EP1024910B1 - Vorrichtung zur kapselung von rohlingen aus metallischen hochtemperatur-legierungen - Google Patents

Vorrichtung zur kapselung von rohlingen aus metallischen hochtemperatur-legierungen Download PDF

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EP1024910B1
EP1024910B1 EP98949898A EP98949898A EP1024910B1 EP 1024910 B1 EP1024910 B1 EP 1024910B1 EP 98949898 A EP98949898 A EP 98949898A EP 98949898 A EP98949898 A EP 98949898A EP 1024910 B1 EP1024910 B1 EP 1024910B1
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EP
European Patent Office
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sheath
shell
blank
extrusion
inner sheath
Prior art date
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EP98949898A
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Fritz Appel
Uwe Lorenz
Michael Oehring
Richard Wagner
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Publication date
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    • B21C33/004—Composite billet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12806—Refractory [Group IVB, VB, or VIB] metal-base component

Definitions

  • the invention relates to a device for encapsulation of blanks made of metallic high-temperature alloys, especially TiAl alloys used for hot forming be subjected to an extrusion, the Encapsulation at least from a first, the blank closely but spaced enclosing first inner shell consists.
  • JP-A-01 027715 a device is known from which is a blank made of a metallic high-temperature alloy an encapsulation from a blank enclosing the blank Has shell.
  • the shell is made made of copper.
  • Metallic high-temperature alloys are used Manufacture of highly stressed or highly stressable Components used, for example as components for Use in turbines to power aircraft and like. To achieve the desired properties, e.g. height Strengths will be achieved for certain components basically required that they have been hot formed are.
  • TiAl alloys as certain metallic high temperature alloy is a forming of the components also with regard to the setting certain structures are required, which are in other ways cannot be achieved by melt metallurgy. It has shown that hot forming of TiAl ingots Temperatures of 1100 ° C required, compare Y.-W. Kim, D.M. Dimiduk, J. Metals 43 (1991) 40.
  • the object is achieved according to the invention in that one enclosing the inner shell closely but at a distance second, outer shell is provided, the first and the second shell made of a metallic material consist.
  • the advantage of the solution according to the invention is that that an optimal shield against heat radiation from the blank, i.e. the core of the device will, which is fundamentally at the present temperatures the main cause of heat loss is whereby it is furthermore advantageously possible is an optimal heat conduction resistance Achieve vacuum insulation and finally advantageously to avoid convection as well as the Avoidance of material pairings, which in the case of a Extrusion of this type requires high temperatures lead to undesirable reactions.
  • the outer shell of the device faces like experiments have resulted, preferably a wall thickness of 5 to 10 mm, with the outer shell basically made of steel or preferably a titanium alloy, e.g. Ti6Al4V, can be formed.
  • the inner shell only a wall thickness in the range of 0.1 up to 1 mm, but particularly advantageously one Wall thickness of 0.3 mm is sufficient to reduce the Achieve radiation performance by 33%. Due to the high heating and processing temperature on the one hand but it is also advantageous for cost reasons as an inner shell sheets or foils made of molybdenum and / or tantalum to use, which have low emissivity have ⁇ . This also makes material pairings avoided that applied to the high temperatures lead to undesirable reactions.
  • the webs especially if it is is an outer hollow cylindrical cross section Wrapping acts, by unscrewing or suitable milling of the outer shell.
  • the webs are in the outer wrapping and the inner blank or core of the device preferably to train such that their contact surface with very small compared to the adjacent inner shell the remaining lateral surface is.
  • the attachment can only be one inner shell that the radiation shield mentioned forms, to a reduction in the radiation power lead by 33%.
  • the radiated power to decrease even further it is with another advantageous embodiment of the device possible, to provide a third and a fourth shell, also each closely spaced between the first shell and the second shell and each of these are closely spaced.
  • the choice of other covers will depend on the extent to which for the special Extrusion process depending on the one forming the blank Material is considered necessary, one same resistance to deformation of sheath and core material to reach.
  • the device with at least two sleeves can also in the configuration of the device described above be advantageous with four shells, the first, inner shell adjacent third shell with a Plurality of both the first and fourth shells Sheath-facing webs to provide the as Spacer to the adjacent first shell and fourth shell act.
  • too Bridges by turning or milling the third shell are formed, the corresponding, Turning or milling the blank mentioned above or the outer second shell to form the there Webs, as described, remains unaffected or in the same manner as described can.
  • the third shell advantageously consists of the same material as the second shell, advantageously the fourth shell made of the same material how the first shell is made.
  • FIGS. 1 and 2 is a device 10 according to the Invention shown, the extrusion too undergoing blank 11 from a metallic high temperature alloy, especially a TiAl alloy, essentially has a cylindrical cross section, accordingly, the device 10 also corresponds also essentially a cylindrical cross section having.
