EP0479757B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Titan-Aluminium-Basislegierungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Titan-Aluminium-Basislegierungen Download PDF

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EP0479757B1
EP0479757B1 EP91890206A EP91890206A EP0479757B1 EP 0479757 B1 EP0479757 B1 EP 0479757B1 EP 91890206 A EP91890206 A EP 91890206A EP 91890206 A EP91890206 A EP 91890206A EP 0479757 B1 EP0479757 B1 EP 0479757B1
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smelting
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Voestalpine Boehler Edelstahl GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing metallic alloys for primary materials, components, workpieces or the like. Made of titanium-aluminum base alloys, the molten starting materials being poured into a mold and the casting being remelted. Furthermore, the invention relates to a device for producing metallic alloys, in particular with an ordered crystal lattice for primary materials, components, workpieces or the like, made of titanium-aluminum-based alloys with a maximum of 40 to 60 atomic% titanium, with a melting device.
  • the process according to the invention has the advantage that pulverization of the starting materials can be dispensed with and that lumpy pure metals and / or lumpy scrap and / or lumpy return scrap can advantageously be used as the starting material in order to produce homogeneous electrodes with low gas contents in terms of alloying technology. At the same time, however, the alloy composition of the melt can be precisely adjusted, but the procedural expenses remain low.
  • the starting materials in a cooled metallic crucible with at least one electrode made of copper, titanium, aluminum or an alloy component or at least one plasma or electron beam melting device, preferably rotating under a protective gas, rotating about its longitudinal axis with reduced pressure, are melted down.
  • the use of the arc or, if appropriate, plasma or electron beam results in a high local energy or temperature input and at the same time a completely homogeneous mixture of the alloy metals or classified crystal filter reached.
  • the oxygen content of the alloy is set to less than 600 ppm, preferably less than 500 ppm, by melting and remelting, optionally in conjunction with at least one HIP process.
  • a device of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention in that the melting device comprises a cooled metallic melting crucible, preferably made of Cu, for melting the lumpy starting materials, for melting at least one cooled electrode made of copper, aluminum, titanium or rotating about its longitudinal axis an alloy component is provided, and that the melting device is followed by a vacuum arc melting device for remelting the castings obtained by pouring the melt from the melting crucible into advantageously elongated molds in a casting station.
  • a vacuum arc melting device for remelting the castings obtained by pouring the melt from the melting crucible into advantageously elongated molds in a casting station.
  • Another object of the invention is the use of a device or a melting device, comprising a cooled, preferably liquid-cooled, metallic crucible and at least one electrode made of copper, titanium, aluminum or projecting into the crucible or insertable therein, rotating about its longitudinal axis an alloy component for melting lumpy starting materials for the production of titanium-aluminum base alloys.
  • the device comprises a device for pore removal or for the supply of alloy components for precise adjustment of the Composition of the melt, observation means for the melt and a vacuum connection for the melt chamber or the charging chamber, which may or may be separated from the melt chamber via a lock.
  • the melting device C further comprises a casting station, in which elongated molds are arranged, into which the melt is poured from the crucible.
  • the possibly preheated and / or heat-insulated molds are provided with an insulating hood, so that structural stresses and undesirable crystallization phenomena are eliminated.
  • the elongated blocks formed in the molds are largely homogeneous and can optionally be fed to a HIP device D, in which they are hot isostatically pressed.
  • the blocks can then be subjected to surface processing or cleaning before being fed to a vacuum arc furnace.
  • this vacuum remelting device F the blocks are arranged as electrode blocks in a furnace vessel and remelted by means of an arc.
  • the resulting blocks are optionally fed to a further HIP device G and then fed to a shaping device H in which the blocks are thermoformed. Then the finished materials, objects, etc. are removed for further use.
