EP1771589B1 - Verfahren zum herstellen eines gussbauteils - Google Patents

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EP1771589B1
EP1771589B1 EP05770519A EP05770519A EP1771589B1 EP 1771589 B1 EP1771589 B1 EP 1771589B1 EP 05770519 A EP05770519 A EP 05770519A EP 05770519 A EP05770519 A EP 05770519A EP 1771589 B1 EP1771589 B1 EP 1771589B1
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EP
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semifinished
granular material
titanium
aluminum
melting
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Manfred Renkel
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G4T GmbH
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/005—Castings of light metals with high melting point, e.g. Be 1280 degrees C, Ti 1725 degrees C
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    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
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    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/15—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B22D39/02—Equipment for supplying molten metal in rations having means for controlling the amount of molten metal by volume

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cast component.
  • the present invention relates to the production of components made of an intermetallic titanium-aluminum material, in particular the production of gas turbine components, using a casting process.
  • molds so-called molds are used, wherein the molds have an inner contour corresponding to the outer contour of the component to be produced.
  • permanent casting molds In principle, in casting processes, a distinction is made between those working with lost casting molds and permanent casting molds. In casting processes that use lost casting molds, only one component can ever be produced with one casting mold. In casting processes that use continuous casting molds, the casting molds can be used several times. Among the casting methods that work with lost molds, among other things, the so-called investment casting. In the casting processes that work with permanent casting molds, reference is made here by way of example to chill casting.
  • the US 5,839,504A describes a method for producing a cast component in which a melt of a titanium-aluminum intermetallic material is filled from a crucible into a casting mold. After solidification of the melt, the cast component thus produced is dissolved out of the casting mold.
  • the prior art is such that a crucible is filled with a semi-finished product, which is in the prior art in the semifinished to bars of the intermetallic material produced from pellets of the metallic elements by arc melting or electron beam melting.
  • the production of these semi-finished products and thus the production of the cast component is very cost-intensive, the material quality depends strongly on the melting technology used to provide the semifinished product.
  • the rod-shaped semi-finished product for filling a crucible is spark erosive or comminuted by water jet cutting, wherein the inserted into the crucible amount of rod-shaped semifinished product is tuned to Schmelztiegelterrorism. This results in an expensive filling of the crucible in the production of cast components from intermetallic materials.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for producing a cast component.
  • a semifinished granulate made of an intermetallic titanium-aluminum material for producing an intermetallic cast component.
  • the granular form offers significant advantages over the prior art rod shape.
  • a semifinished product in granular form is more flexible to handle.
  • a continuous melting and casting operation can be established by using a granular semifinished product.
  • a crucible is filled with the semi-finished granules in such a way that the amount of semifinished granulate filled in the crucible corresponds exactly to the quantity required for casting the component.
  • the filled in the crucible amount of semifinished product is therefore not tuned as in the prior art on Schmelztiegelshirts, but rather on the component to be produced. This results in significant cost advantages.
  • the procedure is such that a crucible is provided in a first step.
  • a semifinished granulate made of an intermetallic titanium-aluminum material is then provided.
  • the procedure is such that titanium oxide and aluminum oxide in a reduction process using magnesium and / or calcium to elemental powders, namely to titanium powder and aluminum powder, be reduced. Subsequently, the reaction products magnesium oxide and / or calcium oxide are removed from the aluminum powder and titanium powder or separated, in particular sieved. The aluminum powder and titanium powder are then ground and heat treated at a temperature below the melting temperature of aluminum as well as titanium. By the associated solid state reaction, the titanium powder and aluminum powder in an intermetallic titanium-aluminum granules (Ti X -Al Y granules) are transferred.
  • Ti X -Al Y granules intermetallic titanium-aluminum granules
  • the crucible provided is filled with the semi-finished granules, wherein the amount of semi-finished granules filled in the crucible corresponds exactly to the amount required for casting the component to be produced.
  • the semi-finished granules are kept ready in above the crucible arranged boxes.
  • To fill the crucible at least one of the boxes is opened and emptied, in which case the semi-finished granules pass into the crucible.
  • the same can be filled independently of the further processing of semi-finished granules in crucible and mold with semi-finished granules. As a result, the flexibility of the casting process can be significantly increased.
  • the semifinished granulate After filling the crucible with semi-finished granules, the semifinished granulate is melted from the intermetallic titanium-aluminum material in the crucible.
  • the crucible is also referred to as a cold wall crucible.
  • the semi-finished product melted in the crucible is filled into a casting mold as a melt, the melt in the casting mold solidified and then the cast component is removed from the mold.