  • this shape of the blank 11 or the device 10 by no means always has to be cylindrical, because they are also many other possible configurations of the blank possible, even before the final extrusion a roughly adapted to the shape to be taken later Can have shape.
  • the construction principles of the device 10 apply generally, with reference to the representations of the device 10 according to FIGS. 1 and 2 with a substantially circular cross-sectional shape.
  • a blank 11 is arranged in the device 10 and of a first, inner shell 12 and a second outer shell 13 surrounded, compare in particular figure 1.
  • the wrapping of the blank 11 in the design the device 10 of Figure 1 is complete, i.e. it is not just the outer, cylindrical surface here of the blank 11 surrounded by the sleeves 12, 13, but also the respective flat end faces of the blank 11.
  • the first, inner shell 12 encloses closely but at a distance the blank 11, the inner shell 12 for example a wall thickness of 0.1 to 1 mm, preferably 0.3 mm.
  • the inner shell which is sheet-shaped is preferably made of tantalum or molybdenum. Basically, however, all other are suitable Materials with low emissivity ⁇ are used provided they do not match the material of the blank (11) or the outer shell (18) react.
  • the second, outer shell 13 has a much larger size Wall thickness than the inner shell 12, for example in Range from 5 to 10 mm. Both for the inner shell 12 as well as the outer shell 13 applies that also essentially flat end faces of the blank 11 with the same Cover structure, as described above, covered become.
  • the outer shell 13 can for example be made of steel or any other suitable material for this Purposes, for example TiA16V4.
  • the webs 110 on the blank 11 and the webs 131 which are likewise formed in an analogous manner on the second outer shell 13, staggered. All in all, the entirety of the casing made up of the first casing 12 and the second casing 13 acts as a double radiation protection shield, with the result that the power emitted by the blank 11 is reduced to approximately one third in comparison to the unprotected blank 11.
  • a third shell 14 and a fourth shell 15 are also provided. These sleeves 14, 15 are also closely spaced from one another closely spaced. In this case too has the one adjacent to the first, inner shell 12 third shell 14 a plurality of both to the first shell 12 as well as the fourth shell 15 facing webs 140 on. The webs 140 also serve as spacers to the adjacent first shell 12 and the also adjacent fourth shell 15.
  • the third shell 14 can be made of the same material as that second shell 13 exist.
  • the fourth shell 15 can consist of the same material as the first shell 12.
  • the device according to the invention is not only limited to the extrusion of titanium aluminides, rather, reshaping is also possible by extrusion at temperatures above 1000 ° C for other metallic high-temperature alloys applied very successfully.
  • At least the first casing 12 makes the blank vacuum-tight, taking the necessary evacuation of the gaps between at least the first shell 12 and the blank 11 is achieved by having the lid and the bottom at least the first shell 12 by inexpensive Electron beam welding welded in a vacuum chamber.
  • the manufacture of the device 10 can thus be designed relatively inexpensively.
  • the other shells 13 to 15 of the device can if necessary, be vacuum-tight.
  • ⁇ 0.3 often applies.
  • the resulting heat losses can be very effectively prevented at high temperatures by attaching one or more radiation shields (shells) which are introduced between the hot body or blank 11 and the cold environment.
  • the strands were cut open and the cross-sectional shape of the TiAl blank 10 was monitored over the length of the strand.
  • circular cross sections of the TiAl raw ring 10 with a diameter of 22.9 mm should result with the selected transducer diameter of 85 mm and the die diameter of 30 mm.
  • 3a-3d show the minimum and maximum diameters of the generally oval cross sections of the TiAl blank 10 after these tests. The results show that in the case of the TiAl6V4 capsule without thermal insulation, the most unfavorable conditions are present, i.e.
  • the core cross-section shows the greatest differences between the minimum (d min ) and maximum (d max ) diameter and is due to the low deformation resistance of the TiAl6V4 alloy with the core material sometimes considerably above the ideal value of 22.9 mm.
  • the cross section varies significantly over the length of the strand. In the case of steel encapsulation without thermal insulation, the cross-sections are more approximate to the circular shape and the diameter curve over the length is more uniform, but the values are above the ideal value of 22.9 mm. In contrast, the use of an encapsulation made of steel with thermal insulation leads to a diameter progression of 22.9 mm, whereby the most even progression is observed for the extended waiting time of 50 s.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen, die zum Warmumformen einer Strangpressung unterzogen werden, wobei die Kapselung wenigstens aus einer ersten, den Rohling eng aber beabstandet umschließenden ersten inneren Hülle besteht.