  • the alloy components produced also showed significantly better hot formability in temperature ranges above 650 and 700 degrees C, which alloy properties could not be achieved in any case in powder metallurgical production.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Legierungen für Vormaterialien, Bauteile, Werkstücke od. dgl. aus Titan-Aluminium-Basislegierungen, wobei die geschmolzenen Ausgangsmaterialien in eine Kokille abgegossen und das Gußstück umgeschmolzen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Legierungen, insbesondere mit geordnetem Kristallgitter für Vormaterialien, Bauteile, Werkstücke od. dgl. aus Titan- Aluminium-Basislegierungen mit maximal 40 bis 60 Atom-% Titan, mit einer Schmelzeinrichtung.
  • Bei der Herstellung von Titan-Aluminium-Basislegierungen bestehen derzeit größte Schwierigkeiten, eine ausreichende Duktilität bzw. Verformbarkeit der hergestellten Legierungsgegenstände zu erreichen. Insbesondere bereitet der hohe Gasgehalt, insbesondere Sauerstoff, der auf herkömmliche Art hergestellten Legierungen Schwierigkeiten und verhindert eine hohe Duktilität und Verformbarkeit. Der üblicherweise nach Meinung des Fachmannes gangbare Weg, derartige Legierungen aus pulverförmigen Ausgangsmaterialien zu erschmelzen bzw. durch einen HIP-Vorgang herzustellen, schlägt fehl.
  • Völlig überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, daß gut verformbare Legierungsbauteile erstellt werden können, wenn die Legierungskomponenten bzw. Ausgangsmaterialien in stückiger Form im wesentlichen anteilsmäßig entsprechend der Legierungszusammensetzung bereitgestellt und in einem Schmelztiegel geschmolzen werden, wobei die gewünschte Legierungszusammensetzung mit maximal 40 bis 60 Atom-% Titan im Schmelztiegel durch Zulegieren von einer oder mehrerer, gegebenenfalls weiteren, Legierungskomponente(n) eingestellt wird, und daß die Schmelze aus diesem Schmelztiegel zu vorteilhafterweise langgestreckten Blöcken bzw. Stäben abgegossen wird, die daraufhin selbstverzehrend als Elektrode eines Lichtbogen- Schmelzofens, vorzugsweise im Vakuum, zu einem dichten Block bzw. Vormaterial für Bauteile umgeschmolzen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß auf die Pulverisierung der Ausgangsmaterialien verzichtet werden kann und daß vorteilhafterweise als Ausgangsmaterial stückige Reinmetalle und/oder stückiger Schrott und/oder stückiger Rücklaufschrott eingesetzt werden können, um legierungstechnisch homogene Elektroden mit niedrigen Gasgehalten herzustellen. Gleichzeitig kann jedoch auch eine genaue Einstellung der Legierungszusammensetzung der Schmelze erfolgen, wobei jedoch die verfahrensmäßigen Aufwendungen gering bleiben.
  • Bei einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Ausgangsmaterialien in einem gekühlten metallischen Schmelztiegel mit zumindest einer um ihre Längsachse sich verdrehenden, insbesondere wassergekühlten Elektrode aus Kupfer, Titan, Aluminium oder einer Legierungskomponente oder zumindest einer Plasma- oder Elektronenstrahlschmelzeinrichtung, vorzugsweise unter Schutzgas mit vermindertem Druck, niedergeschmolzen werden. Auf diese Weise erfolgt ein energiesparendes und die Legierungszusammensetzung nicht beeinflussendes Erschmelzen der stückigen Ausgangsmaterialien mit einer Elektrode aus Metallen, welche die Legierungseigenschaften nicht nachteilig beeinflussen. Ferner werden durch den Einsatz des Lichtbogens bzw. gegebenenfalls Plasma- oder Elektronenstrahles eine hohe örtliche Energie- bzw. Temperatureinbringung und gleichzeitig eine vollständig homogene Mischung der Legierungsmetalle bzw. eingeordnetes Kristallfilter erreicht.
