DE3720110C2 - Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen von beta-Titanlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen von beta-Titanlegierungen in Tie­ geln und in Gießformen mit niedriger Reaktionsfähig­ keit.

Gebräuchliche Titanlegierungen sind hochreaktions­ fähig, besonders wenn sie schmelzflüssig sind. Wegen der außerordentlichen Reaktionsfähigkeit schmelzflüs­ siger Titanlegierungen war es erforderlich, daß das Schmelzen und Vergießen solcher Legierungen unter Anwendung von Schalenansetzverfahren durchgeführt wird. Beim Schmelzen von Titan unter Anwendung ei­ nes Schalenansetzverfahrens wird ein wassergekühlter Kupferbehälter bereitgestellt, und das Schmelzen der Titanlegierung findet unter Bedingungen statt, die für das Erstarren einer Anfangsschicht der Titanzusam­ mensetzung auf der wassergekühlten Kupfer-Abschrec­ kungsoberfläche sorgen, so daß die schmelzflüssige Ti­ tanlegierung nur festes Titan und nicht den Kupferbe­ hälter selbst berührt solche Verfahren sind wegen der Reaktionsfähigkeit von Titan notwendig; sie sind aber auch erwünscht, weil das Schmelzgut frei von Verunrei­ nigungen ist. Schalenansetz-Schmelzverfahren haben Nachteile, zu denen die Einschränkung des Ausmaßes der Schmelzüberhitzung gehört, die darauf zurückzu­ führen ist, daß zwischen dem Schmelzgut und dem Kup­ fer-Mantelblech eine feste Schale aufrechterhalten wer­ den muß. Dies führt bei der praktischen Durchführung dazu, daß die Schmelzüberhitzung des schmelzflüssigen Titans nicht größer sein darf als etwa 22,2°C (40°F). Diese Einschränkung der Überhitzung kann ihrerseits zu Gußproblemen führen, die mit einer mangelnden Gießbarkeit von schmelzflüssigem Titan mit einer so geringen Schmelzüberhitzung in Verbindung stehen. Die Einschränkung auf eine geringe Schmelzüberhit­ zung bedeutet, daß die Herstellung von komplizierten Titan-Gußstücken sehr schwierig ist, so daß die meisten der komplizierten Titan- Formteile durch Schmieden, ein kostspieliges Verfahren, hergestellt werden.

Die Reaktionsfähigkeit von reinem Titan und han­ delsüblichen Titanlegierungen gegenüber Kohlenstoff ist als Folge der hohen Bildungsenergie von Titancarbid außerordentlich hoch. Diese hohe Reaktionsfähigkeit und die nachteilige Wirkung einer Verunreinigung mit Kohlenstoff auf die mechanischen Eigenschaften der er­ haltenen Legierungen haben es in der Praxis erforder­ lich gemacht, daß Kohlenstoff von einer Berührung mit schmelzflüssigem Titan ausgeschlossen wird.

Kürzlich ist eine neue Gruppe von beta-Titanlegie­ rungen entwickelt worden. Diese Legierungen werden in der US-Patentanmeldung (Serial No. 06/8 15606) be­ schrieben, die am gleichen Datum eingereicht worden ist wie die US-Patentanmeldung, deren Priorität von der vorliegenden Patentanmeldung in Anspruch genommen wird, und bestehen aus den Hauptbestandteilen Titan, Vanadium und Chrom; ein Beispiel für diese Legierun­ gen ist Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom. Es ist eine überraschende Beobachtung, daß Legierungen, die annähernd die vorstehend beschriebene Zusammenset­ zung haben, gegenüber Kohlenstoff vergleichsweise nichtreaktionsfähig sind, obwohl sie aus Legierungsbe­ standteilen gebildet wurden, die alle energische Carbid­ bildner sind.

Gegenstand der Erfindung sind das Schmelzen und das Vergießen von beta-Titanlegierungen, die zu einer besonderen Gruppe von Zusammensetzungen gehören, unter Anwendung einer Schmelz- und einer Gußvor­ richtung, bei denen die Oberflächen, die schmelzflüssi­ ges Metall berühren, im wesentlichen aus Kohlenstoff gebildet sind. Es ist festgestellt worden, daß die beta-Ti­ tanlegierungen, die zu dieser besonderen Gruppe gehö­ ren, gegenüber Kohlenstoff vergleichsweise nichtreak­ tionsfähig sind und deshalb vorteilhafterweise in Berüh­ rung mit Kohlenstoff verarbeitet werden können. Fer­ ner ist ermittelt worden, daß die Kohlenstoffmengen, die durch die Legierung gelöst werden, für die Material­ eigenschaften nicht nachteilig sind und tatsächlich unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein können.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend näher erläutert.

Die Erfindung betrifft die Technologie für das Schmelzen und Vergießen von beta-Titanlegierungen, die aus mehr als 10% Chrom, mehr als 20% Vanadium und mindestens 40% Titan bestehen. Solche Legierun­ gen sind der Gegenstand der US-Patentanmeldung (Se­ rial No. 06/8 15 606), die am gleichen Datum eingereicht worden ist wie die US-Patentanmeldung, deren Priorität von der vorliegenden Patentanmeldung in Anspruch ge­ nommen wird, und auf deren Inhalt hierin Bezug ge­ nommen wird. Diese Legierungen weisen unter den mä­ ßig strengen Bedingungen, die im Turbinenabschnitt von Gasturbinenmotoren angetroffen werden, eine be­ merkenswerte Kombination von Festigkeit und Unver­ brennbarkeit auf.

