EP1341945B1 - Verfahren zur herstellung von hochbelastbaren bauteilen aus tiai-legierungen - Google Patents

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EP1341945B1
EP1341945B1 EP01270635A EP01270635A EP1341945B1 EP 1341945 B1 EP1341945 B1 EP 1341945B1 EP 01270635 A EP01270635 A EP 01270635A EP 01270635 A EP01270635 A EP 01270635A EP 1341945 B1 EP1341945 B1 EP 1341945B1
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deformation
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Karl Schreiber
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Leistritz AG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Leistritz AG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a method for producing high-strength components made of ⁇ + ⁇ -TiAl alloys, in particular of components for aircraft engines or stationary gas turbines.
  • TiAl-based alloys belong to the group of intermetallic materials which have been developed for applications in the area of the superalloy application temperature. With a density of about 4g / cm 3 , this new alloy class offers considerable potential for weight reduction and associated reduction of stresses on moving components at temperatures above 700 ° C. This weight and voltage reduction also has an effect on blades and disks of gas turbines or, for example, components of piston engines.
  • the difficulty of working TiAl alloys by forming processes is due to high yield stresses and low fracture toughness and ductility at low and medium temperatures. Forming processes must therefore be carried out at high temperatures in the region of the ⁇ + ⁇ or ⁇ -phase region in a protective atmosphere.
  • the US-A 5,593,282 discloses a rotor usable in engines, which may preferably be formed from a lightweight structural material, in this example a temperature resistant ceramic material or, alternatively, TiAl or NiAl materials.
  • a process for the production of shaped articles from titanium-aluminum-based alloys is described.
  • a cast blank with a lamellar structure with a lamella thickness of up to 1 ⁇ m is produced. This is deformed in the temperature range of 1050 ° C to 1300 ° C with a high degree of deformation, so that a dynamic recrystallization takes place with particle sizes up to 5 microns.
  • the blank is cooled and superplastic formed in the temperature range of 900 ° C to 1100 ° C at forming speeds of 10 -4 / s to 10 -1 / s to close to near-net shape moldings.
  • the mentioned very fine-grained microstructure is produced by the addition of silicon up to 0.3% by mass.
  • this silicon content leads to undesirable side effects, such as increased porosity and the formation of silicides, whereby the required mechanical strength is greatly impaired.
  • the fine-grained structure required for this superplastic forming is to be adjusted by extrusion, which does not lead to the finely crystalline equiaxial structure described elsewhere and required for superplastic forming.
  • the extent to which mechanical high-strength components can actually be produced by this process remains open, since in practice it has not yet been established.
  • the invention has for its object to provide a method for producing lightweight and heavy-duty components for conventional and air traffic engineering of TiAl alloys, with which over the prior art, improved fatigue strength, reliability and increased service life can be realized.
  • This object is achieved by a method for producing high-strength components from ⁇ + ⁇ -TiAl alloys, in particular components for aircraft engines or stationary gas turbines, by preforming encapsulated TiAl blanks of globular structure by isothermal primary deformation in the ⁇ + ⁇ or ⁇ -phase region, the preforms are formed by at least one isothermal secondary forming process under dynamic recrystallization in the ⁇ + ⁇ or ⁇ -phase region to components vorgebbarer contour and to adjust the microstructure, the components solution-annealed in the ⁇ -phase region and then cooled rapidly.
  • Very homogeneous TiAl blanks having a globular grain structure are used, which are subjected in a corresponding manner to primary and at least one subsequent secondary deformation in the ⁇ + ⁇ or ⁇ -phase region.
  • the primary forming can be done by forging or extrusion.
  • the secondary deformation is advantageously carried out by forging.
  • the forging blanks are encapsulated both in the primary and in the secondary forming, by which the expert can understand inter alia a forming tool with upper and lower part.
  • the suitable forging windows are characterized by a pronounced flow / stress maximum, which in contrast to the prior art according to DE-C 43 18 424 (Process window of superplasticity) stands. Characteristic of the forming process according to the invention is the dynamic recrystallization, which is associated with the high yield stress.
  • the components are solution-annealed in the ⁇ -phase region and then rapidly cooled. This rapid cooling from the ⁇ -phase region then leads to the desired fine-lamellar microstructure. Typical cooling rates are in the range of 10 ° C / s.
  • Silicon is not included in these alloys, since silicon is known to be the desired grain refinement, but on the other hand leads to the already mentioned undesirable accompanying effects, such as porosity and silicidation.