  • Beste Ergebnisse erhält man, wenn der Sauerstoffgehalt der Legierung durch das Schmelzen und Umschmelzen, gegebenenfalls in Verbindung mit zumindest einem HIP-Vorgang, auf weniger als 600 ppm, vorzugsweise weniger als 500 ppm, eingestellt wird.
  • Eine Vorrichtung der eingangs genannen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzeinrichtung einen gekühlten metallischen Schmelztiegel, vorzugsweise aus Cu, zum Aufschmelzen der stückigen Ausgangsmaterialien umfaßt, wobei zum Aufschmelzen zumindest eine gekühlte, sich um ihre Längsachse drehende Elektrode aus Kupfer, Aluminium, Titan oder einer Legierungskomponente vorgesehen ist, und daß der Schmelzeinrichtung eine Vakuumlichtbogen- Schmelzeinrichtung zum Umschmelzen der durch Abgießen der Schmelze aus dem Schmelztiegel in vorteilhafterweise langgestreckte Kokillen in einer Gießstation erhaltenen Gußstücke nachgeordnet ist. Auf diese Weise wird eine einfach aufgebaute Einheit zur Erschmelzung von Titan- Aluminium-Basislegierungen erstellt, bei der die Erstellung der Legierungen rasch und ohne große Transportwege und Energieverluste erfolgen kann.
  • Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet die Verwendung einer Vorrichtung bzw. einer Schmelzeinrichtung, umfassend einen gekühlten, vorzugsweise flüssigkeitsgekühlten, metallischen Schmelztiegel und zumindest eine in den Schmelztiegel ragende bzw. in diesen einführbare, sich um ihre Längsachse drehende Elektrode aus Kupfer, Titan, Aluminium oder einer Legierungskomponente zum Aufschmelzen von stückigen Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Titan-Aluminium-Basislegierungen.
  • Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Titan-Aluminium-Basislegierungen näher erläutert.
    • A ist eine Lagerstätte für stückiges Ausgangsmaterial, z.B. in Form von Reinmetallen, Vorlegierungen, Rücklaufschrott od. dgl. wobei verschiedene Komponenten, z.B. Aluminium bzw. aluminiumhältiger Schrott, Titan bzw. titanhältiger Schrott bzw. Legierungsbestandteile bzw. Legierungsbestandteile enthaltender Chromschrott bzw. Schrott enthalten sind; die Gehalte an Aluminium, Titan und allenfalls weiteren erwünschten Legierungsmaterialien in den Ausgangsmaterialien ist bekannt und die zusammengemischten Ausgangsmaterialien ergeben in Summe etwa die gewünschte Legierungszusammensetzung.
    • B ist eine Einrichtung zur Reinigung der Oberflächen der Ausgangsmaterialien, wozu z.B. Sandstrahlgebläse, Abbeizeinrichungen od. dgl. vorgesehen sein können.
    • C ist allgemein eine Schmelzeinrichtung. Diese Schmelzeinrichtung umfaßt eine Chargierkammer mit einer Türe, die Zutritt zu einer Schüttelrinne S ermöglicht. Auf die Schüttelrinne S werden die allenfalls zerkleinerten Ausgangsmaterialien von der Reinigungseinrichtung B bzw. vom Lager A über eine Zuführungseinrichtung eingebracht. Die Schüttelrinne fördert die Legierungsbestandteile bzw. den Schrott in einen Schmelztiegel, der vorzugsweise aus Kupfer besteht und flüssigkeitsgekühlt ist. In den in einer Schmelzenkammer angeordneten Schmelztiegel ist eine Elektrode einführbar. Diese Elektrode ist eine gekühlte, sich nicht verzehrende Elektrode, welche um ihre Längsachse rotiert. Diese Elektrode kann in den Schmelzentiegel abgesenkt werden und schmilzt die Legierungsbestandteile bzw. den Schrott durch Ausbildung eines Lichtbogens zwischen ihrer gekühlten Oberfläche und dem Schrott bzw. dem Schmelzenbad.
