DE10329530A1

DE10329530A1 - Gieß- und Erstarrungsverfahren für Bauteile aus intermetallischen Legierungen

Info

Publication number: DE10329530A1
Application number: DE2003129530
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Busse; Günter Dipl.-Ing. Hübner; Michael Dipl.-Ing. Paninski; Georg J. Dr.rer.nat. Schmitz
Original assignee: Access Materials & Processes; ACCESS MATERIALS&PROCESSES
Current assignee: Access Materials & Processes; ACCESS MATERIALS&PROCESSES
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Offenbart ist ein Gieß- und Erstarrungsverfahren für Bauteile aus intermetallischen Legierungen. Besonderes Charakteristikum dieses Verfahrens ist die Einführung einer Haltezeit bei einer Temperatur oberhalb der spröd-duktil Übergangstemperatur DBTT unmittelbar im Anschluß an den Gießvorgang. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Vermeidung von Warmrissen und Spannungsrissen auch in größeren Bauteilen aus intermetallischen Legierungen. Besonders vorteilhaft für das Verfahren erweist sich die Verwendung zumindest zweier Öfen mit unterschiedlichen Temperaturen, welche relativ zur schmelzegefüllten Form bewegt werden und aufgrund des zwischzen ihnen bestehenden Temperaturgradienten eine gelenkte Erstarrung des Bauteils bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus intermetallischen Legierungen in einem Gieß-Erstarrungsverfahren.

Intermetallische Legierungen/Werkstoffe sind gekennzeichnet durch eine nahezu stöchiometrische Verbindung zweier oder mehrerer Metalle wie z.B. TiAl, Ni₃Al mit nur geringen Löslichkeitsbereichen für die jeweiligen Elemente. Intermetallische Werkstoffe weisen in der Regel bei einer bestimmten Temperatur einen Übergang zwischen duktilem und sprödem Verhalten, eine sogenannte „Ductile-Brittle-Transition Temperature" DBTT, auf.

Unterhalb der DBTT (z.B. ca. 700°C für TiAl) verhält sich der Werkstoff spröde. Seine Rissempfindlichkeit sinkt erst bei höheren Bauteiltemperaturen oberhalb der DBTT. Bei der Erstarrung komplexer Bauteile entsteht durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizenten von erstarrendem Metall und formgebebender Keramik eine Einspannung des Bauteils in der Formschale, die aufgrund der geringen Duktilität des intermetallischen Werkstoffs unterhalb der DBTT bei dessen weiterer Abkühlung zu Spannungsrissen im Bauteil führt. Insbesondere komplexe Bauteilgeometrien mit deutlich ausgeprägten Hinterschneidungen oder schwindungsbehindernden Bauteilbereichen erfordern deshalb einen intelligenten Formschalenaufbau. Prinzipiell kann die Entstehung von Spannungen im Bauteil durch die Verwendung weicher Formschalen kompensiert werden, die bei zu hohen Spannungen im Bauteil-Formschalensystem frühzeitig aufbrechen. Der hiermit einhergehende Minderung der formgebenden Eigenschaften der Formschalenstruktur führt jedoch zu einem deutlichen Verzug des Bauteils, der nur mit großem Aufwand behoben werden kann. Desweiteren muß die Formschale während des Gießens – insbesondere von größeren Bauteilen – einem hohen metallostatischem Druck standhalten. Insgesamt ergibt sich ein widersprüchliches Anforderungsprofil für die eingesetzte Formschalenkeramik:

duktil/nachgiebig: zur Vermeidung von Rissbildung im Bauteil vs.
formstabil/hart: zur Erzielung geometrisch präziser Bauteile und zur Herstellung größerer Bauteile bei hohem metallostatischen Druck.

Eine weitere Problematik bei der gießtechnischen Herstellung von Bauteilen aus intermetallischen Legierungen liegt in deren im allgemeinen eingeschränktem Fließ-, Formfüll- und Speisungsvermögen. Das Speisungsvermögen l/d steht im Zusammenhang mit der Speisungslänge l über die eine Form für ein längliches Bauteil mit der Länge L und der Dicke d (bei Stäben der Durchmesser, bei Rechteckprofilen: das Maß der kleineren Seite, allgemein: die kleinste Querausdehnung). Die Speisungslänge l ist die Bauteillänge, welche durch eine Schmelze bei gegebenen Giessbedingungen gefüllt wird und ohne Bildung von Volumendefiziten erstarrt. Bei schlechtem Speisungsvermögen der Legierung und Bauteilen mit einem kleinem Verhältnis d/L treten aufgrund der mangelhaften Kompensation des Volumensprunges beim Übergang flüssig/fest vermehrt Schwindungsporen oder Lunker auf, da Schmelze nicht in ausreichendem Maße nachfliessen kann. Insbesondere lange, dünnwandige Bauteile sind daher bei geringem Speisungsvermögen nur schwer ohne Entstehung von Volumendefiziten realisierbar.