Aus der JP-A-01 027715 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Rohling aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung eine Kapselung aus einer den Rohling umschließenden Hülle aufweist. Die Hülle besteht beispielsweise aus Kupfer.
Metallische Hochtemperatur-Legierungen werden zur Herstellung von hochbelasteten bzw. hochbelastbaren Bauteilen verwendet, beispielsweise als Bauteile zum Einsatz in Turbinen zum Antrieb von Flugzeugen und dergleichen. Um die erstrebten Eigenschaften, z.B. hohe Festigkeiten, zu erreichen, wird für bestimmte Bauteile grundsätzlich gefordert, daß sie warm umgeformt worden sind. Im Falle von TiAl-Legierungen als bestimmter metallischer Hochtemperatur-Legierung ist ein Umformen der Bauteile auch im Hinblick auf die Einstellung bestimmter Gefüge erforderlich, die auf anderem Wege schmelzmetallurgisch nicht erreicht werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Warmumformung von TiAl-Gußblöcken Temperaturen von 1100° C erfordert, vergleiche Y.-W. Kim, D.M. Dimiduk, J.Metals 43 (1991) 40. Dies ist vielfach, beispielsweise beim Heißstrangpressen, wegen der Begrenzung der Gesenk- oder Matritzen- und Aufnehmertemperaturen nur nichtisotherm möglich. Da das Formänderungsvermögen und der Umformwiderstand von TiAl-Legierungen stark temperaturabhängig sind, müssen die Rohlinge für das Strangpressen gekapselt werden, um hohe Temperaturverluste zu vermeiden. Als Kapselmaterial stehen bisher Ti-Legierungen oder austenitische Stähle zur Verfügung, deren Umformwiderstand allerdings bei den erforderlichen Temperaturen sehr viel kleiner ist als der des umzuformenden TiAl-Rohmaterials bzw. eines entsprechenden Rohlings aus diesem Werkstoff. Eine Verwendung von Kapselmaterialien mit besser angepaßtem Umformwiderstand wie z.B. TZM-Molybdän scheidet aus Kostengründen aus.
Die großen Unterschiede im Umformwiderstand von Kapselund Kernmaterial führen zu einem ungleichmäßigen Umformen beim Strangpressen mit unerwünschten Variationen im Umformgrad über die Länge des Stranges und außerdem auch zur Rißbildung in bestimmten Bereichen der Kapseln. Es wurde versucht, die Umformwiderstände zwischen Kapselund Kernmaterial durch eine Abkühlphase zwischen dem Anwärmen und dem Strangpressen anzupassen. Modellrechnungen des Temperaturverlaufes von Kapsel und Kern mit zunehmender Haltezeit zeigen, daß auf diese Weise zu geringe Temperaturunterschiede erreicht werden. Auch bei einem niedrig angenommenen Wärmeübergangswert, der nur mit einer Wärmeisolationsschicht (beispielsweise Glaswolle) zu erreichen ist, ist der erreichbare Temperaturunterschied noch nicht ausreichend.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Wärmeverluste des Rohlings vermieden werden, wobei aufgabengemäß angestrebt wird, die Kapselung durch längere Wartezeiten zwischen Anwärmen und Strangpressen bei geringen Temperaturverlusten im Kern soweit abzukühlen, daß Kapselwerkstoff und Kernwerkstoff nahezu gleiche Umformwiderstände haben, wozu insbesondere Temperaturunterschiede bis 500 ° K nötig sind. Die Vorrichtung soll dabei an sich einfach und kostengünstig ausbildbar und bereitstellbar sein.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß eine die innere Hülle eng aber beabstandet umschließenden zweite, äußere Hülle vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Hülle aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß damit eine optimale Abschirmung gegen Wärmestrahlung aus dem Rohling, d.h. dem Kern der Vorrichtung, geschaffen wird, die bei den vorliegenden Temperaturen grundsätzlich die wesentliche Ursache der Wärmeverluste ist, wobei es weiterhin dadurch vorteilhafterweise möglich ist, einen optimalen Wärmeleitungswiderstand durch Vakuumisolation zu erreichen und schließlich vorteilhafterweise eine Konvektion zu vermeiden sowie die Vermeidung von Werkstoffpaarungen, die bei den bei einer Strangpressung dieser Art erforderlichen hohen Temperaturen zu unerwünschten Reaktionen führen.
Es hat sich gezeigt, daß für einen effektiven Strahlungsschutzschild, den die innere Hülle bildet, ein blechförmiges Element als innere Hülle ausreicht, um allein dadurch eine um 33 % reduzierte abgestrahlte Leistung zu erreichen.
Die äußere Hülle der Vorrichtung weist, wie Versuche ergeben haben, vorzugsweise eine Wanddicke von 5 bis 10 mm auf, wobei die äußere Hülle grundsätzlich aus Stahl oder vorzugsweise einer Titan-Legierung, z.B. TiAl6V4, gebildet werden kann.