  • Die Vorrichtung umfaßt eine Vorrichtung zur Porbenentnahme bzw. zur Zufuhr von Legierungsbestandteilen zur genauen Einstellung der Zusammensetzung der Schmelze, Beobachtungsmittel für die Schmelze und ein Vakuumanschluß für die Schmelzenkammer bzw. die Chargierkammer, welche gegebenenfalls über eine Schleuse von der Schmelzenkammer getrennt sein bzw. werden kann.
  • Die Schmelzeneinrichtung C umfaßt ferner eine Gießstation, in der langgestreckte Kokillen angeordnet sind, in die die Schmelze aus dem Schmelztiegel abgegossen wird. Die gegebenenfalls vorgewärmten und/oder wärmeisolierten Kokillen sind mit einer isolierenden Haube versehen, so daß Gefügespannungen und unerwünschte Kristallisationserscheinungen ausgeschaltet werden.
  • Die in den Kokillen ausgebildeten langgestreckten Blöcke sind weitgehend homogen und können gegebenenfalls einer HIP-Einrichtung D zugeführt werden, in der sie heißisostatisch gepreßt werden. Anschließend können die Blöcke einer Oberflächenbearbeitung bzw.-reinigung unterworfen werden, bevor sie einem Vakuum-Lichtbogenofen zugeführt werden. In dieser Vakuum-Umschmelzeinrichtung F werden die Blöcke als Elektrodenblöcke in einem Ofengefäß angeordnet und mittels eines Lichtbogens umgeschmolzen. Die dabei entstehenden Blöcke werden gegebenenfalls einer weiteren HIP-Einrichtung G zugeführt und daraufhin einer Verformungseinrichtung H zugeführt, in der die Blöcke warmverformt werden. Danach werden die fertiggestellten Vormaterialien, Gegenstände usw. zur weiteren Verwendung abgeführt.
  • Es zeigte sich, daß es sehr leicht möglich ist, duktile und verformbare Legierungsprodukte zu erhalten, die einen Sauerstoffgehalt von weniger als 600 ppm aufweisen. Ohne besondere Anforderungen an die Ausgangsmaterialien bzw. an die Vakuum-Umschmelzeinrichtung F bzw. an die Schmelzeinrichtung C zu stellen, konnte ein Sauerstoffgehalt von weniger als 450 ppm bzw. ein Stickstoffgehalt von weniger als 80 ppm und ein Wasserstoffgehalt von weniger als 6 ppm erreicht werden, wobei höchste Legierungshomogenität vorlag.
  • Insbesondere zeigten die hergestellten Legierungsbauteile auch eine wesentlich bessere Warmverformbarkeit in Temperaturbereichen oberhalb von 650 bzw. 700 Grad C, welche Legierungseigenschaften bei einer pulvermetallurgischen Herstellung keinesfalls erreicht werden konnten.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Legierungen für Vormaterialien, Bauteile, Werkstücke od. dgl. aus Titan- Aluminium-Basislegierungen, wobei die geschmolzenen Ausgangsmaterialien in eine Kokille abgegossen und das Gußstück umgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungskomponenten bzw. Ausgangsmaterialien in stückiger Form im wesentlichen anteilsmäßig entsprechend der Legierungszusammensetzung bereitgestellt und in einem Schmelztiegel geschmolzen werden, wobei die gewünschte Legierungszusammensetzung mit maximal 40 bis 60 Atom-% Titan im Schmelztiegel durch Zulegieren von einer oder mehreren, gegebenenfalls weiteren, Legierungskomponente(n) eingestellt wird, und daß die Schmelze aus diesem Schmelztiegel zu vorteilhafterweise langgestreckten Blöcken bzw. Stäben abgegossen wird, die daraufhin selbstverzehrend als Elektrode eines Lichtbogen- Schmelzofens, vorzugsweise im Vakuum, zu einem dichten Block bzw. Bauteil umgeschmolzen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial stückige Reinmetalle und/oder stückiger Schrott und/oder stückiger Rücklaufschrott und/oder stückige Vorlegierungen eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmaterialien einer