EP2272993A1 - Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung Download PDF

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EP2272993A1
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temperature
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titanium
die
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    • F05B2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05B2230/25—Manufacture essentially without removing material by forging

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a forging of a gamma titanium-aluminum base alloy.
  • Titanium-aluminum base alloys are essentially formed of intermetallic titanium aluminides and have a high melting point, low density, a high specific modulus of elasticity, good oxidation behavior and high specific tensile strength and creep resistance in the temperature range of 600 ° C to 800 ° C, So meet the ever-increasing demands on special materials such as for next-generation components of aircraft engines and internal combustion engines.
  • Titanium aluminide materials are not yet optimized with regard to their alloy composition and their production and processing.
  • An alloy that has good processability as well as balanced mechanical properties that can be created by suitable heat treatments includes the elements titanium, aluminum, niobium, molybdenum and boron and is therefore referred to in the art as TNM alloy.
  • the object of the invention is to improve the difficult and expensive processing of titanium aluminide materials and has the task of a method to create the type mentioned for economic production.
  • This object is achieved in a method in which a cylindrical or rod-shaped starting or starting material in one or more steps at those locations at which the forging to be formed volume concentrations, by electrical current passage or by induction across the cross-section to a temperature of 1150 higher ° C heated and deformed by application of force, in particular upsetting deformed and such a forging blank is created with different cross-sectional areas over its longitudinal extent, which blank is finally deformed in one or more subsequent steps each after heating to forming temperature, in particular in a die.
  • the alloy consists mainly of gamma-titanium-aluminum and alpha 2-titanium-aluminum and has only an optionally small proportion of beta-phase, which phase has ductile properties depending on the temperature.
  • beta-phase increases in the material, which justifies an improvement in the ductility of the material.
  • a forging blank produced according to the invention can now be finally deformed after warming up, for example in a forging furnace, in one or more subsequent step (s), in particular in a die, whereby advantageously a die filling is achieved with a lower material flow and / or material usage due to the volume concentrations can be done.
  • a method in which or the sequential step (e) of final deformation of the forging blank or of the intermediate product from at least partial coating of the surface with a means which reduces the heat radiation and thereby the surface temperature drop reducing means, a heating of the forging blank or intermediate product to forming temperature, a heat soak, a transfer and a forming thereof is formed in particular in a die (be), advantageously feasible.
  • the oxide phase acts as a heat-resistant insulating component, with one or more additives or adhesives having lower proportions Oxide grains bind (connect) and hold on the substrate (hold).
  • the liquid component (s) serve to homogenize the phases and to adjust a desired level of liquid for homogeneous application to the surface of the workpiece or part.
  • a method which can be carried out without error is advantageous, in which the final deformation takes place in a die which has a temperature which is at least 300 ° C. lower than the forging blank or the intermediate product.
  • a method according to the invention in which the final deformation takes place in a die having up to 900 ° C, preferably up to 800 ° C, lower temperature than the forging blank or the intermediate intensifies the above advantages, because such a low mold temperature Use of common hot working steels for thermally tempered dies allows without fear of a risk of hard waste of the same in operation.
  • the method for a production of turbine blades eg. made of a TNM alloy, usable.
  • a power source (not shown) is connected to a terminal 2 and a slightly concave shaped flat caliper 3.
  • a rod 1 is pressed in a press on the flat saddle 3, wherein between the flat saddle 3 and the terminal 2 electric current flows, which heats the rod in this area by the ohmic resistance.
  • a heating of a rod or rod part can also be done by means of an induction coil and alternating current.
  • titanium-aluminum base alloys have particularly good compression properties and are not prone to buckling. Furthermore, a rapid, targeted heating of a rod area is possible by a heat technology with electrical current passage or by induction, with a precise adjustment of the forming temperature in the so-called deformability window of the alloy can be achieved.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show a puncture of one end of a rod 1 in a mold 3 to form a desired shaped end portion 11th
  • Blanks, as in FIG. 3 and FIG. 4 As shown schematically, for a turbine blade forging, a rod having a diameter of 30 mm ⁇ and a length of 225 mm was made of an alloy Ti-43.5Al- (Nb-Mo-B) 5 atom%. The production length was 192mm with a head diameter of 45mm and a head length of 63mm.