Untersuchungen haben ergeben, daß vorteilhafterweise die innere Hülle lediglich eine Wanddicke im Bereich von 0,1 bis 1 mm, insbesondere aber vorteilhafterweise eine Wanddicke von 0,3 mm ausreicht, um eine Verminderung der Abstrahlungsleistung um 33 % zu erreichen. Aufgrund der hohen Erwärmungs- und Bearbeitungstemperatur einerseits aber auch aus Kostengründen andererseits ist es vorteilhaft als innere Hülle Bleche oder Folien aus Molybdän und/oder Tantal zu verwenden, die ein geringes Emissionsvermögen ε aufweisen. Dadurch werden außerdem Materialpaarungen vermieden, die bei den anzuwendenden hohen Temperaturen zu unerwünschten Reaktionen führen.
Grundsätzlich ist es zwar möglich, auf unterschiedlich geeignete Weise dafür zu sorgen, daß der Rohling fortwährend zu der ihn umgebenden inneren Hülle beabstandet ist, um einen unmittelbaren Wärmekontakt zwischen dem Rohling und der inneren Hülle weitgehend zu vermeiden. Es hat sich aber als vorteilhaft herausgestellt, den Rohling derart auszubilden, daß dieser eine Mehrzahl von vorspringenden Stegen aufweist, die als Abstandshalter zur den Rohling umhüllenden inneren Hülle fungieren. So können beispielsweise die Stege auf einfache Weise bei im wesentlichen zylindrisch im Querschnitt ausgebildetem Rohling durch einfaches Abdrehen bzw. Abfräsen geschaffen werden.
Um auf gleiche Weise wie vorangehend beschrieben auch dafür zu sorgen, daß die innere Hülle gegenüber der äußeren Hülle einen vernachlässigbar geringen Wärmekontakt aufweist, ist es ebenfalls vorteilhaft, die äußere Hülle mit einer Mehrzahl von vorspringenden, auf die innere Hülle gerichteten Stegen zu versehen, die als Abstandhalter zur inneren Hülle fungieren. Auch hier ist es prinzipiell möglich, die Stege, insbesondere wenn es sich um eine im Querschnitt hohlzylinderförmige äußere Umhüllung handelt, durch entsprechendes Ausdrehen bzw. geeignetes Ausfräsen der äußeren Hülle herzustellen.
Die Stege sind aber bei der äußeren Umhüllung und bei dem inneren Rohling bzw. Kern der Vorrichtung vorzugsweise derart auszubilden, daß ihre Berührungsfläche mit der jeweils angrenzenden inneren Hülle sehr klein gegenüber der übrigen Mantelfläche ist.
Wie schon erwähnt, kann die Anbringung allein einer einzigen inneren Hülle, die das erwähnte Strahlungsschutzschild bildet, zu einer Verminderung der Abstrahlungsleistung von 33 % führen. Um die abgestrahlte Leistung noch weiter zu vermindern, ist es bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung möglich, eine dritte und eine vierte Hülle vorzusehen, die ebenfalls jeweils voneinander eng beabstandet zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle und jeweils zu diesen eng beabstandet angeordnet sind. Die Wahl weiterer Hüllen wird davon abhängen, inwieweit für den speziellen Strangpressvorgang in Abhängigkeit des den Rohling bildenden Werkstoffs es als notwendig angesehen wird, einen gleichen Umformwiderstand von Mantel- und Kernmaterial zu erreichen.
Ebenso wie bei der oben beschriebenen Grundausgestaltung der Vorrichtung mit wenigstens zwei Hüllen kann es auch bei der vorangehend beschriebenen Ausgestaltung der Vorrichtung mit vier Hüllen vorteilhaft sein, die zur ersten, inneren Hülle benachbarte dritte Hülle mit einer Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle als auch zur vierten Hülle hin gerichteten Stegen zu versehen, die als Anstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle und vierten Hülle fungieren. Auch in diesem Falle können die Stege durch entsprechendes Abdrehen bzw. Abfräsen der dritten Hülle ausgebildet werden, wobei das entsprechende, oben erwähnte Abdrehen bzw. Abfräsen des Rohlings bzw. der äußeren zweiten Hülle zur Ausbildung der dortigen Stege, wie beschrieben, unbeeinflußt bleibt bzw. auf gleiche Weise, wie beschrieben, ausgeführt werden kann.
Vorteilhafterweise besteht die dritte Hülle aus dem gleichen Werkstoff wie die zweite Hülle, wobei vorteilhafterweise die vierte Hülle aus dem gleichen Werkstoff wie die erste Hülle besteht.
