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Die
Erfindung betrifft die Herstellung eines metallischen Gegenstandes,
um schmelzbedingte chemischen Defekte zu minimieren, und insbesondere
um Titanlegierungs-Gegenstände wie
Gasturbinentriebwerks-Bauteile für
ein Luftfahrzeug herzustellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Metallische
Gegenstände
werden durch irgendeine aus einer Anzahl von Techniken hergestellt,
die zur Art des Metalls und des Gegenstandes passend sein mag. In
einem gebräuchlichen
Ansatz werden die metallhaltigen Erze raffiniert, um das Metall
zu erzeugen. Das Metall kann soweit erforderlich weiter raffiniert
werden, um die Mengen von unerwünschten
Restbestandteilen zu entfernen oder zu reduzieren. Die Zusammensetzung
des raffinierten Metalls kann durch den Zusatz gewünschter
Legierungselemente modifiziert werden. Diese Raffinations- und Legierungsschritte
können
auch während des
anfänglichen
Schmelzvorgangs oder nach dem Erstarren und erneuten Schmelzen ausgeführt werden.
Nachdem ein Metall der gewünschten
Zusammensetzung hergestellt wird, kann es für einige Legierungszusammensetzungen
(d. h. Gusslegierungen) in der Form, wie es gegossen wurde, verwendet oder
weiterbearbeitet werden, um das Metall für andere Legierungszusammensetzungen
(d. h. geschmiedete Legierungen) in die gewünschte Form zu bringen. In
beiden Fällen
kann eine weitere Bearbeitung, so wie Hitzebehandlung, spanende
Bearbeitung, Oberbeschichtung und ähnliches angewendet werden.
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Eine
der anspruchsvollsten Materialanwendungen in Gasturbinentriebwerken
von Luftfahrzeugen sind die Triebwerksscheiben (manchmal als „Rotoren)
bezeichnet, an denen die Turbinenschaufeln oder Kompressorschaufeln
gehalten sind. Die Scheiben rotieren beim Betrieb der Gasturbine
mit vielen tausend Umdrehungen pro Minute in einer Umgebung mit
erhöhter
Temperatur. Unter diesen Betriebsbedingungen müssen sie die erforderlichen
mechanischen Eigenschaften aufweisen.
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Bestimmte
Bauteile des Gasturbinentriebwerks, so wie die Triebwerksscheiben,
werden aus Titanlegierungen gefertigt. Die Scheiben werden typischerweise
durch die Bereitstellung der metallischen Bestandteile der ausgewählten Titanlegierung,
das Schmelzen der Bestandteile und das Gießen eines Blockes aus der Titanlegierung
hergestellt. Der Gussblock wird dann in einen Gussstrang umgeformt.
Der Strang wird mechanisch weiterbearbeitet, typischerweise durch
Schmieden. Der bearbeitete Strang wird danach gesenkgeschmiedet
und dann spanabhebend bearbeitet, um die Titanlegierungs-Bauteile
herzustellen.
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Kleine
mechanische und chemische Defekte in der sich am Ende ergebenden
Scheibe können verursachen,
dass die Scheibe ihren Dienst vorzeitig versagt. Mechanische Defekte
beinhalten z. B. Risse und Lücken.
Chemische Defekte beinhalten z. B. harte Alpha-Defekte (manchmal
als Einschlüsse
mit geringer Dichte bezeichnet) und Einschlüsse mit hoher Dichte. Harte
Alpha-Defekte werden z. B. im den US-Patenten 4,622,079 und 6,019,812
diskutiert, und sind besonders problematisch in Alpha-Beta- und
Beta-Titanlegierungen der Premium-Qualität, so wie sie in anspruchsvollen
Gasturbinentriebwerks-Anwendungen verwendet werden, genauso wie
in anderen anspruchsvollen Anwendungen, so wie Luftfahrzeugstrukturen.
Chemische Defekte können
verursachen, dass sich beim Betrieb des Antriebs vorzeitig Risse
bilden. Ein Ausfall, der aus diesen Defekten resultiert, kann für das Gasturbinentriebwerk
und möglicherweise
für das
Luftfahrzeug katastrophal sein. Folglich ist es erforderlich, die Gasturbinentriebwerks-Scheibe
mit größerer Sorgfalt anzufertigen,
um die Anwesenheit solcher Defekte zu minimieren und wünschenswerterweise
zu eliminieren, und um die Scheibe in einer Art und Weise herzustellen,
die deren Untersuchung mittels Ultraschall erleichtert, um die Defekte
nachzuweisen, falls sie vorliegen. Der Herstellungsprozess muss
in dem Endgegenstand auch eine Mikrostruktur erzeugen, welche die
für die
Scheibe erforderliche Kombination aus mechanischen Eigenschaften
und physikalischen Eigenschaften aufweist.