  • the isothermal deformation takes place advantageously in heated tools made of molybdenum or graphite.
  • the following example describes a method for producing rotor disks, which can be used for aircraft gas turbines, whereby other heavy-duty components than for the conventional and aviation technology, such as components of internal combustion engines (for example valves) may be addressed.
  • the blank is subjected in a first step to an isothermal primary forming at an ⁇ + ⁇ temperature of 1200 ° C.
  • a flat track system is used to generate so-called pancakes.
  • the isothermal primary deformation takes place at a deformation rate of 10 -4 / s.
  • the pancakes are forged in a shaping forging tool with upper and lower parts ready to slices.
  • the isothermal secondary deformation takes place in this example at an ⁇ + ⁇ temperature of 1150 ° C and a forming rate of 10 -3 / s instead.
  • the following example shows a method of making turbine blades usable in stationary gas turbines.
  • the first forging of a base material for ⁇ + ⁇ -TiAl blanks in this example take place in that in a forging die with a disk-shaped engraving, the volume distribution for a larger number of blanks (here 10 pieces) in the ⁇ + ⁇ phase region at about 1150 ° C is performed.
  • the separation of the blanks is to be brought about in this example in the high temperature range by a cutting tool. By this measure, a cooling of the blanks with subsequent reheating for the subsequent forming process is unnecessary.
  • the blanks are forged in a shaping forging tool with upper and lower parts to blades ready.
  • This secondary transformation takes place in this example in the ⁇ + ⁇ phase region at about 1150 ° C and a forming rate of 10 3 s -1 instead.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen.
  • Legierungen auf TiAl-Basis gehören zur Gruppe der intermetallischen Werkstoffe, die für Anwendungen im Bereich der Einsatztemperatur der Superlegierungen entwickelt wurden. Mit einer Dichte von etwa 4g/cm3 bietet diese neue Legierungsklasse ein erhebliches Potential zur Gewichtseinssparung und damit verbundene Reduzierung der Belastungen bewegter Bauteile bei Temperaturen bis oberhalb 700°C. Diese Gewichts- und Spannungsreduzierung wirkt sich potenziert auch auf Schaufeln und Scheiben von Gasturbinen oder z.B. Bauteilen von Kolbenmotoren aus. Die Schwierigkeit, TiAl-Legierungen durch Umformprozesse zu bearbeiten, beruht auf hohen Fließspannungen sowie niedriger Bruchzähigkeit und Duktilität bei geringen und mittleren Temperaturen. Umformprozesse müssen deshalb bei hohen Temperaturen im Bereich des α + γ- oder α-Phasengebietes in schützender Atmosphäre durchgeführt werden.
  • Der US-A 6,110,302 sind α + γ-Titanlegierungen zu entnehmen. Unter anderem werden Turbinenscheiben für Flugtriebwerke abgehandelt. Bevorzugt zum Einsatz kommen Legierungen mit etwa 70 % Titan, wobei die Schmiedetemperatur sich zwischen 815°C und 885°C bewegt. Das unter anderem eine Turbinenscheibe bildende Schmiedeteil soll β + α-β-Bereiche unterschiedlicher Mikrostrukturen aufweisen. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, daß nach diesem Verfahren hergestellte Turbinenscheiben den tatsächlichen Anforderungen im Betriebszustand, insbesondere im Hinblick auf die gewünschte Dauerfestigkeit, nicht gerecht werden.
  • Die US-A 5,593,282 offenbart einen Rotor, einsetzbar in Triebwerken, der vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen Konstruktionsmaterial, in diesem Beispiel aus einem temperaturbeständigen Keramikmaterial oder alternativ aus TiAl- bzw. NiAl-Materialien, gebildet sein kann.