Insgesamt wird mit einer Ausbildung der Vorrichtung im vorbeschriebenen Sinne mit vier Hüllen die abgestrahlte Leistung gegenüber dem Rohling auf ca. 25 % reduziert.
Schließlich muß sowohl für die Gestaltung mit zwei Hüllen und mehr Hüllen die jeweils äußere Hülle vakuumdicht ausgebildet werden, damit einmal Wärmeleitung über das Gas in den Zwischenräumen wie auch Konvektion in den Zwischenräumen unterdrückt werden, zum anderen eine Oxidation der metallischen Teile verhindert wird, um das geringe Emissionsvermögen ε dieser Teile zu erhalten.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen bzw. graphischen Darstellungen anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Modifikation davon beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1
im Schnitt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Hüllen, die einen Rohling aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung umschließen,
Fig. 2
eine Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung gemäß Figur 1, bei der jedoch wenigstens in Teilbereichen der Rohling aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung von vier Umhüllungen umschlossen ist,
Fig. 3a-3b
den Verlauf eines minimalen und eines maximalen Durchmessers des Querschnittes des Kernes (Rohing) in der Vorrichtung über der Stranglänge bei verschiedenen Formen der Kapselung und Wartezeiten nach dem Anwärmen,
Fig. 4
den Kraftverlauf beim Strangpressen in einer Stahlkapselung mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 25 sec nach dem Anwärmen und
Fig. 5
den Kraftverlauf beim Strangpressen in einer Stahlkapsel mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 50 sec nach dem Anwärmen.
In den Figuren 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt, wobei der der Strangpressung zu unterziehende Rohling 11 aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung, insbesondere einer TiAl-Legierung, im wesentlichen einen zylindrischen Querschnitt aufweist, wobei dementsprechen d auch die Vorrichtung 10 auch im wesentlichen einen zylindrischen Querschnitt aufweist. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, daß diese Form des Rohlings 11 bzw. der Vorrichtung 10 keineswegs immer zylindrisch sein muß, denn es sind auch viele andere mögliche Ausgestaltungen des Rohlings möglich, die auch schon vor der endgültigen Strangpressung eine an die später einzunehmende Form grob angepaßte Form aufweisen können. Zum Verständnis der Erfindung wird aber, da die Konstruktionsprinzipien der Vorrichtung 10 allgemein gelten, Bezug genommen auf die Darstellungen der Vorrichtung 10 gemäß den Figuren 1 und 2 mit im wesentlichen kreisförmiger Querschnittsform.
In der Vorrichtung 10 ist ein Rohling 11 abgeordnet und von einer ersten, inneren Hülle 12 und einer zweiten äußeren Hülle 13 umgeben, vergleiche insbesondere Figur 1. Die Umhüllung des Rohlings 11 bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 ist vollständig, d.h. es ist nicht nur die äußere, hier zylinderförmige Mantelfläche des Rohlings 11 von den Hüllen 12, 13 umgeben, sondern auch ebenfalls die jeweiligen ebenen Stirnflächen des Rohlings 11.
Die erste, innere Hülle 12 umschließt eng aber beabstandet den Rohling 11, wobei die innere Hülle 12 beispielsweise eine Wanddicke von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise 0,3 mm aufweist. Die innere Hülle, die blechförmig ausgebildet ist, besteht dabei vorzugsweise aus Tantal oder Molybdän. Grundsätzlich sind aber alle anderen geeigneten Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden, sofern sie nicht mit dem Material des Rohlings (11) oder der äußeren Hülle (18) reagieren.
Die zweite, äußere Hülle 13 weist eine sehr viel größere Wanddicke als die innere Hülle 12 auf, beispielsweise im Bereich von 5 bis 10 mm. Sowohl für die innere Hülle 12 als auch die äußere Hülle 13 gilt, daß auch die im wesentlichen ebenen Stirnflächen des Rohlings 11 mit gleichem Hüllenaufbau, wie vorangehend beschrieben, abgedeckt werden.
Die äußere Hülle 13 kann beispielsweise aus Stahl oder einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff für diese Zwecke, beispielsweise TiA16V4, ausgebildet sein.