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Durch
Verwendung der bestehenden Schmelz-, Guss- und Umwandlungspraxis
war es möglich,
das Vorhandensein und die Größe von chemischen
Defekten in installierten Scheiben auf ein einigermaßen niedriges
Maß zu
reduzieren. Jedoch besteht immer ein Besteben und ein Bedarf nach
einem Herstellungsprozess, um die Scheiben und andere Bauteile mit
einem noch geringeren Auftreten von solchen chemischen Defekten
herzustellen, und dadurch die Sicherheitsgrenzen des Betriebs zu
verbessern. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis eines
verbesserten Prozesses und stellt weiterhin die damit verbundenen
Vorteile bereit.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren, so wie es in den beiliegenden
Ansprüchen
definiert ist, für
die Herstellung eines metallischen Gegenstandes mit einem verringerten
Auftreten von unakzeptabel großen
chemischen Defekten bereit. Die Reduktion der Defekte erlaubt auch ökonomische Verbesserungen
bei der Anfertigung und dem Betrieb von Gasturbinentriebwerken.
Der Ansatz ist besonderes geeignet für die Anfertigung von Titanlegierungs-Gegenständen, so
wie Gasturbinentriebwerks-Bauteile, wobei Bläser- und Verdichter-Scheiben Beispiele sind,
durch Herstellung eines metallischen Ausgangsmaterials, durch das
Blockgießen, die
Umformung eines Blockes in einen Strang, die mechanische Verformung,
die spanabhebende Bearbeitung und die Inspektion des Strangs mittels
Ultraschall. Der sich ergebende metallische Gegenstand hat die gewünschte Mikrostruktur
und mechanischen Eigenschaften, so wie das geringe Auftreten von
unakzeptabel großen
chemischen Defekten, die, dort wo sie vorliegen, zu einem vorzeitigen
Ausfall des sich im Betrieb befindlichen Gegenstandes führen können.
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Bereitgestellt
wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gegenstandes,
der aus einem metallischen Bestandteil und im übrigen einer für die Bildung
von harter Alpha-Phase, so wie Alpha-Beta- und Beta-Titanlegierungen.
Das Verfahren weist die Schritte der Bereitstellung einer nichtmetallischen
Vorläufer-Verbindung,
die den metallischen Bestandteil aufweist, chemisches Reduzieren
der nichtmetallischen Vorläuferverbindung,
um die metallischen Ausgangspartikel herzustellen, ohne die metallischen
Ausgangspartikel zu schmelzen, und Schmelzen und Erstarren der metallischen
Ausgangspartikel, um den metallischen Gegens tand herzustellen. Es
findet keine mechanische Zerkleinerung der metallischen Ausgangspartikel
statt. Der Schritt der Bereitstellung der nichtmetallischen Vorläufer-Verbindung kann die
Bereitstellung von zwei oder mehr nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen beinhalten,
wobei unterschiedliche metallische Elemente der Legierung bereitgestellt
werden. Optional kann der Zusatz eines metallischen Legierungselementes
während
des Schmelzschrittes zu dem Material der metallischen Ausgangspartikel
erfolgen, oder es erfolgt kein solcher Zusatz erfolgen während des Schmelzschrittes.
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In
einer anderen Situation, wo der metallische Gegenstand eine metallische
Legierung ist, kann die nichtmetallische Vorläufer-Verbindung als eine aus
mindestens zwei verschiedenen nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
bestehenden Mischung, die zusammen die Bestandteile der Legierung
aufweisen, bereitgestellt werden. In der interessantesten Anwendung
weist die nichtmetallische Vorläufer-Verbindung Titan
auf, so dass die nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen Titan und
mindestens ein anderes metallisches Element beinhalten.
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Die
nichtmetallischen Vorläuferverbindungen können in
fein verteilter fester Form, in flüssiger Form oder in gasförmiger Form
bereitgestellt werden. Die chemische Reduktion kann durch jede einsetzbare Technik
bewerkstelligt werden, wobei die Festphasen-Reduktion, die Schmelzfluss-Elektrolyse,
das Plasma-Quenchen, oder die Dampfphasen-Reduktion Beispiele sind.
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In
einem Ansatz von besonderem Interesse wird die nichtmetallische
Vorläufer-Verbindung
in einer gasförmigen Form
durch Kontakt mit einem flüssigen
Alkalimetall und/oder einem flüssigen
Erdalkalimetall chemisch reduziert. Bei solch einem Ansatz kann
ein nichtmetallisches modifizierendes Element, so wie Sauerstoff
oder Stickstoff, in die nichtmetallische Vorläufer-Verbindung gemischt werden,
um im metallischen Endmaterial den gewünschten Gehalt zu ergeben.