Wie bei allen metallischen Schmelzen hängt auch bei intermetallischen Legierungen das Fließ-, Formfüll- und Speisungsvermögen wesentlich von der Überhitzung der Schmelze und von der Temperatur der Form ab. Die hohe Reaktivität vieler intermetallischer Legierungen, insbesondere von TiAl, schliesst konventionelle Schmelztechniken in keramischen Tiegel mit ausreichendem Überhitzungspotential wie z.B. VIM (Vacuum induction melting, Vakuuminduktionsschmelzen) aus.

Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren intensiv an der Modifikation von ISM (Inductive Skull Melting, Kaltwandinduktionstiegeltechnik) Anlagen gearbeitet. Diese quasi-behälterlose Schmelztechnologie bietet die derzeit beste Möglichkeit, größere Schmelzemengen aus intermetallischen Legierungen (insbesondere TiAl) mit akzeptablen Verunreinigungs- und Sauerstoffgehalt bereitzustellen. Bei den heute von verschiedenen Herstellern auf dem Markt angebotenen ISM-Anlagen liegt die maximal erzielbare Überhitzung für TiAl-Legierungen bei ca. 50 – 70K. Dieser Grad an Überhitzung erfordert insbesondere zur Herstellung von Bauteilen mit dünnen Wandstärken und geringem d/L Verhältnis den Einsatz stark vorgewärmter Formschalen und/oder druckunterstützter Gießtechnologien. Trotz solcher Maßnahmen treten gerade bei größeren Bauteilen mit extremen Speisungslängen in dünnen Bauteilbereichen, wie z.B. Turbinenschafeln, Volumendefekte und/oder ausgeprägte Warmrissbildung auf. Ursache für beide Fehlerarten ist eine unzureichende Nachspeisung des Bauteils. Als Gegenmaßnahme werden im konventionellen Schwerkraftguss groß dimensionierte und dadurch unwirtschaftliche Anschnitte und Speiser eingesetzt. Allerdings lassen sich gerade Volumendefekte mit dieser Maßnahme aufgrund des eingeschränkten Speisungsvermögens im Falle des intermetallischer Legierungen wie z.B. TiAl nur unzureichend und nur mit hoher Ausschussrate kompensieren.

Die wirtschaftliche Bedeutung von Bauteilen aus intermetallischen Legierungen liegt in ihren Möglichkeiten zur Erhöhung des Wirkungsgrades konventioneller Verbrennungskraftmaschinen. Zur Reduzierung oszillierender bzw. rotierender Massen einzelner Komponenten gewinnen leichte Hochtemperatur-Legierungen wie z.B. γ-Titanaluminide (TiAl) weltweit für den Motoren- und Gasturbinenbau an Bedeutung. TiAl verfügt als intermetallische Legierung über ausreichende Festigkeitseigenschaften und gute Oxidations- und Korrosionseigenschaften bis zu Einsatztemperaturen von 850°C. Darüber hinaus sinkt das Bauteilgewicht bei Verwendung von TiAl im Vergleich zu Stahl- bzw. Ni-Basis-Superlegierungen um ca. 50%.

Eine wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen aus intermetallischen Legierungen wird nicht durch den Abguß einzelner Bauteile zu erreichen sein. Auch spielt bei den heute marktüblichen Legierungskosten die Ausbringung, d.h. das Verhältnis von im Produkt verwendeten Material zur eingesetzten Materialmenge (Rohmaterial und Umlaufmaterial), eine wesentliche Rolle. Insbesondere die Verunreinigung des Umlaufmaterials mit Sauerstoff und keramischen Einschlüssen schließt eine direkte Wiederverwertung aus. Um diesen Umständen Rechnung zu tragen, werden bevorzugt mehrere Bauteile – ein sog. Cluster von Bauteilen- mit einem einzelnen Abguß hergestellt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur gießtechnischen Herstellung von Bauteilen aus intermetallischen Legierungen, welche im festen Zustand einen spröd-duktil Übergang – eine sogenannte „ductile-brittle transition temperature" DBTT aufweisen.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren soll

• die Ausbildung von Warmrissen im Bauteil verhindert
• massgetreue Bauteile ohne Verzug hergestellt werden
• die Kontamination des Bauteils durch Formschalenelemente minimiert werden
• der Abguß größerer Bauteile aus intermetallischen Legierungen nahezu schwindungsfrei ermöglicht werden.
• der Abguß von Bauteilclustern ermöglicht werden