  • the heating and compression time was 60 sec., With a heating current of 7740 A and a forming temperature of 1250 ° C had been set.
  • Fig. 5 shows in a form compressed blanks.

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Abstract

Um eine schwierige und kostenintensive Verarbeitung der Titan-Aluminid-Werkstoffe zu verbessern, ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, bei welchem ein zylindrisches oder stabförmiges Ausgang- oder Vormaterial in einem oder mehreren Schritten an jenen Stellen, an welchen das auszuformende Schmiedestück Volumenkonzentrationen aufweist, durch elektrischen Stromdurchgang oder durch Induktion über den Querschnitt auf eine Temperatur von höher 1150°C erwärmt und durch Kraftbeaufschlagung verformt, insbesondere stauchverformt, und derart ein Schmiederohling mit unterschiedlichen Querschnittsflächen über dessen Längserstreckung erstellt wird, welcher Rohling in einem oder mehreren Folgeschritt(en) jeweils nach einer Erwärmung auf Umformtemperatur, insbesondere in einem Gesenk, endverformt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung.
  • Titan-Aluminium-Basislegierungen sind im Wesentlichen aus intermetallischen Titan-Aluminiden gebildet und weisen einen hohen Schmelzpunkt, geringe Dichte, einen hohen, spezifischen Elastizitätsmodul, gutes Oxidationsverhalten sowie hohe, spezifische Zugfestigkeit sowie Kriechfestigkeit im Temperaturbereich von 600°C bis 800°C auf, erfüllen also die ständig steigenden Anforderungen an Sonderwerkstoffe wie z.B. für Komponenten der nächsten Generation von Flugzeugtriebwerken und Verbrennungsmotoren.
  • Titan-Aluminid-Werkstoffe sind bezüglich ihrer Legierungszusammensetzung sowie ihrer Herstellung und Verarbeitung noch nicht optimiert.
  • Eine Legierung, die eine gute Verarbeitbarkeit, sowie ausgewogene, mechanische Eigenschaften aufweist, die durch geeignete Wärmebehandlungen erstellt werden können, weist die Elemente Titan, Aluminium, Niob, Molybdän und Bor auf und wird deshalb in der Fachwelt als TNM-Legierung bezeichnet.
  • Aufgrund des intermetallischen Charakters der Titan-Aluminid-Legierungen, gegebenenfalls auch der TNM-Werkstoffe, mit anderen Worten: ihres spröden Verhaltens bei ungeeigneten Verformungsbedingungen wegen, ist besonders eine Herstellung von Schmiedestücken wie Turbinenschaufeln kritisch und meist mit hohen Abfallraten verbunden.
  • Es ist bekannt, eine Schmiedeumformung unter isothermen Bedingungen durchzuführen, was ein besonderes Hochtemperatur-Schmiedegesenk mit Schutzgasatmosphäre erfordert und daher kostenintensiv ist.
  • Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die schwierige und kostenintensive Verarbeitung von Titan-Aluminid-Werkstoffen zu verbessern und hat die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur wirtschaftlichen Herstellung zu schaffen.
  • Dieses Ziel wird bei einem Verfahren erreicht, bei welchem ein zylindrisches oder stabförmiges Ausgangs- oder Vormaterial in einem oder mehreren Schritten an jenen Stellen, an welchen das auszuformende Schmiedestück Volumenkonzentrationen aufweist, durch elektrischen Stromdurchgang oder durch Induktion über den Querschnitt auf eine Temperatur von höher 1150°C erwärmt und durch Kraftbeaufschlagung verformt, insbesondere stauchverformt und derart ein Schmiederohling mit unterschiedlichen Querschnittsflächen über dessen Längserstreckung erstellt wird, welcher Rohling in einem oder mehreren Folgeschritten jeweils nach einer Erwärmung auf Umformtemperatur, insbesondere in einem Gesenk endverformt wird.
  • Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen in einer wirtschaftlichen Vormaterialerstellung mit in der Längserstreckung unterschiedlichen Querschnittsflächen und in dadurch günstigen Werkstofffließbedingungen bei der Endformung des Schmiedestückes zu sehen. Obwohl Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierungen eine hohe spezifische Steifigkeit aufweisen, hat es sich als günstig erwiesen, ein zylindrisches oder stabförmiges Ausgangsmaterial zu verwenden und dieses durch Induktion oder insbesondere durch direkten Stromdurchgang zwischen Klemm- oder Anschlussbereichen am Stab auf eine Temperatur von höher als 1150°C zu erwärmen. Durch dieses Aufheizen wird trotz Abstrahlung von der Oberfläche eine Verteilung der Temperatur über den Querschnitt gleichmäßig ausgebildet, weil offensichtlich durch eine Stromverdrängung der spezifische Stromfluss und damit die Wärmeentwicklung im Oberflächenbereich vergrößert sind.
  • Bei Raumtemperatur besteht die Legierung hauptsächlich aus Gamma-Titan-Aluminium und Alpha 2-Titan-Aluminium und weist nur einen gegebenenfalls geringen Anteil an Beta-Phase auf, welche Phase je nach Temperatur duktile Eigenschaften hat. Bei einer Erwärmung auf über 1150°C, mit Vorteil auf über 1250°C, vergrößert sich der Anteil an Beta-Phase im Werkstoff, was eine Verbesserung der Verformbarkeit des Werkstoffes begründet.
  • Mit einem Stauchen, wie oben erwähnt, bei gezielter und homogener Erwärmung über den Querschnitt des Stabes auf hohe Temperatur kann eine gleichmäßige und gezielte Volumenkonzentration und eine gewünschte Feinkorngefügestruktur desselben erreicht werden.
  • Wird mehr als ein Bereich mit vergrößertem Querschnitt des Stabes gewünscht, kann ein Stauchumformen an mehreren Stellen in der Folge vorgenommen werden.
  • Ein nach oben beschriebenen Schritten erfindungsgemäß hergestellter Schmiederohling kann nun nach Aufwärmen, beispielsweise in einem Schmiedeofen, in einem oder mehreren Folgeschritt(en), insbesondere in einem Gesenk, endverformt werden, wobei mit Vorteil aufgrund der Volumenkonzentrationen eine Gesenkfüllung bei geringerem Materialfluss und/oder Materialeinsatz erfolgen kann.
  • Weil nun ein Transport des Schmiederohlings oder Zwischenproduktes vom Wärmeofen zur Verformungsanlage mit dem Werkzeug bzw. mit einem Gesenk, insbesondere bei zeitaufwändigen Verbringungswegen, eine kritische Abkühlung des Oberflächenbereiches des zu verformenden Teiles bewirken kann, ist in Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren, bei welchem der oder die Folgeschritt(e) zur Endverformung des Schmiederohlings oder des Zwischenproduktes aus einem zumindest teilweisen Beschichten der Oberfläche mit einem die Wärmeabstrahlung und dadurch den oberflächlichen Temperaturabfall mindernden Mittel, einem Erwärmen des Schmiederohlings oder Zwischenproduktes auf Umformtemperatur, einem Durchwärmen, einem Verbringen und einem Umformen desselben, insbesondere in einem Gesenk gebildet wird (werden), vorteilhaft durchführbar.
  • Es hat sich gezeigt, dass ein Beschichten der Oberfläche des Schmiederohlings oder Zwischenproduktes mit einem Mittel zur Verminderung der Wärmeabstrahlung schon mit einer Dicke von größer 0.1 mm einen Temperaturverlust der Randzone in der Zeiteinheit deutlich verringern kann und derart eine erforderliche hohe Umformtemperatur des Werkstückes im Oberflächenbereich bei Vermeidung einer Rissbildung bei einer Umformung erhalten bleibt.