Solch eine chemische Reduktion wird ziemlich schnell, vorzugsweise
in einer Zeit von weniger als etwa 10 Sekunden, bewerkstelligt,
wodurch die Zeit minimiert wird, in der chemischen Defekte, so wie
Einschlüsse
harter Alpha-Phase
oder hochschmelzende Einschlüsse,
gebildet werden können.
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Der
Schritt des Schmelzens und Erstarrens wird angewendet, um den Gussgegenstand
oder Gussblock mit der gewünschten
metallischen Zusammensetzung zu bilden. Im Falle eines Gussblockes
kann der Gussblock danach durch thermomechanische Bearbeitung in
einen Strang umgewandelt werden. Der Strang wird mechanisch weiterbearbeitet
und am Ende spanabhebend bearbeitet, um einen Gegenstand, so wie
eine Gasturbinentriebwerksscheibe zu machen. Das Werkstück wird
typischerweise als Strang und als bearbeiteter Gegenstand mittels
Ultraschall inspiziert.
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Ein
Merkmal des vorliegenden Ansatzes ist die Vorbereitung der metallischen
Ausgangspartikel, ohne das Schmelzen der metallischen Ausgangspartikel,
mit einer relativ kleinen Größe von nicht
größer als
0,5 Inch (12,7 mm), bevorzugt nicht größer als etwa 0,25 Inch (6,35
mm), bevorzugt nicht größer als etwa
0,070 Inch (1,778 mm), bevorzugt nicht größer als etwa 0,040 Inch (1,016
mm) und am meisten bevorzugt im Größenbereich von etwa 0,020 Inch (0,508
mm) bis etwa 0,040 Inch (1,016 mm). Die Größe ist nicht kleiner als 0,001
Inch (0,0254 mm). Aufgrund der geringen Maximalgröße in der
bevorzugten Ausführungsform
ist die Maximalgröße der chemischen
Defekte in den metallischen Ausgangspartikeln ebenfalls klein. Infolge
dessen kann das nachfolgende Schmelzen, die chemischen Defekte aufzulösen, so
dass diese entfernt werden und nicht im Gussmaterial gegenwärtig bleiben.
Der nachfolgend hergestellte metallische Artikel hat deshalb eine
verminderte Häufigkeit
von chemischen Defekten und eine verringerte Häufigkeit von chemischen Defekten mit
unakzeptabel großer
Ausdehnung. Die Verringerung der chemischen Defekte führt zu einem
verlässlicheren
metallischen Endgegenstand, der dem durch solche Defekte verursachten
vorzeitigen Ausfall weniger ausgesetzt ist. Diese Eigenschaft ist
besonderes wichtig für
bruchkritische Gegenstände,
so wie Gasturbinentriebwerksscheiben.
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Der
vorliegende Ansatz erfordert im Vergleich mit früheren Ansätzen weniger Prozessierungsschritte
und deshalb weniger Zwischenbearbeitungsschritte. Eine der Hauptquellen
für die
Einführung
von chemischen Kontaminationen, die möglicherweise zu chemischen
Defekten führen,
ist die Handhabung und Kontamination des metallischen Materials
zwischen den Bearbeitungsschritten, so wie das mehrfache Schmelzen
des Metalls. Durch die Reduktion der Zahl der Berarbeitungsschritte
wird der Umfang der Zwischenbearbeitung und dadurch die Gelegenheit
für Kontamination
reduziert. Eine andere mögliche
Quelle für
Kontamination ist die Zerkleinerung des Materials – wie durch
Zerdrücken
und Scheren, wenn das Material in Form großer Teile vorliegt, so wie
als schwammartiges Material, oder als übergroße Partikel, – um kleinere,
im Schmelzschritt verwendbar Partikel herzustellen. Der vorliegende Ansatz
vermeidet solch eine Zerkleine rung und reduziert dadurch das Auftreten
von Kontaminationen, die zu chemischen Defekten führen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende detailliertere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
deutlich, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen,
welche mit Hilfe von Beispielen die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, gesehen
werden müssen.
Der Umfang der Erfindung ist jedoch nicht auf diese bevorzugte Ausführung beschränkt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines nach dem vorliegenden Ansatz
hergestellten metallischen Gegenstandes;
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2 ist
ein Ablaufdiagramm eines Ansatzes für die Ausführung der Erfindung;
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
von einem nicht agglomerierten metallischen Ausgangspartikel;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
von einer Gruppe agglomerierter metallischer Ausgangspartikel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
vorliegende Ansatz kann angewendet werden, um eine große Bandbreite
von Endgegenständen 20 herzustellen. 1 veranschaulicht
mit einer Alpha-Beta- oder Beta-Titan-Legierungs-Gasturbinentriebwerksscheibe 20 einen
solchen Gegenstand 20. Der vorliegende Ansatz ist jedoch
nicht be grenzt auf die Herstellung von solchen wie in 1 abgebildeten
Gegenständen
begrenzt. Einige andere Beispiele von Gasturbinentriebwerksbauteilen,
die mit dem vorliegenden Ansatz hergestellt werden können, sind
Naben, beschaufelte Scheiben, Wellen, Laufschaufeln, Leitschaufeln,
Ringe und Gussteile sowie strukturelle Komponenten für andere
Anwendungen als Gasturbinentriebwerke, so wie Zellen-Gussteile und
geschmiedete Teile. Metallische Legierungen wie Alpha-Beta- und Alpha und
Beta-Titan-Legierungen unterliegen potentiell der Bildung von harten
Alpha-Defekten. Der vorliegende Ansatz verringert das Auftreten
von solchen Defekten.