LÖSUNG DER AUFGABE

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Einführung einer Haltezeit bei einer Temperatur oberhalb der DBTT der intermetallischen Legierung während des Erstarrungsvorganges erzielt. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere die Verwendung eines Systems aus zwei Öfen, welche sich auf unterschiedlichen Temperaturen oberhalb der DBTT befinden. Zwischen diesen Öfen bildet sich ein Temperaturgradient aus, welcher eine gelenkte Erstarrung bewirkt und so eine kontinuierliche Speisung ermöglicht.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Herstellung eines ca. 40 cm großen Turbinenschaufeldummys aus TiAl.
Eine nach dem konventionellen Wachsausschmelzverfahren hergestellte keramische Gießform aus Al₂O₃ mit einer Frontschicht aus Y₂O₃ wird unter Vakuum (Restdruck p < 10^-2 mbar) in einem als Vorwärmofen bezeichneten Rohrofen auf eine Temperatur von ca. 1500°C vorgewärmt. Der Vorwärmofen ist über eine 5–10 cm dicke, wassergekühlte, Isolationszone aus Al₂O₃. Watte mit einem darunter befindlichen zweiten Ofen, dem Erstarrungsofen, verbunden. Die Temperatur des Erstarrungsofens wird mit ca. 750 °C so eingestellt, daß sie über der spröd/duktil Übergangstemperatur DBTT der vergossenen TiAl-Legierung (Handelsbezeichnung XD45, DBTT etwa bei 700°C) liegt.
Das Aufschmelzen der Legierung erfolgt ebenfalls unter Vakuum durch ein für TiAl geeignetes, kommerziell verfügbares Schmelzaggregat wie z.B. ISM (Fa. ALD Hanau). Die ca 50 K überhitzte Schmelze wird über einen Trichter in die im Vorwärmofen befindliche Form gegossen. Anschließend wird die schmelzegefüllte Form kontrolliert mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von v ~ 2,5 cm/min (v_min ~ 1cm/min, v_max ~ 7 cm/min) in den Erstarrungsofen überführt indem die beiden zusammenhängenden Ofenkammern gemeinsam über die Form verschoben werden. Durch den zwischen Vorwärmofen und Erstarrungsofen bestehenden Temperaturgradienten wird dem Bauteil eine vorzugsweise Erstarrungsrichtung aufgezwungen. Die Erstarrung beginnt hierbei im kältesten Bereich der Form, d.h. in der Nähe des Erstarrungsofens. Durch die kontinuierliche Bewegung des Ofensystems relativ zur Form wird die Erstarrungsfront – beginnend am kältesten Bereich der Form in der Nähe des Erstarrungsofens- kontrolliert durch das Bauteil gelenkt. Hierdurch kann der auftretende Volumensprung an der Erstarrungsfront durch kontinuierliche Speisung kompensiert und Volumendefizite sowie die Bildung von Warmrissen unterdrückt werden.
Spannungsrisse und Verzug bei der weiteren Abkühlung werden vermieden, da bei der Erstarrung die spröd-duktil Übergangstemperatur DBTT von 700°C im Erstarrungsofen nicht unterschritten wird. Dies ermöglicht die Verwendung starrer Formschalensysteme und somit auch die Herstellung größerer Bauteile. Nach vollständiger Erstarrung des Bauteils und Abbau der Gießspannungen nach einer Haltezeit von ca 12 Stunden oberhalb der DBTT wird die Form noch oberhalb der DBTT durch äußere mechanische Einwirkung geschädigt. Die letztendliche Abkühlung der geschädigten Form und des darin befindlichen Gussbauteils auf Raumtemperatur erfolgt in einem angeschlossenen Wärmebehandlungsschritt mit kontrollierter Abkühlung mit einer Abkühlrate von ca 100 K/h. Bei Raumtemperatur erfolgt dann die letztliche Ausformung des Bauteils.

Claims

Giess- und Erstarrungsverfahren für Bauteile aus intermetallischen Legierungen dadurch gekennzeichnet, dass Abkühlung und Erstarrung der Schmelze in einer Form mit zumindest einem Haltepunkt bei einer Temperatur oberhalb der DBTT der intermetallischen Legierung erfolgen.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne während der sich die schmelzegefüllte Form auf der Temperatur des Haltepunktes befindet mehr als 30 Minuten beträgt, bevor die weitere Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Temperatur oberhalb der DBTT befindliche Formschale geschädigt wird, bevor die weitere Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abkühlung und Erstarrung der Schmelze bis zum Haltepunkt in mindestens zwei Öfen mit unterschiedlichen Temperaturen oberhalb der DBTT erfolgen
Giess- und Erstarrungsverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Öfen mechanisch verbunden und thermisch durch eine Isolationszone getrennt sind.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationszone eine Öffnung beinhaltet, durch welche die schmelzegefüllte Form bewegt werden kann.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Isolationszone verschließbar ausgestaltet ist.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationszone aus zumindest zwei verschiedenen Materialien ausgestaltet ist und gekühlt werden kann.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Öfen relativ zur schmelzegefüllten Form bewegt werden
Giess- und Erstarrungsverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzegefüllte Form zwischen den mindestens zwei Öfen bewegt wird
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Form und den mindestens zwei Öfen auf der Basis von Messwerten geregelt wird
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Form und Öfen nach einem vorgegebenen Profil gesteuert wird
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Cluster von Bauteilen in der Form abgegossen wird.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die intermetallische Legierung mindestens zwei Elemente ausgewählt unter Ti, Al, Fe, Ni, Si, Mo, Nb enthält.
Giess- und Erstarrungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel ist
Gussbauteile aus intermetallischen Legierungen, welche zumindest teilweise längliche, dünnwandige Formen mit Längenverhältnissen Wanddicke/Länge von weniger als 0,2 aufweisen.