  • the method according to the invention is preferably used in the production of gas turbine components, in particular in the production of blades for aircraft engines, from an intermetallic titanium-aluminum material.
  • the quality of the cast components produced from the titanium-aluminum material can be significantly increased.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff, insbesondere die Herstellung von Gasturbinenbauteilen, mithilfe eines Gießverfahrens. Beim Gießen werden Formen, sogenannte Gussformen, verwendet, wobei die Gussformen eine Innenkontur aufweisen, die der Außenkontur des herzustellenden Bauteils entspricht. Prinzipiell unterscheidet man bei Gießverfahren solche, die mit verlorenen Gussformen oder Dauergussformen arbeiten. Bei Gießverfahren, die mit verlorenen Gussformen arbeiten, kann mit einer Gussform immer nur ein Bauteil hergestellt werden. Bei Gießverfahren, die mit Dauergussformen arbeiten, können die Gussformen mehrfach verwendet werden. Zu den Gießverfahren, die mit verlorenen Gussformen arbeiten, zählt unter anderem das sogenannte Feingießen. Bei den Gießverfahren, die mit Dauergussformen arbeiten, sei hier exemplarisch auf das Kokillengießen verwiesen.
  • Die US 5 839 504 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils, bei dem eine Schmelze aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff aus einem Schmelztiegel in eine Gussform gefüllt wird. Nach dem Erstarren der Schmelze wird das so hergestellte Gussbauteil aus der Gussform herausgelöst.
  • Bei der gusstechnischen Herstellung von Bauteilen aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird nach dem Stand der Technik so vorgegangen, dass ein Schmelztiegel mit einem Halbzeug befüllt wird, wobei es sich nach dem Stand der Technik bei dem Halbzeug um Stangen aus dem intermetallischen Werkstoff handelt, die aus Presslingen der metallischen Elemente durch Lichtbogenschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen hergestellt werden. Die Herstellung dieser Halbzeuge und damit die Herstellung des Gussbauteils ist sehr kostenintensiv, wobei die Werkstoffqualität stark von der zur Bereitstellung des Halbzeugs angewandten Schmelztechnologie abhängt. Nach dem Stand der Technik wird das stangenförmige Halbzeug zum Befüllen eines Schmelztiegels funkenerosiv oder durch Wasserstrahlschneiden zerkleinert, wobei die in den Schmelztiegel eingefügte Menge des stangenförmigen Halbzeugs auf das Schmelztiegelmaß abgestimmt ist. Hierdurch ergibt sich eine kostenintensive Befüllung der Schmelztiegel bei der Herstellung von Gussbauteilen aus intermetallischen Werkstoffen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils zu schaffen.
  • Dieses Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 4.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, zum Herstellen eines intermetallischen Gussbauteils ein Halbzeug-Granulat aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff bereitzustellen. Die Granulatform bietet gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Stangenform erhebliche Vorteile. So ist ein Halbzeug in Granulatform flexibler handhabbar. Weiterhin kann ein kontinuierlicher Schmelz- und Gussbetrieb durch Verwendung eines granulatförmigen Halbzeugs etabliert werden. Weiterhin wird im Sinne der Erfindung ein Schmelztiegel derart mit dem Halbzeug-Granulat befüllt, dass die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats exakt der zum Gießen des Bauteils benötigten Menge entspricht. Die in den Schmelztiegel gefüllte Menge an Halbzeug ist demnach nicht wie beim Stand der Technik auf das Schmelztiegelmaß, sondern vielmehr auf das herzustellende Bauteil abgestimmt. Hierdurch ergeben sich deutliche Kostenvorteile.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Nachfolgend wird das hier vorliegende Verfahren zum Herstellen von Gussbauteilen, insbesondere von Gasturbinengussbauteilen, in größerem Detail beschrieben.
  • Bei der gusstechnischen Herstellung eines Bauteils aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt ein Schmelztiegel bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt wird sodann ein Halbzeug-Granulat aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff bereitgestellt.
  • Bei der Bereitstellung des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird so vorgegangen, dass Titanoxid und Aluminiumoxid in einem Reduktionsprozess unter Verwendung von Magnesium und/oder Calcium zu Elementpulvern, nämlich zu Titanpulver und Aluminiumpulver, reduziert werden. Anschließend werden die Reaktionsprodukte Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid vom Aluminiumpulver sowie Titanpulver entfernt bzw. getrennt, insbesondere ausgesiebt. Das Aluminiumpulver sowie Titanpulver werden dann vermahlen und bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium sowie Titan liegt, wärmebehandelt. Durch die hiermit verbundene Festkörperreaktion werden das Titanpulver und Aluminiumpulver in ein intermetallisches Titan-Aluminium-Granulat (TiX-AlY-Granulat) überführt.