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2 veranschaulicht
den bevorzugten Ansatz zur Bereitstellung eines Gegenstandes aus
einem Basismetall und einem oder mehreren Legierungselementen. Das
Verfahren weist in Schritt 30 die Bereitstellung von einem
oder mehreren chemisch reduzierbaren nicht metallischen Vorläufer-Verbindungen auf. „Nichtmetallische
Vorläufer-Verbindungen" sind nichtmetallische
Verbindungen von Metallen, die am Ende den metallischen Gegenstand 20 bilden.
Sämtliche
einsetzbaren nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen können verwendet werden.
Reduzierbare Oxide von Metallen sind die bei der Festphasen-Reduktion
bevorzugt eingesetzten nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen, aber andere
Arten nichtmetallischer Verbindungen, so wie Sulfide, Carbide, Halogenide,
und Nitride sind auch einsetzbar. Die reduzierbaren Halogenide der
Metalle sind die bevorzugten nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
in der Dampfphasen-Reduktion.
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Eine
einzelne nichtmetallische Vorläufer-Verbindung
kann ein einzelnes metallisches Element bereitstellen. Häufiger ist
das metallische Endmaterial, das ein Basismetall und mindestens
ein metallisches Legierungselement einschließt, eine Legierung aus zwei
oder mehr metallischen Elementen. Das Basismetall ist ein Metall,
das in einem größeren Gewichtsprozent-Anteil
vorliegt als jedes andere Element in der Legierung. Die Basismetall-Vorläufer-Verbindung ist in
einer solchen Menge vorliegend, dass nach der nachfolgend zu beschreibenden
chemischen Reduktion in der metallischen Legierung mehr Basismetall als
irgendein anderes Element vorliegt. Im bevorzugten Fall ist das
Basismetall Titan und die Vorläufer-Verbindung,
die das Titan bereitstellt, ist Titanoxid, TiO2 (für die Festphasen-Reduktion) oder Titantetrachlorid
(für die
DampfphasenReduktion). Das Legierungselement kann irgendein Element
sein, das in einer chemisch reduzierbaren Form der geeigneten Vorläufer-Verbindung
zur Verfügung
steht. Einige wenige veranschaulichende Beispiele sind Eisen, Chrom,
Wolfram, Molybdän,
Aluminium, Niob, Silikon, Zinn, Zirkon, Mangan und Vanadium.
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Im
Fall der Bereitstellung von metallischen Legierungen werden die
nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
so ausgewählt,
dass sie die erforderlichen Metalle in dem metallischen Endgegenstand
bereitstellen, und werden in den richtigen Anteilen zusammengemischt,
um die erforderlichen Anteile dieser Metalle in den metallischen
Gegenstand zu ergeben. Falls zum Beispiel der Endgegenstand die
besonderen Anteile von Titan, Aluminium und Vanadium im Verhältnis 90:6:4
Gew.% haben soll, sind die nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
vorzugsweise Titanoxid, Aluminiumoxid und Vanadiumoxid für die Festphasen-Reduktion
oder Titantetrachlorid, Aluminiumchlorid und Vanadiumchlorid für die Dampfphasen-Reduktion.
Nichtmetallische Vorläufer-Verbindungen, die
als Quelle für
mehr als eines der Metalle im metallischen Endgegenstand dienen,
können
auch verwendet werden. Diese Vorläuferverbindungen werden bereitgestellt
und in den richtigen Anteilen miteinander vermischt, so dass das Verhältnis von
Titan:Aluminium:Vanadium in der Mischung der Vorläufer-Verbindungen
demjenigen entspricht, das erforderlich ist, um die metallische
Legierung in dem Endgegenstand zu bilden (im Beispiel 90:6:4 Gew.%).
In diesem Beispiel ist der metallische Endgegenstand eine titan-basierte Legierung,
die dem Gewicht nach mehr Titan enthält als jedes andere Element.