  • Gemäß der Erfindung wirkt die Oxidphase als hitzebeständige Isolierkomponente, wobei ein oder mehrere Additiv(e) bzw. Haftmittel mit geringeren Anteilen die Oxidkörner verbindet (verbinden) und auf dem Substrat hält (halten). Die flüssige(n) Komponente(n) dient (dienen) der Homogenisierung der Phasen und einer Einstellung eines gewünschten Flüssigkeitsgrades zur homogenen Aufbringung auf die Oberfläche des Werkstückes oder Teiles.
  • Ein Mittel, bei welchem die Hauptkomponente bzw. Oxidphase aus Zirkonoxid mit einem Anteil in Gew.-% von größer 70, bevorzugt von 80 bis 98, insbesondere von 90 bis 97, gebildet ist, hat sich im Hinblick auf eine wesentliche Verringerung der Wärmeabstrahlung als besonders günstig herausgestellt.
  • Vorteilhaft kann weiters bei einer Ausführungsvariante der Erfindung ein fehlerfrei durchführbares Verfahren sein, bei welchem die Endverformung in einem Gesenk erfolgt, welches eine um mindestens 300°C niedrigere Temperatur als der Schmiederohling oder das Zwischenprodukt aufweist. Dadurch werden anlagentechnische Vereinfachungen bei verbesserter Wirtschaftlichkeit erreicht.
  • Ein Verfahren nach der Erfindung, bei welchem die Endverformung in einem Gesenk erfolgt, welches eine bis zu 900°C, bevorzugt bis zu 800°C, niedrigere Temperatur als der Schmiederohling oder das Zwischenprodukt hat, intensiviert obige Vorteile, weil eine derart niedrige Werkzeugtemperatur eine Verwendung von gebräuchlichen Warmarbeitsstählen für thermisch vergütete Gesenke zulässt, ohne dass eine Gefahr des Härteabfalles derselben im Betrieb befürchtet werden muss.
  • Ein Verfahren, bei welchem die Endumformung als Schnellumformung mit einer Verformungsgeschwindigkeit von > 0.3mm/sec, insbesondere von 0.5 bis 5mm/sec., erfolgt, erbringt sowohl schmiedetechnische Vorteile als auch eine wesentlich verbesserte Mikrostruktur des Schmiedestückes.
  • Mit Vorteil ist das Verfahren für eine Herstellung von Turbinenschaufeln, zB. aus einer TNM-Legierung, verwendbar.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen, welche jeweils lediglich einen Verfahrensweg darstellen, soll die Erfindung näher erläutert werden.
  • Es zeigen schematisch
    • Fig. 1 in Ansicht und Fig. 2 im axialen Schnitt ein freies Aufstauchen eines Stabendes
    • Fig. 3 in Ansicht und Fig. 4 im axialen Schnitt ein Aufstauchen eines Stabendes in einer Form
    • Fig. 5 in einer Form aufgestauchte Endenbereiche von Stäben einer Ti-Al-Basislegierung bzw. Vormaterial für eine Gesenkschmiedung
    • Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Aufstauchen eines Stabes 1 bei freier Breitung.
  • Eine Stromquelle (nicht dargestellt) ist mit einer Klemme 2 und einem leicht konkav geformten Flachsattel 3 verbunden. Für eine Umformung wird ein Stab 1 in einer Presse an den Flachsattel 3 angedrückt, wobei zwischen dem Flachsattel 3 und der Klemme 2 elektrischer Strom fließt, welcher in diesem Bereich durch den Ohm'schen Widerstand den Stab erwärmt.
  • Eine Erwärmung eines Stabes oder Stabteiles kann auch mittels einer Induktionsspule und Wechselstrom erfolgen.