Der Rohling 11 weist eine Mehrzahl von vorspringenden Stegen 110 auf, die als Abstandhalter zur den Rohling 11 umgebenden inneren Hülle fungieren. Diese Stege können beispietsweise durch Abfräsen oder Abdrehen des Rohlings 11, beispielsweise um 0,3 mm erzeugt werden, so daß die sich somit ausbildenden Stege bei einer Höhe von 0,3 mm eine Breite von etwa 1 mm haben. Durch diese Maßnahme können die notwendigen geringen Abstände d = disol - dmo zwischen der als erstes Strahlenschutzblech dienenden ersten Hülle 12 und dem Rohling 11 eingehalten werden. Zur Unterdrückung einer direkten Wärmeleitung zwischen dem Rohling 11 und der zweiten, äußeren Hülle 12 unter Einschluß der ersten, inneren Hülle 12 sind die Stege 110 am Rohling 11 und die Stege 131, die ebenfalls auf analoge Weise an der zweiten äußeren Hülle 13 ausgebildet sind, versetzt zueinander angeordnet. Insgesamt wirkt somit die Gesamtheit der Umhüllung aus erster Hülle 12 und zweiter Hülle 13 als doppeltes Strahlungsschutzschild, womit sich die vom Rohling 11 abgestrahlte Leistung im Vergleich zum ungeschützten Rohling 11 auf etwa ein Drittel reduziert.
Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2, die vom Grundsatz her einen gleichen Aufbau wie die Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 aufweist, ist zusätzlich noch eine dritte Hülle 14 und eine vierte Hülle 15 vorgesehen. Auch diese Hüllen 14, 15 sind jeweils eng voneinander eng beabstandet angeordnet. Auch in diesem Falle weist die zur ersten, inneren Hülle 12 benachbarte dritte Hülle 14 eine Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle 12 als auch zur vierten Hülle 15 hin gerichteten Stegen 140 auf. Die Stege 140 dienen ebenfalls als Abstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle 12 und der ebenfalls benachbarten vierten Hülle 15. Die dritte Hülle 14 kann dabei aus dem gleichen Werkstoff wie die zweite Hülle 13 bestehen. Die vierte Hülle 15 kann dabei aus dem gleichen Werkstoff wie die erste Hülle 12 bestehen. Faktisch sind in der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2 vier Strahlungsschutzbleche wirksam, nämlich die erste Hülle 12, die zweite Hülle 13, die dritte Hülle 14, und die vierte Hülle 15. Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2 kann die abgestrahlte Leistung gegenüber dem ungeschützten Rohling 11 auf ca. 25 % reduziert werden, wobei bezüglich einer Abschätzung dieser Reduktion der abgestrahlten Leistung auf eine noch weiter unten aufgeführte Berechnung verwiesen wird.
Im Temperaturbereich von 1000° bis 1400° C können grundsätzlich für die Hüllen 13 und 14 Stahl oder Titanlegierungen verwendet werden. Bei noch höheren Temperaturen sollten für diese Hüllen (13 und 14) Refraktärmetalle wie Mo oder Ta gewählt werden. Die Hüllen 12 und 15 bestehen vorzugsweise aus Mo oder Ta, auch bei noch höheren Temperaturen als 1400 ° C. Grundsätzlich können aber auch alle anderen geeigneten Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden, sofern Materialpaarungen vermieden werden, die zu Reaktionen führen. Die erste Hülle 12 und die vierte Hülle 15 sind vorzugsweise dünnwandig ausgebildet. Es sei noch daraufhingewiesen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung sich nicht nur auf das Strangpressen von Titanaluminiden beschränkt, vielmehr kann natürlich auch das Umformen durch Strangpressen bei Temperaturen oberhalb von 1000° C bei anderen metallischen Hochtemperatur-Legierungen sehr erfolgreich angewendet werden.
Bei den Vorrichtungen gemäß Figur 1 und 2 umschließt wenigstens die erste Hülle 12 den Rohling vakuumdicht, wobei die erforderliche Evakuierung der Zwischenräume zwischen wenigstens der ersten Hülle 12 und dem Rohling 11 dadurch erreicht wird, daß man den Deckel und den Boden wenigstens der ersten Hülle 12 durch kostengünstiges Elektronenstrahlschweißen in einer Vakuumkammer zuschweißt. Insgesamt kann die Fertigung der Vorrichtung 10 somit relativ kostengünstig gestaltet werden. Auch die anderen Hüllen 13 bis 15 der Vorrichtung können, falls erforderlich, vakuumdicht ausgebildet sein.
Eine Abschätzung, die die Wirksamkeit der erfindungsgemäß mit der Vorrichtung 10 vorgeschlagenen Maßnahmen zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung belegt, soll anhand der Strahlungsleistung von nichtisolierten und durch Wärmeschutzschilde isolierten Strangpreßrohlingen 11 dargestellt werden.
Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz strahlt ein nicht schwarzer Körper in den kalten Raum die Wärmeleistung dQs/dt = F ε c T 4 ab. Die Bezeichnungen haben die folgende Bedeutung
  • F - Oberfläche des Körpers
  • c - Stefan-Boltzmannsche Strahlungskonstante (c = 5.7·10-8 Wm-2 K-4)
  • ε - Emissionsvermögen des Körpers
  • T - absolute Temperatur
    • Für metallisch blanke Körper gilt vielfach ε = 0.3. Ein auf 1300° C erhitzter Strangpreßrohling der Abmessungen  65 mm x 170 mm würde also ohne Isolation nach der Entnahme aus dem Ofen anfänglich eine Leistung von dQs/dt = 4,6 kW abstrahlen.