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Die
einzelnen nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
oder die Mischung der nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen im Fall einer
Legierung werden chemisch reduziert, um die metallischen Ausgangspartikel,
ohne Schmelzen der metallischen Ausgangspartikel, Schritt 32,
zu erzeugen. So wie hier verwendet, bedeuten „ohne Schmelzen", „kein Schmelzen" und verwandte Konzepte,
dass das Material nicht makroskopisch oder weitgehend für eine ausgedehnte
Zeitdauer so geschmolzen wird, dass es flüssig wird oder seine Form verliert.
Es können zum
Beispiel geringe Mengen von niedrig schmelzenden Elementen lokal
schmelzen und durch Diffusion mit den höher schmelzenden Elementen
legieren, die nicht schmelzen, oder sehr kurz, für weniger als etwa 10 Sekunden,
schmelzen. Selbst in solchen Fällen
bleibt die grobe Form des Materials unverändert.
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In
einem bevorzugten Reduktions-Ansatz, der, weil die nichtmetallischen
Vorläufer-Verbindungen
in der Dampf- oder Gasphase bereitgestellt werden, als Dampfphasen-Reduktion
bezeichnet wird, wird die chemische Reduktion durch das Reduzieren der
Mischungen aus Halogeniden des Basismetalls und der Legierungselemente
unter Verwendung eines flüssigen Alkalimetalls
oder eines flüssigen
Erdalkalimetalls ausgeführt.
Zum Beispiel werden Titantetrachlorid und die Halogenide der Legierungselemente
als Gase bereitgestellt. Eine Mischung dieser Gase in entsprechenden
Mengen wird mit geschmolzenem Natrium in Verbindung gebracht, so
dass die metallischen Halogenide zur metallischen Form reduziert
werden. Die metallische Legierung wird von dem Natrium getrennt.
Die Reduktion wird bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt der metallischen Legierung
ausgeführt.
Dieser Ansatz ist ausführlicher in
den US-Patenten 5,779,761 und 5,958,106 beschrieben.
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Die
Dampfphasen-Reduktion in Schritt 32 wird, wegen der kurzen
Reaktionszeiten zwischen der/den gasförmigen nichtmetallischen Vorläufer-Verbindung(en)
und dem flüssigen
Alkalimetall oder dem flüssigen
Erdalkalimetall, bevorzugt. Die kurze Reaktionszeit, die wünschenswerterweise
weniger als 10 Sekunden beträgt,
erlaubt in dem sich ergebenden reduzierten Metall nicht die Bildung
von ausgedehnten chemischen Defekten.
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Die
Reduktion bei geringeren Temperaturen wird eher bevorzugt als bei
höheren
Temperaturen. Wünschenswerterweise
wird die Reduktion bei Temperaturen von 600°C oder niedriger, und bevorzugt 500°C oder niedriger,
ausgeführt.
Frühere
Ansätze zur
Bereitstellung von Titan- oder anderen metallischen Legierungen
haben, zum Vergleich, oft Temperaturen von 900°C oder höher erreicht. Die Niedrigtemperatur-Reduktion ist kontrollierbarer
und ist auch gegenüber
der Einführung
von Kontaminationen in die metallische Legierung weniger anfällig, wobei
die Kontamination im Gegenzug zu chemischen Defekten führen kann.
Außerdem
verringern die niedrigeren Temperaturen das Auftreten des Zusammensinterns
von Partikeln während
des Reduktionsschrittes.
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Bei
diesem Dampfphasen-Reduktionsansatz kann ein nichtmetallisches Modifizierungs-Element oder
-Verbindung, das in gasförmiger
Form vorliegt, vor dessen Reaktion mit dem flüssigen Alkalimetall oder dem
flüssigen
Erdalkalimetall, in eine gasförmige
nichtmetallische Vorläufer-Verbindung gemischt werden.
In einem Beispiel kann Sauerstoff oder Stickstoff mit der/den gasförmigen nichtmetallischen Vorläufer-Verbindung(en)
gemischt werden, um den Gehalt an Sauerstoff bzw. Stickstoff in
den metallischen Ausgangspartikeln zu erhöhen. Es ist z. B. manchmal
wünschenswert,
dass der Sauerstoffgehalt der metallischen Ausgangspartikel und
der metallischen Endpartikel etwa 1.200 bis 2.000 Teile pro Million
vom Gewicht beträgt,
um den metallischen Endgegenstand zu stärken. Anstatt dass der Sauerstoff
in Form von festem Titandioxidpulver zugegeben wird, so wie es manchmal
für die
titanbasierten Legierungen praktiziert wird, die nach den herkömmlichen
Schmelztechniken produziert werden, wird der Sauerstoff in einer
gasförmigen
Form hinzu gegeben, um das Mischen zu erleichtern und die Wahrscheinlichkeit
der Bildung von harten Alpha-Phasen im Endgegenstand zu minimieren.