  • In der DE-C 43 18 424 wird ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Legierungen auf Titan-Aluminium-Basis beschrieben. Ein Gußrohling mit lamellar ausgebildetem Gefüge mit einer Lamellendicke von bis zu 1 µm wird erzeugt. Dieser wird im Temperaturbereich von 1050°C bis 1300°C mit einem hohen Umformgrad verformt, so daß eine dynamische Rekristallisation mit Korngrößen bis 5 µm stattfindet. Anschließend wird der Rohling abgekühlt und im Temperaturbereich von 900°C bis 1100°C bei Umformgeschwindigkeiten von 10-4/s bis 10-1/s zu endabmessungsnahen Formkörpern superplastisch umgeformt. Das angesprochene sehr feinkörnige Gefüge wird unter anderem durch Zugabe von Silizium bis zu 0,3 Masse-% erzeugt. Dieser Silizium-Anteil führt allerdings zu unerwünschten Nebenerscheinungen, wie erhöhter Porosität und der Bildung von Siliziden, wodurch die erforderliche mechanische Beanspruchbarkeit sehr stark beeinträchtigt wird. Das für diese superplastische Umformung erforderliche feinkörnige Gefüge soll durch Strangpressen eingestellt werden, welches jedoch nicht zu dem an anderer Stelle beschriebenen und für superplastische Umformung erforderliche feinkristalline äquiaxialem Gefüge führt. Inwieweit nach diesem Verfahren tatsächlich mechanisch hochbelastbare Bauteile hergestellt werden können, bleibt offen, da es sich in der Praxis bis dato noch nicht durchgesetzt hat.
  • Die im Stand der Technik angesprochenen Herstellungsverfahren, unter anderem für TiAl-Bauteile, führen aufgrund der hier gezeigten umformtechnischen Gegebenheiten in technischer Hinsicht nicht zu den notwendigen Qualitätseigenschaften, wie sie für dynamisch/thermisch hochbelastbare Bauteile erforderlich sind.
  • Ausgehend von den im Stand der Technik angeführten Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung leichtbauender und hochbelastbarer Bauteile für die konventionelle und Luftverkehrstechnik aus TiAl-Legierungen bereitzustellen, mit welchem gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Dauerfestigkeit, Zuverlässigkeit und erhöhte Betriebslebensdauer realisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAl-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet vorgeformt, die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α-Phasengebiet zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt und zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Abweichend zum Stand der Technik gemäß US-A 6,110,302 und DE-C 43 18 424 werden TiAl-Rohlinge nunmehr in Temperaturbereichen oberhalb der dort angegebenen Temperaturen mehrfach umgeformt und erzielen Gefügeeigenschaften, die gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Betriebslebensdauer mit sich bringen. Darüber hinaus können die Gebrauchseigenschaften, insbesondere die Dauerfestigkeit, wesentlich verbessert werden.
  • Zum Einsatz gelangen sehr homogene TiAl-Rohlinge mit globularer Kornstruktur, die in entsprechender Weise einer Primär- sowie mindestens einer sich daran anschließenden Sekundärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet unterzogen werden.
  • Die Primärumformung kann durch Schmieden oder Strangpressen erfolgen. Die Sekundärumformung erfolgt vorteilhafterweise durch Schmieden.
  • Die Schmiederohlinge sind sowohl bei der Primär- als auch bei der Sekundärumformung gekapselt, worunter der Fachmann unter anderem ein formgebendes Werkzeug mit Ober- und Unterteil verstehen kann.
  • Die geeigneten Schmiedefenster sind gekennzeichnet durch ein ausgeprägtes Fließ-/Spannungsmaximum, was im Gegenteil zum Stand der Technik gemäß DE-C 43 18 424 (Prozeßfenster der Superplastizität) steht. Charakteristisch für den erfindungsgemäßen Umformprozess ist die dynamische Rekristallisation, die mit der hohen Fließspannung einhergeht. Zur Bereitstellung des Mikrogefüges werden die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt. Diese schnelle Abkühlung aus dem α-Phasengebiet führt dann zu der gewünschten feinlamellaren Mikrostruktur. Typische Abkühlraten liegen hierfür im Bereich von 10°C/s.
  • Vorteilhafterweise werden zur Erzeugung der leichtbauenden hochbelastbaren Bauteile für die konventionelle und Luftverkehrstechnik Rohlinge der Zusammensetzung (in Atom-%)
    • 43 % - 47 %, insbesondere 45 % - 47 % Al
    • 5%-10%Nb
    • max. 8,0 % B
    • max. 0,5 % C
    • Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
    eingesetzt.
  • Silizium ist in diesen Legierungen nicht enthalten, da Silizium bekanntermaßen zwar zur gewünschten Kornfeinung beträgt, andererseits aber zu den bereits angesprochenen unerwünschten Begleiteffekten, wie Porosität und Silizidbildung, führt.
  • Die isotherme Umformung (Primär- und/oder Sekundärumformung) findet vorteilhafterweise in beheizten Werkzeugen aus Molybdän oder Graphit statt.