  • Durch eine Stauchkraft erfolgt nach einem Aufwärmen eines Stabteiles ein Aufstauchen eines Stabendes, im gegebenen Fall mit freier Breitung.
  • Es hat sich gezeigt, dass Titan-Aluminium-Basislegierungen besonders gute Staucheigenschaften aufweisen und nicht zum Ausknicken neigen. Weiters ist durch eine Wärmetechnologie mit elektrischem Stromdurchgang oder durch Induktion eine rasche, gezielte Durchwärmung eines Stabbereiches möglich, wobei eine genaue Einstellung der Umformtemperatur im sogenannten Verformbarkeitsfenster der Legierung erreichbar ist.
  • Fig. 3 und Fig. 4 zeigen ein Einstauchen eines Endes eines Stabes 1 in eine Form 3 unter Ausbildung eines gewünscht geformten Endenbereiches 11.
  • Derart kann eine genaue Abmessung eines Schmiederohlings für eine Endformgebung hergestellt werden.
  • Rohlinge, wie in Fig. 3 und Fig. 4 schematisch gezeigt, wurden für eine Turbinenschaufelschmiedung aus einem Stab mit einem Durchmesser von 30mm ∅ und einer Länge von 225mm aus einer Legierung Ti-43.5Al-(Nb-Mo-B) 5 Atom-% gefertigt. Die Fertigungslänge betrug 192mm bei einem Kopfdurchmesser von 45mm und einer Kopflänge von 63mm.
  • Die Erwärmungs- und Stauchzeit war 60 sek., wobei ein Heizstrom mit 7740 A und eine Umformtemperatur von 1250°C eingestellt worden waren.
  • Fig. 5 zeigt in einer Form gestauchte Rohlinge.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung, bei welchem ein zylindrisches oder stabförmiges Ausgangs- oder Vormaterial in einem oder mehreren Schritten an jenen Stellen, an welchen das auszuformende Schmiedestück Volumenkonzentrationen aufweist, durch elektrischen Stromdurchgang oder durch Induktion über den Querschnitt auf eine Temperatur von höher 1150°C erwärmt und durch Kraftbeaufschlagung verformt, insbesondere stauchverformt, und derart ein Schmiederohling mit unterschiedlichen Querschnittsflächen über dessen Längserstreckung erstellt wird, welcher Rohling in einem oder mehreren Folgeschritten jeweils nach einer Erwärmung auf Umformtemperatur, insbesondere in einem Gesenk, endverformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der oder die Folgeschritt(e) zur Endverformung des Schmiederohlings oder des Zwischenproduktes aus einem zumindest teilweisem Beschichten der Oberfläche mit einem die Wärmeabstrahlung und dadurch den oberflächlichen Temperaturabfall mindernden Mittel, einem Erwärmen des Schmiederohlings oder Zwischenproduktes auf Umformtemperatur, einem Durchwärmen und einem Umformen desselben, insbesondere in einem Gesenk, gebildet wird (werden).
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das den oberflächlichen Temperaturabfall mindernde Mittel aus einer Oxidphase als Hauptkomponente und einem oder mehreren Haftmittel(n) als Zusatz sowie flüssigen Komponenten gebildet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Beschichtungsmittel aus Zirkonoxid mit einem Anteil in Gew.-% von größer 70, bevorzugt von 80 bis 98, insbesondere von 90 bis 97, gebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Endverformung in einem Gesenk erfolgt, welches eine um mindestens 300°C niedrigere Temperatur als der Schmiederohling oder das Zwischenprodukt aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, bei welchem die Endverformung in einem Gesenk erfolgt, welches eine bis zu 900°C, bevorzugt bis zu 800°C, niedrigere Temperatur als der Schmiederohling oder das Zwischenprodukt aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Endumformung als Schnellumformung mit einer Verformungsgeschwindigkeit von > 0.3mm/sec, insbesondere von 0.5 bis 5mm/sec., erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine Herstellung von Turbinenschaufeln.
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