Wenn der Sauerstoff in Form von Titandioxidpulver nach der herkömmlichen Schmelzpraxis
hinzugefügt
wird, können
Agglomerationen des Pulvers, die in dem metallischen Endgegenstand
feine, chemische Defekte ausbildende Partikel zurücklassen,
möglicherweise
nicht vollständig aufgelöst sein.
Der vorliegende Ansatz vermeidet diese Möglichkeit.
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In
einem anderen, wegen der Bereitstellung der nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
als Feststoffe, als Festphasen-Reduktion bezeichneten Ansatz, kann
die chemische Reduktion durch Schmelzfluss-Elektrolyse ausgeführt werden.
Die Schmelzfluss-Elektrolyse ist eine bekannte Technik, die z. B.
in der offen gelegten Patentanmeldung WO 99/64638 beschrieben wird.
Kurz, bei der Schmelzfluss-Elektrolyse
wird die Mischung aus nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen, bereitgestellt
in fein verteilter fester Form, in einer Elektrolysezelle in einen
Schmelzfluss-Elektrolyten,
so wie einem Chloridsalz bei einer Temperatur unterhalb den Schmelztemperaturen
der Metalle, welche die nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen bilden, eingetaucht. Die
Mischung der nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen bildet die Kathode der
Elektrolysezelle mit einer inerten Anode. Die mit den Metallen in
den nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
kombinierten Elemente, so wie Sauerstoff im bevorzugten Fall der nichtmetallischen
Oxid-Vorläufer-Verbindungen,
werden teilweise oder ganz aus der Mischung durch chemische Reduktion
(d. h. die Umkehrung der chemischen Oxidation) entfernt. Die Reaktion
wird bei einer erhöhten
Temperatur ausgeführt,
um die Diffusion des Sauerstoffs oder anderer Gase weg von der Katode
zu beschleunigen. Das Katodenpotential wird kontrolliert, um sicherzustellen,
dass die Reduktion der nichtmetallischen Vorläuferverbindungen eher stattfindet
als andere mögliche
chemische Reaktionen, so wie die Zersetzung des geschmolzenen Salzes.
Der Elektrolyt ist ein Salz, vorzugsweise ein Salz, das stabiler
ist als das äquivalente
Salz des Metalls, das raffiniert wird, und idealerweise sehr stabil ist,
um den Sauerstoff oder andere Gase auf das gewünschte niedrige Niveau zu entfernen.
Die Chloride und Mischungen der Chloride von Barium, Kalzium, Zäsium, Lithium,
Strontium und Yttrium werden bevorzugt. Die chemische Reduktion
wird bevorzugt, aber nicht notwendigerweise bis zum Ab schluss ausgeführt, so
dass die nichtmetallischen Vorläufer-Verbindungen
vollständig
reduziert werden. Die Nicht-ausführung des
Prozesses bis zum Abschluss ist ein Verfahren, um den Sauerstoffgehalt
des hergestellten Metalls zu kontrollieren.
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In
einem anderen Reduktionsansatz, bezeichnet als „schnelle Plasma-Quench"-Reduktion, wird
die Vorläufer-Verbindung, so wie
das Titanchlorid, in einem Plasmabogen bei einer Temperatur von über 4.500°C dissoziiert.
Die Vorläufer-Verbindung wird
schnell erhitzt, dissoziiert und abgekühlt. Das Ergebnis sind feine
metallische Partikel. Jedes Schmelzen der metallischen Partikel
ist sehr kurz, in der Größenordnung
von 10 Sekunden oder weniger, und ist in dem Bereich, der hier als „ohne Schmelzen" oder ähnliches
bezeichnet wird.
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Egal
welche Reduktionstechnik in Schritt 32 angewendet wird,
das Ergebnis ist eine Vielzahl von metallischen Ausgangspartikeln 22,
von denen einer in 3 als frei fließender Partikel
mit einer Größe von nicht
mehr als 0,5 Inch (12,7 mm), bevorzugt nicht größer als 0,25 Inch (6,35 mm)
und bevorzugt nicht größer als
0,70 Inch (1,778 mm), schematisch gezeigt ist. Die Größe kann
für die
Verwendung in der zur Verfügung
stehenden Prozessierungs-Ausrüstung
etwa bis zu 0,25-0,5 (6,75-12,7 mm) betragen. Die Partikel 22 sind
im Allgemeinen in der Form vorzugsweise gleichachsig, obwohl sie
notwendigerweise nicht perfekt gleichachsig sind. Leicht nicht-gleichachsige
Partikel sind bevorzugt, weil sie dazu neigen, sich kompakter zusammenzulagern
als dies gleichachsige Partikel tun. Die Größe, die als D in 3 angezeigt
ist, ist die kleinste Dimension des Partikels 22. In anderen
Fällen
klumpen die Partikel 22 zusam men, um Agglomerate 24,
so wie in 4 gezeigt, zu bilden. Für agglomerierte
Partikel ist die Größe D die geringste
Ausdehnung der Agglomeration 24.