    Die hierdurch entstehenden Wärmeverluste lassen sich bei hohen Temperaturen sehr wirksam durch das Anbringen von einem oder mehreren Strahlungsschutzschilden (Hüllen) verhindern, die zwischen dem heißen Körper bzw. Rohling 11 und der kalten Umgebung eingebracht werden. Für die vorliegende Geometrie eines heißen zylindrischen Rohlings 11 reduziert sich diese bei einem konzentrisch um den Körper angeordneten Strahlungsschild auf Q s,1 = dQs,1/dt = F ε c T4 / (εs/εe + rk/rs), mit εe = ε εs / (1-(1 - εs)(1 - ε Fk/Fs)).
    Hierbei bedeuten
  • εs - das Emissionsvermögen
  • rk - der Radius des heißen Körpers
  • rs - der Radius des Strahlungsschutzschildes.
    • Nach Gl.2 gilt dQ s,1/drk > 0, d.h. die Wirksamkeit des Strahlungsschutzschildes ist umso höher, je geringer sein Abstand zum heißen Körper ist. Nimmt man zur Vereinfachung der Abschätzung weiterhin an, daß ε = εs und rk = rs, so gilt dQs,1/dt = 1/2 dQs/dt.
    Durch das Anbringen eines Strahlungsschutzschildes kann die abgestrahlte Leistung also bereits auf 50 % reduziert werden. Bei der Anwendung von n Strahlungsschutzschilden gilt unter den gleichen vereinfachenden Voraussetzungen dQs,n/dt = (1/(n + 1)) dQs/dt.
    Nach den hier dargestellten Verhältnissen muß die Kapselung zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung also nach folgenden Prinzipien erfolgen:
    • Als Strahlungsschutzschilde (Hüllen) müssen nach Gl. 2 Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden. Aufgrund der hohen Temperatur und aus Kostengründen ist die Werkstoffauswahl auf Bleche bzw. Folien aus Mo oder Ta beschränkt. Allerdings sollten diese Werkstoffe eine möglichst glatte und oxidfreie Oberfläche haben.
    • Der Abstand zwischen heißem Körper und dem ersten Strahlungsschutzschild und zwischen weiteren Strahlungsschutzschilden sollte nach G1. 2 möglichst klein gehalten werden.
    • Wärmeverluste durch Konvektion bzw. Wärmeleitung müssen vermieden werden.
    Zur Erprobung der beschriebenen Strangpreßkapselkonstruktion wurden 4 Strangpreßversuche durchgeführt. Dazu wurden Rohlinge 11 mit einem Durchmesser von 65 mm, die aus derselben TiAl-Legierung bestanden, in unterschiedliche Kapseln gekapselt. Da bei dem vorangehend beschriebenen Aufbau der Kapselung durch eine erhöhte Wartezeit zwischen Anwärmen und Strangpressen der gewünschte Temperaturunterschied zwischen Kapselung und Rohling 11 zunimmt, wurde außerdem die Wartezeit variiert. Die sonstigen Versuchsbedingungen (Anwärmtemperatur 1250° C, vorgegebene Stempelgeschwindigkeit 20 mm/s) sowie die äußeren Maße der Kapselung wareh in allen Versuchen identisch. Im einzelnen wurden folgende Formen der Kapselung und Wartezeiten gewählt:
  • 1. TiAl6V4- Kapselung ohne Wärmeisolation, 25 s Wartezeit
  • 2. Stahlkapselung ohne Wärmeisolation, jedoch mit eingelegter Mo-Folie als Reaktionsbarriere, 25 s Wartezeit
  • 3. Stahlkapselung mit Wärmeisolation wie erfindungsgemäß beschrieben (s. Abb. 1), 25 s Wartezeit
  • 4. 3. Stahlkapselung mit Wärmeisolation wie erfindungsgemäß beschrieben (s. Abb. 1), 50 s Wartezeit
    • Nach dem Strangpressen wurden die Stränge aufgeschnitten und die Querschnittsform des TiAl-Rohlings 10 über die Stranglänge verfolgt. Im idealen Fall - d.h. wenn Mantel- und Kernwerkstoff gleichen Umformwiderstand aufweisen, müßten sich bei dem gewählten Aufnehmerdurchmesser von 85 mm und dem Matrizendurchmesser von 30 mm kreisförmige Querschnitte des TiAl-Rohtings 10 mit Durchmesser 22.9 mm ergeben. Fig. 3a - 3d zeigt die minimalen und maximalen Durchmesser der im allgemeinen ovalen Querschnitte des TiAl-Rohlings 10 nach diesen Versuchen. Die Ergebnisse zeigen, daß im Fall der TiAl6V4-Kapsel ohne Wärmeisolation die ungünstigsten Verhältnisse vorliegen, d.h. der Kernquerschnitt zeigt die größten Unterschiede zwischen minimalem (dmin) und maximalem (dmax) Durchmesser und liegt wegen des geringen Umformwiderstandes der TiAl6V4-Legierung im Vergleich mit dem Kernwerkstoff z.T erheblich über dem idealen Wert von 22.9 mm. Außerdem variiert der Querschnitt deutlich über die Stranglänge. Im Fall der Stahlkapselung ohne Wärmeisolation sind die Querschnitte mehr der Kreisform angenähert und der Durchmesserverlauf über die Länge ist gleichmäßiger, allerdings liegen die Werte über dem idealen Wert von 22.9 mm. Dagegen führt die Verwendung einer Kapselung aus Stahl mit Wärmeisolation zu Durchmesserverläufen um 22.9 mm, wobei für die verlängerte Wartezeit von 50 s der gleichmäßigste Verlauf beobachtet wird. Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, daß die Wärmeisolation wirksam ist und bei Wartezeiten von 50 s schon eine gute Anpassung des Umformwiderstandes zwischen Stahlmantel und TiAl-Rohling 10 erreicht wurde. Die deutliche Wirkung der Wärmeisolation zeigt sich auch im Kraftverlauf beim Strangpressen. Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, ist die anfängliche Matrizenkraft beim Strangpressen von Kapselungen mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 50 s erheblich höher als nach einer Wartezeit von 25 s, was auf den aufgrund des höheren Temperaturabfalls höheren Umformwiderstand des Kapselwerkstoffs zurückzuführen ist. Bei Verwendung einer Kapselung mit Wärmeisolation trat außerdem das bereits erwähnte Aufreißen der Stränge im Anfangsbereich nicht auf, was ebenfalls mit der besseren Anpassung der Umformwiderstände von Kapsel- und Rohlingwertstoffs zu erklären ist. Das durch die Erfindung angestrebte Ziel wurde also erreicht.
    Bezugszeichenliste
    10
    Vorrichtung
    11
    Rohling
    110
    Steg
    12
    erste, innere Hülle
    120
    Wanddicke
    13
    zweite, äußere Hülle
    130
    Wanddicke
    131
    Steg
    14
    dritte Hülle
    140
    Steg
    15
    vierte Hülle

    Claims (15)

    1. Vorrichtung (10) zur Kapselung von Rohlingen (11) aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl-Legierungen, die zum Warmumformen einer Strangpressung unterzogen werden, wobei die Kapselung wenigstens aus einer ersten, den Rohling (11) eng aber beabstandet umschließenden ersten inneren Hülle (12) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine die innere Hülle (12) eng aber beabstandet umschließende zweite, äußere Hülle (13) vorgesehen ist, wobei die erste und zweite Hülle (12,13) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (12) durch ein blechförmiges Element gebildet wird.
    3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (12) eine Wanddicke (120) im Bereich von 0,1 bis 1 mm aufweist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (120) 0,3 mm beträgt.
    5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle aus Molybdän oder Tantal besteht.
    6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle eine Wanddicke (130) im Bereich von 5 bis 10 mm aufweist.
    7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle aus Stahl gebildet wird.
    8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (13) aus TiAl6V4 gebildet wird.
    9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (11) eine Mehrzahl von vorspringenden Stegen (110) aufweist, die als Abstandshalter zur den Rohling (11) umhüllenden inneren Hülle (12) fungieren.
    10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (13) eine Mehrzahl von vorspringenden, auf die innere Hülle (13) gerichteten Stegen aufweist, die als Abstandshalter zur inneren Hülle (12) fungieren.
    11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Hülle und eine vierte Hülle (15) vorgesehen sind, die jeweils voneinander eng beabstandet zwischen der ersten Hülle (12) und der zweiten Hülle (13) und jeweils zu diesen eng beabstandet angeordnet sind.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zur ersten, inneren Hülle (12) beabstandete dritte Hülle (14) eine Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle (12) als auch zur vierten Hülle (14) hingerichteten Stegen (140) aufweist, die als Abstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle (12) und vierten Hülle (15) fungieren.
    13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Hülle (14) aus dem gleichen Werkstoff wie die zweite Hülle (13) besteht.
    14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Hülle (15) aus dem gleichen Werkstoff wie die erste Hülle (12) besteht.
    15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die äußeren Hülle (13) den Rohling (11) vakuumdicht umschließt.
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