  • Die Herstellung eines solchen Halbzeug-Granulats aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff verfügt gegenüber der Bereitstellung der aus dem Stand der Technik bekannten stangenförmigen Halbzeuge über den Vorteil, dass das Halbzeug wesentlich geringere Schwankungen der Legierungsbestandteile aufweist. Das Halbzeug-Granulat wird ohne die nach dem Stand der Technik erforderlichen Schmelzvorgänge hergestellt, was den Vorteil mit sich bringt, dass eine bei den Schmelzvorgängen stattfindende Abdampfung von Legierungsbestandteilen sowie Reaktionen der Legierungsbestandteile vermieden werden. Weiterhin lässt sich ein granulatförmiges Halbzeug wesentlich einfacher handhaben und weiterverarbeiten als ein stangenförmiges Halbzeug.
  • Nach dem Bereitstellen des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird der bereitgestellte Schmelztiegel mit dem Halbzeug-Granulat befüllt, wobei die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats exakt der zum Gießen des herzustellenden Bauteils benötigten Menge entspricht.
  • Nach einem weiteren Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird das Halbzeug-Granulat in oberhalb des Schmelztiegels angeordneten Kästen bereitgehalten. Zum Befüllen des Schmelztiegels wird mindestens einer der Kästen geöffnet und entleert, wobei dann das Halbzeug-Granulat in den Schmelztiegel gelangt. Nach dem Entleeren eines solchen Kastens kann derselbe unabhängig von der Weiterverarbeitung des Halbzeug-Granulats in Schmelztiegel sowie Gussform neu mit Halbzeug-Granulat befüllt werden. Hierdurch kann die Flexibilität des Gießverfahrens deutlich gesteigert werden.
  • Nach dem Befüllen des Schmelztiegels mit Halbzeug-Granulat wird das Halbzeug-Granulat aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff im Schmelztiegel geschmolzen. Der Schmelztiegel wird auch als Kaltwandtiegel bezeichnet. Das in dem Schmelztiegel geschmolzene Halbzeug-Granulat wird als Schmelze in eine Gussform eingefüllt, wobei die Schmelze in der Gussform erstarrt und anschließend das Gussbauteil aus der Gussform herausgelöst wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Verwendung bei der Herstellung von Gasturbinenbauteilen, insbesondere bei der Herstellung von Schaufeln für Flugtriebwerke, aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Qualität der gusstechnisch hergestellten Bauteile aus dem Titan-Aluminium-Werkstoff deutlich gesteigert werden. Des weiteren ergibt sich eine erhöhte Flexibilität des Gießverfahrens sowie ein Kostenvorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils, insbesondere eines Gasturbinengussbauteils, mit folgenden Schritten:
    a) Bereitstellen eines Schmelztiegels;
    b) Herstellen eines Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff, indem Titanoxid und Aluminiumoxid zu Titanpulver und Aluminiumpulver reduziert werden, das Titanpulver und das Aluminiumpulver anschließend vermahlen und durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur dieser Elemente in ein intermetallisches TiX-AlY-Granulat überführt werden;
    c) Befüllen des Schmelztiegels mit dem Halbzeug-Granulat, wobei die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats der zum Gießen des Bauteil benötigten Menge entspricht;
    d) Schmelzen des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff in dem Schmelztiegel;
    e) Bereitstellen einer Gussform;
    f) Einfüllen der Schmelze in die Gussform;
    g) Erstarren der Schmelze in der Gussform;
    h) Herauslösen des Gussbauteils aus der Gussform.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Reduktion von Titanoxid und Aluminiumoxid zu Titanpulver und Aluminiumpulver unter Verwendung von Magnesium und/oder Calcium durchgeführt wird, wobei die Reaktionsprodukte Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid vor dem Vermahlen des Titanpulvers und Aluminiumpulvers entfernt, insbesondere ausgesiebt, werden.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Halbzeug-Granulat in oberhalb des Schmelztiegels angeordneten Kästen bereitgehalten wird, wobei zum Befüllen des Schmelztiegels mindestens einer der Kästen geöffnet und entleert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass nach dem Entleeren des oder jedes Kastens und während des Schmelzen des Halbzeug-Granulats in dem Schmelztiegel der oder jede Kasten mit Halbzeug-Granulat neu befüllt wird.
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