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Die
Größe D ist
nicht größer als
0,5 Inch (12,7 mm), vorzugsweise nicht größer als etwa 0,25 Inch (6,35
mm), vorzugsweise nicht größer als
etwa 0,07 Inch (1,778 mm), vorzugsweise nicht größer als 0,040 Inch (1,015 mm)
und am meisten bevorzugt in der Größenordnung von etwa 0,020 Inch
(0,058 mm) bis etwa 0,040 Inch (1,016 mm). Größere Partikel und Agglomerate
können
in dem Reduktionsprozess gebildet werden, aber diese Partikel und
Agglomerationen werden gescreent, um die größeren Partikel und Agglomerationen
zu entfernen. Das Screening beinhaltet nicht die Zerkleinerung der
Partikel, sondern nur die Selektion von jenen, die innerhalb der spezifizierten
Größenordnung
der größeren Masse der
Partikel liegen.
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Die
geringe aber kontrollierte Größe ist ein wünschenswertes
Merkmal der vorliegenden Erfindung. Bei der herkömmlichen Verarbeitung von Legierungen,
so wie Alpha-Beta-
und Beta-Titan-Legierungen, können
große
chemische Defekte, so wie ausgedehnte Bereiche aus harter Alpha-Phase
(Alpha-Phase mit interstitiellen Elementen darin), und Einschlüsse mit
hoher Dichtigkeit gebildet werden. Nachdem sie einmal gebildet sind,
sind die ausgedehnten chemischen Defekte in den nachfolgenden Schmelz-
und Wiederschmelzschritten zunehmend schwer aufzulösen und
zu entfernen. Im vorliegenden Ansatz ist die mögliche Größe solcher chemischen Defekte
durch die Begrenzung der Größe der Partikel
insoweit eingeschränkt,
als die Größe der chemischen
Defekte nicht größer sein
kann als die (Partikel)-Größe. Außerdem reduziert
die geringe Größe die Wahrscheinlichkeit
des Einschlusses von flüchtigen,
in dem Reduktionsprozess oder den Reaktionsprodukten verwendeten
Komponenten oder Reaktanden. Die Verwendung der so erzeugten metallischen
Partikel verhindert auch die Notwendigkeit, zum Brechen, zum Zerteilen
oder anderweitigen Zerkleinern der größeren Partikel, Schwämme oder
andere physikalische Formen des Materials auf andere Weise zu zerkleinern.
Solche Zerkleinerungsmaßnahmen
können
die Oberflächenkontamination
der Partikel durch die Zerkleinerungs-Maschinerie (Geräte) bewirken,
wobei die Kontamination zur Erzeugung von harten Alpha-Defekten
oder anderen Arten von chemischen Defekten führen kann. Die durch die Zerkleinerungs-Bearbeitung
erzeugte Energie kann das Verbrennen der Partikel verursachen, dies
wiederum kann zur Bildung von harten Alpha-Defekten führen. Diese schädlichen
Auswirkungen der Zerkleinerung können
beim vorliegenden Ansatz vermieden werden.
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Die
Partikel 22 können
ziemlich schmal sein. Jedoch ist die Größe D nicht kleiner als 0,001
Inch (0,0254 mm). Kleinere Partikel aus Titan, Magnesium und anderen
Legierungen können
einer schnellen Oxidation unterworfen sein, welche ein Verbrennen der
Partikel begründet,
was wiederum eine Feuergefahr begründet. Das Risiko wird minimiert,
indem Partikel oder Agglomerate mit einer Größe D von weniger als 0,001
Inch (0,0254 mm) nicht verwendet werden.
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Wo
die Partikel etwa 0,070 Inch (1,778 mm) oder größer, mit D etwa so groß wie 0,25-0,5
Inch (6,35-12,7 mm), sind, erbringt der vorliegende Ansatz noch
immer die wichtigen Vorteile der verbesserten Qualität des Endmaterials.
Die Reduktionsverarbeitung wird bei relativ niedrigen Temperaturen
und kurzen Zeiten durchgeführt,
was die Erzeugung von chemischen Defekten reduziert. Die Mischung
von Grundlegierungen wird in jedem Fall vermieden, wodurch chemische
Defekte, deren Ursprung in den Grundlegierungen und den gemischten
Materialen liegt, vermieden werden. Jedoch reduziert die Verwendung
von Partikeln mit einer Größe von weniger als
etwa 0,070 Inch (1,778 mm), so wie oben festgestellt, das Auftreten
der Defekte noch weiter.
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Die
Vielzahl der metallischen Ausgangspartikel 22 wird geschmolzen
und erstarrt, um den metallischen Gegenstand zu ergeben, Schritt 34.