  • Das folgende Beispiel beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Rotorscheiben, einsetzbar für Fluggasturbinen, wobei auch andere hochbelastbare Bauteile als für die konventionelle und Luftverkehrstechnik, wie beispielsweise Bauteile von Brennkraftmaschinen (z.B. Ventilen) angesprochen sein können.
  • Zur Anwendung kommt ein Rohling der chemischen Zusammensetzung (in Atom-%)
    • 46 % Al
    • 7,5 % Nb
    • 0,3 % C
    • 0,5 % B
    • Rest Ti
  • Der Rohling wird in einem ersten Schritt einer isothermen Primärumformung bei einer α + γ-Temperatur von 1200°C unterzogen. Zum Einsatz gelangt ein Flachbahngesenk, mit dem sogenannte Pancakes erzeugt werden. Die isotherme Primärumformung erfolgt mit einer Umformgeschwindigkeit von 10-4/s. In einem zweiten isothermen Schmiedeprozeß werden die Pancakes in einem formgebenden Schmiedewerkzeug mit Ober- und Unterteil zu Scheiben fertig geschmiedet. Die isotherme Sekundärumformung findet in diesem Beispiel bei einer α + γ-Temperatur von 1150°C sowie einer Umformgeschwindigkeit von 10-3/s statt.
  • Zur Einstellung der späteren Gebrauchseigenschaften der so erzeugten Rotorscheiben werden selbige bei einer α-Temperatur von 1360°C lösungsgeglüht und anschließend in Öl mit einer Abkühlrate von 10°C/s rasch abgekühlt. Die Fertigbearbeitung erfolgt konventionell und ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.
  • Das folgende Beispiel zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, einsetzbar in stationären Gasturbinen.
  • Zur Anwendung kommt ein Rohling der Zusammensetzung (in Atom-%)
    • 45 % Al
    • 8 % Nb
    • 0,2 % C
    • Rest Ti
  • Der erste Schmiedevorgang eines Grundmaterials für α + γ-TiAl-Rohlinge soll in diesem Beispiel dadurch stattfinden, daß in einem Schmiedegesenk mit einer scheibenförmigen Gravur die Volumenverteilung für eine größere Anzahl von Rohlingen (hier 10 Stück) im α + γ-Phasengebiet bei etwa 1150°C durchgeführt wird. Die Vereinzelung der Rohlinge soll in diesem Beispiel im hohen Temperaturbereich durch ein Schneidwerkzeug herbeigeführt werden. Durch diese Maßnahme wird ein Abkühlen der Rohlinge mit anschließendem Widererwärmen für den Folgeumformprozess entbehrlich.
  • In einem zweiten isothermen Schmiedeprozess werden die Rohlinge in einem formgebenden Schmiedewerkzeug mit Ober- und Unterteil zu Schaufeln fertig geschmiedet. Diese sekundäre Umformung findet in diesem Beispiel im α + γ-Phasengebiet bei etwa 1150°C sowie einer Umformgeschwindigkeit von 103s-1 statt.
  • Zur Einstellung der späteren Gebrauchseigenschaften der so erzeugten Turbinenschaufeln werden selbige bei einer α-Temperatur von 1360°C lösungsgeglüht und anschließend in Öl rasch abgekühlt.
  • Herstellprozesse weiterer Bauteile unterscheiden sich von diesem Beispiel lediglich in ihrer geometrischen Ausbildung.
  • Die vorab beschriebene Legierungszusammensetzung sowie die gewählten Temperaturbereiche für die primäre und sekundäre isotherme Umformung stellen lediglich Beispiele dar.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAl-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet vorgeformt, die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α-Phasengebiet zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt und zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Primärumformung durch Schmieden oder Strangpressen im α + γ-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C und 1340°C stattfindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Primärumformung durch Schmieden oder Strangpressen im α-Phasengebiet zwischen 1340°C und 1360°C stattfindet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Sekundärumformung im α + γ-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C stattfindet.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformprozess in einem insbesondere beheizten Werkzeug, aus Molybdän oder Graphit, durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Rohlinge aus einer Ti-Al-Basislegierung der Zusammensetzung (in Atom-%) für die Primär- und Sekundärumformung eingesetzt werden:
    43 % - 47 % Al
    5 % - 10 % Nb
    max. 1,0 % B
    max. 0,5 % C
    Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umform- und Lösungsglühprozess in inerter Atmosphäre stattfindet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung zur abschließenden Gefügeeinstellung aus dem α-Phasengebiet oberhalb 1340°C sehr rasch, insbesondere mit 10°C/s - 20°C/s in Öl, erfolgt.
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