Obeflächenreinigung, z.B. durch Sandstrahlen, Beizen od. dgl., unterzogen werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmaterialien in einem gekühlten metallischen Schmelztiegel mit zumindest einer um ihre Längsachse sich verdrehenden, insbesondere wassergekühlten Elektrode aus Kupfer, Titan, Aluminium oder einer Legierungskomponente, oder mittels Plasma- oder Elektronenstrahls, vorzugsweise unter Schutzgas mit vermindertem Druck, niedergeschmolzen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze zur Verringerung der Wärmeabfuhr aus bzw. zur Vermeidung von Gefügespannungen in den erstarrenden langgestreckten Blöcken bzw. Stäben aus dem Schmelztiegel in eine vorgewärmte, vorzugsweise wärmeisolierte Kokille gegossen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke bzw. Stäbe vor dem Lichtbogenumschmelzen einer Oberflächenbehandlung bzw.- reinigung und/oder einem HIP- Vorgang unterworfen werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Lichtbogen-Umschmelzen erhaltenen Vormaterialien bzw. Gegenstände, gegebenenfalls nach einem HIP-Vorgang, insbesondere zur Herstellung der gewünschten Endprodukte, einer Warmverformung unterzogen werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt der Legierung durch das Schmelzen und Umschmelzen, gegebenenfalls in Verbindung mit zumindest einem HIP- Vorgang, auf weniger als 600 ppm, vorzugsweise weniger als 500 ppm, eingestellt wird.
  9. Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Legierungen für Vormaterialien, Bauteile, Werkstücke od. dgl., aus Titan-Aluminium- Basislegierungen insbesondere mit geordnetem Kristallgitter mit maximal 40 bis 60 Atom-% Titan, mit einer Schmelzeinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzeinrichtung (C) einen gekühlten metallischen Schmelztiegel, vorzugsweise aus Cu, zum Aufschmelzen der stückigen Ausgangsmaterialien umfaßt, wobei zum Aufschmelzen zumindest eine gekühlte, sich um ihre Längsachse drehende Elektrode aus Kupfer, Aluminium, Titan oder einer Legierungskomponente oder zumindest eine Plasma- oder Elektrodenstrahleinrichtung vorgesehen ist, und daß der Schmelzeinrichtung (C) eine Vakuum-Schmelzeinrichtung (F) zum Umschmelzen der durch Abgießen der Schmelze aus dem Schmelztiegel in vorteilhafterweise langgestreckte Kokillen in einer Gießstation erhaltenen Gußstücke nachgeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dsß zwischen der Schmelzeinrichtung und der Vakuumlichtbogen-Schmelzeinrichtung (F) eine Einrichtung zur Oberflächenbearbeitung und/oder - reinigung (E) und/oder eine HIP- Einrichtung (D) vorgesehen ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Kokillen wärmeisoliert sind.
  12. Verwendung einer Vorrichtung bzw. Schmelzeinrichtung (C) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, umfassend einen metallischen Schmelztiegel und zumindest eine in den Schmelztiegel ragende bzw. in diesen einführbare, sich um ihre Längsachse drehende Elektrode aus Kupfer, Aluminium, Titan oder einer Legierungskomponente oder zumindest eine Plasma- oder Elektronenstrahleinrichtung zum Aufschmelzen von stückigen Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Titan-Aluminium- Basislegierungen.
  13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei der Schmelzeinrichtung (C) eine Vakuumlichtbogen- Schmelzeinrichtung (F) nachgeordnet ist.
EP91890206A 1990-10-05 1991-09-12 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Titan-Aluminium-Basislegierungen Expired - Lifetime EP0479757B1 (de)

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