Es ist festgestellt worden, daß solche Materialien oh­ ne Schwierigkeiten, d. h., ohne unzulässige nachteilige Reaktionen, mit verschiedenen Formen von Kohlenstoff in Berührung gebracht werden können, während das Legierungsmaterial schmelzflüssig ist. So kann die Le­ gierung beispielsweise in einem Graphittiegel ge­ schmolzen werden, und der Tiegel kann unter Ausnut­ zung der bekannten Eigenschaften von Graphit als Sus­ zeptor ohne unzulässige Reaktion der Legierung mit dem Graphit induktiv erhitzt werden. Durch die Anwen­ dung eines Tiegels auf Kohlenstoffbasis für die vorste­ hend beschriebenen beta-Titanlegierungen kann ver­ mieden werden, daß das bisher angewandte Schalenan­ setz-Schmelzverfahren mit seinen Nachteilen angewen­ det werden muß.

Es ist tatsächlich beobachtet worden, daß das beta-Legierungsmaterial einen Gleichgewichts-Kohlenstoff­ gehalt zu erreichen scheint, der mit dem Ausmaß der Schmelzüberhitzung des Materials in Beziehung steht. So enthält beispielsweise ein Material mit einem ver­ nachlässigbaren Ausmaß der Schmelzüberhitzung (d. h. mit einer sehr nahe beim Erstarrungspunkt liegenden Temperatur des schmelzflüssigen Materials) eine Gleichgewichts-Kohlenstoffmenge in der Größenord­ nung von 0,1 bis 0,3%. Bei einer Schmelzüberhitzung von 55,6°C (100°F) wird das Material eine Gleichge­ wichts-Kohlenstoffmenge in der Größenordnung von 0,4 bis 0,6% enthalten. Es wird geschätzt, daß das Mate­ rial bei einer Schmelzüberhitzung von 111,1°C (200° F) eine Kohlenstoffmenge in der Größenordnung von 0,6 bis 1,2% enthalten wird.

Die Tragweite der Erfindung ist beim Gießverfahren besonders offensichtlich. Während es nach dem Stand der Technik wegen Reaktionen des Gießformmetalls und wegen einer niedrigen Schmelzüberhitzung schwie­ rig oder sogar unmöglich war, komplizierte Titan-Ge­ genstände mit gedrängter Formgebung in die richtigen Abmessungen zu gießen, ist es im Rahmen der Erfin­ dung möglich, eine komplizierte Kohlenstoff-Gießform zu bilden, z. B. durch spanende Bearbeitung von Graphit, durch Beschichten einer Keramik-Gießform mit Koh­ lenstoff (z. B. mit pyrolytischem Graphit), durch Anwen­ dung von Investment-Maskenformverfahren, wobei je­ doch der innere, das Metall berührende Stuck und die Aufschlämmungen im wesentlichen aus Kohlenstoff be­ stehen, oder durch Anwendung von Investmentgießver­ fahren, bei denen die Metall berührenden Oberflächen aus Kohlenstoffteilchen gebildet werden, die mit kolloi­ dalem Siliciumdioxid oder kolloidalem Aluminiumoxid oder mit einem anderen Schalensystem für Titan ver­ bunden sind. Dadurch wird das Gießen von komplizier­ ten Formteilen wie z. B. Gasturbinenmotorteilen ermög­ licht, deren Gußoberfläche frei von dem Angriff eines Gießformmetalls ist und die eine Formgebung von ho­ her Präzision haben, wodurch die Notwendigkeit einer weiteren spanenden Bearbeitung auf ein Minimum her­ abgesetzt wird.

Es wird ein verbessertes Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen einer besonderen Gruppe von ech­ ten beta-Titanlegierungen beschrieben. Eine typische Legierung ist Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom. Durch Bereitstellung von Kohlenstoff-Oberflächen für die Berührung mit schmelzflüssigen beta-Titanlegierun­ gen dieser Art werden verbesserte Schmelz- und Gieß­ verfahren erzielt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Guß von Gegenständen aus einer echten beta-Titanlegierung auf Ti-V-Cr-Basis, die mehr als etwa 10% Cr, mehr als etwa 20% V und mehr als etwa 40% Ti enthält, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) die Legierung ohne Bildung einer Titan- Schale in einem Tiegel mit einer das Metall berührenden Kohlenstoff-Oberfläche ge­ schmolzen wird,
• b. ausreichend Energie zugeführt wird, um die schmelzflüssige beta-Legierung unter Erzie­ lung der erwünschten Schmelzüberhitzung zu erhitzen, und
• c. die beta-Titanlegierung mit der gesteuerten Schmelzüberhitzung in eine Gießform vergos­ sen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gießformoberflächen, die das Metall berühren, im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen.

3. Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen von Legierungen, die mehr als etwa 10% Cr, mehr als etwa 20% V und mehr als etwa 40% Ti enthal­ ten und im wesentlichen aus beta-Titan bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß auf allen Oberflä­ chen, die die schmelzflüssige Legierung berühren, mindestens ein Oberflächenüberzug, der im we­ sentlichen aus Kohlenstoff besteht, bereitgestellt wird.