkolonien eingestellt werden. Dieses homogenere Gefüge weist eine höhere Festigkeit und damit eine höhere Totaldehnung als Bauteile auf, die ohne diese Rekristallisationsglühung prozessiert wurden.
Durch die oben beschriebene anschliessende Wärmebehandlung für beispielsweise 20 Minuten bis 40 Minuten (oberhalb der γ-Solvus-Temperatur) oder 45 Minuten bis 180 Minuten im Dreiphasenfeld (unterhalb der γ-Solvus-Temperatur) der TiAl-Legierung können speziell auf die Anforderungen abgestimmte nahezu lamellare Mikrostrukturen eingestellt werden. Durch eine anschließende Abkühlung mit 500°C/Minute können sehr feine kriechstabile Lamellen oder durch entsprechend langsamere Abkühlung mit bis zu 100°C/Minute dickere, gegenüber zellularer Reaktion beständigere Lamellen eingestellt werden. Anschließend können durch eine mehrstündige Auslagerungs-Wärmebehandlung die Phasenanteile nahe des thermischen Gleichgewichtes bei Anwendungstemperatur eingestellt werden.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können beispielsweise Bauteile einer Strömungsmaschine hergestellt werden, insbesondere Bauteile einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, wie beispielsweise Laufschaufeln, Leitschaufeln oder Turbinenbliske.
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, Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, aufweisen.
Zunächst wird das Material des Bauteils durch einen ersten isothermen Schmiedeschritt bei ca. 1200°C mit einem Umformgrad von ca. 0,6 geschmiedet.
Anschliessend wird das geschmiedete Material durch Luftkühlung auf Raumtemperatur abgekühlt und danach für 4 Stunden bei ca. 1150°C erwärmt, gefolgt von einem zweiten isothermen Schmiedeschritt bei ca. 1200°C auf (nahezu) Endkontur.
Das so hergestellte Bauteil kann in einer ersten Alternative einer (zweiten) Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der γ-Solvus-Temperatur (beispielsweise bei ca. 1290°C) für beispielsweise 20 bis 40 Minuten unterzogen werden.
Danach wird das Bauteil schnell abgekühlt, beispielsweise durch Abkühlung mit einem Gebläse. Diese Gebläsekühlung erfolgt an Luft oder in einem Ofen, wobei die Temperatur auf unter 600°C gesenkt und dann auf ca. 850°C angehoben und für etwa 6 Stunden bei dieser Temperatur gehalten wird.
Dadurch wird das bei der Temperatur der zweiten Wärmebehandlung, also bei einer Temperatur von etwa 1290°C, eingestellte γ-TiAl Gefüge weitgehend eingefroren.
In einer zweiten Alternative für die zweite Wärmebehandlung wird das Bauteil unterhalb der γ-Solvus-Temperatur erwärmt. Beispielsweise wird das Bauteil bei ca. 1235°C für etwa eine Stunde erwärmt und anschließend abgekühlt (Gebläsekühlung). Bei der Gebläsekühlung wird die Temperatur auf unter 600°C gesenkt und dann auf ca. 850°C angehoben.
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 TiAI-Legierung durch zweistufiges isothermes Schmieden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) erstes isothermes Schmieden einer Bauteil-Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem ersten Gesamtumformungsgrad; (b) Zwischenglühen der geschmiedeten Vorstufe bei einer Temperatur im Bereich von 1130°C bis 1170°C für 1 bis 8 Stunden; (c) zweites isothermes Schmieden der zwischengeglühten Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem zweiten Gesamtumformungsgrad, der niedriger ist als der erste Gesamtumformungsgrad.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der TiAl-Legierung um eine TNM-Legierung handelt.
Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (a) mindestens 1190°C, vorzugweise mindestens 1200°C, beträgt.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (c) mindestens 1190°C, vorzugweise mindestens 1200°C, beträgt.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformgrad in Schritt (a) mindestens 0,55, insbesondere mindestens 0,6, beträgt.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Schritt (b) im Bereich von 1135°C bis 1165°C, insbesondere im Bereich von 1140°C bis 1160°C, liegt.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) für mindestens 1,5 Stunden, insbesondere mindestens 2 Stunden und/oder nicht länger als 7,5 Stunden, insbesondere nicht länger als 7 Stunden, durchgeführt wird.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (c) mindestens eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der γ-Solvus-Temperatur oder unterhalb der γ-Solvus-Temperatur der TiAl-Legierung durchgeführt wird.
Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von γ-Solvus-Temperatur bis 30°C oberhalb der γ-Solvus-Temperatur, vorzugsweise von 2°C bis 25°C oberhalb der γ-Solvus-Temperatur, durchgeführt wird.
Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 10°C bis 50°C, vorzugsweise von 15°C bis 30°C, unterhalb der γ-Solvus-Temperatur durchgeführt wird.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung für 20 bis 180 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Wärmebehandlung eine Abkühlung, vorzugsweise mit einer Abkühlrate von mindestens 100°C/Minute und nicht mehr als 500°C/Minute, anschliesst.
Verfahren gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Abkühlung eine weitere Wärmebehandlung, vorzugsweise bei einer Temperatur von 800°C bis 950°C, anschliesst.
Bauteil, insbesondere Bauteil einer Strömungsmaschine, hergestellt nach dem Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14.