Das Schmelzen und Erstarren 34 kann ohne den Zusatz von
weiteren metallischen Legierungselementen zu den metallischen Ausgangspartikeln
in deren geschmolzenen Zustand bewerkstelligt werden. Das Schmelzen
und Erstarren 34 kann in einem einzelnen Schritt bewerkstelligt
werden oder es können
zwei oder mehrere Schmelz- und
Erstarrungsschritte 34 sein. Das Schmelzen kann durch jede
einsetzbare Technik ausgeführt
werden, wobei Ofen-Schmelzen, induktives
Skull-Schmelzen und Vakuum-Bogen-Schmelzen
im Fall von titanbasierten Legierungen bevorzugt sind.
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Das
Schmelzen und Erstarren 34 in Verbindung mit der Verwendung
von kleinen metallischen Ausgangspartikeln als Ausgangsmaterial
für die Schmelz-Operation
und die Abwesenheit der Zerkleinerung der Partikel resultiert in
einem reduzierten Auftreten und Ausmaß von chemischen Defekten in dem
erstarrten metallischen Gegenstand. Falls chemische Defekte in den
metallischen Ausgangspartikeln gefunden werden, sind diese aufgrund
der kleinen Größe der metallischen
Ausgangspartikel klein. Während
des Schmelzens können
diese kleinen chemischen Defekte in der Schmelze aufgelöst werden, wobei
sich die chemischen Defekte entfernen, so dass sie in dem erstarrten
metallischen Gegenstand nicht mehr vorliegen.
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Es
ist für
die meisten Anwendungen bevorzugt, dass genau ein Schmelzen und
ein damit verbundenes Erstarren des Metalls in Schritt 34 erfolgt, weil
die entscheidende Quelle von harten Alpha-Defekten in Titanlegierungen,
die Oberflächenkontamination
zwischen den aufeinander folgenden Schmelzschritten ist. Unter anderen
Bedingungen jedoch, unter denen die harten Alpha-Defekte nicht betroffen
sind oder unter denen die Kontaminationen auf andere Weise kontrolliert
werden können,
können mehrfache
Schmelz- und Erstarrungsunterschritte innerhalb Schritt 34 angewandt
werden.
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Es
können
bewußt
metallische und andere Zusätze
während
des Schmelz- und Erstarrungsschrittes 34 zur Schmelze gegeben
werden. Solche Zusätze
können
unter Verwendung von Grund-Legierungen, Mischungen von Legierungszusätzen oder durch
irgendeinen anderen einsetzbaren Ansatz gemacht werden. Wo keine
derartigen Zusätze
gemacht werden, wird die Zusammensetzung des metallischen Endgegenstandes
durch die Zusammensetzung der metallischen Partikel im Reduktionsschritt 32 festgelegt.
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Der
erstarrte metallische Gegenstand aus Schritt 34 kann wie
erstarrt so wie ein metallischer Gussgegenstand verwendet werden.
Falls jedoch das ausgewählte
metallische Material oder die Legierung eine geschmiedete Legierung
ist, die für
die mechanische Bearbeitung geeignet ist, kann das erstarrte metallische
Material wahlweise weiterbearbeitet werden, um dessen Mikrostruktur
zu verändern, dessen
mechanische Eigenschaften zu modifizieren und/oder dessen Form zu
verändern.
In einer Anwendung wird das Metall in Schritt 34 als Gussblock
zur Erstarrung gebracht. Der Gussblock wird dann durch mechanische
oder thermomechanische Bearbeitung, so wie durch Heißschmieden,
Stauchen, Extrudieren, Walzen oder ähnliches in einen Strang, Schritt 36, umgewandelt.
Diese Umwandlungsschritte können
in mehreren Stufen, mit entsprechenden dazwischen erfolgenden Hitze-Behandlungen ausgeführt werden.
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Der
Strang wird danach optional durch jede einsetzbare Technik zum metallischen
Endgegenstand verarbeitet, Schritt 38. Typische Verarbeitungstechniken 38 beinhalten
die spanabhebende Bearbeitung, Walzen, Drehen, Beschichten und ähnliches.
Die Schritte 36 und 38 werden verwendet, um eine
Gasturbinentriebwerksscheibe, so wie in 1 veranschaulicht,
anzufertigen.
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Der
metallische Gegenstand kann, nachdem er in Schritt 34 erstarrt
ist, in jedem Stadium inspiziert werden. Für die Herstellung von Gegenständen, so wie
Gasturbinentriebwerksscheiben, die anfällig sind gegenüber dem
Auftreten von mechanischen und/oder chemischen Defekten sind, wird
der metallische Gegenstand typischerweise während der Schritte 36 und 38 mehrmals
mittels Ultraschall inspiziert.