EP2272993B1 - Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung - Google Patents

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EP2272993B1
EP2272993B1 EP10450090.5A EP10450090A EP2272993B1 EP 2272993 B1 EP2272993 B1 EP 2272993B1 EP 10450090 A EP10450090 A EP 10450090A EP 2272993 B1 EP2272993 B1 EP 2272993B1
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EP
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forging
die
temperature
biscuit
titanium
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Sascha Kremmer
Heinz Romen-Kierner
Wilfried Wallgram
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Voestalpine Boehler Aerospace GmbH and Co KG
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Voestalpine Boehler Aerospace GmbH and Co KG
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    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/08—Upsetting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21J9/06—Swaging presses; Upsetting presses
    • B21J9/08—Swaging presses; Upsetting presses equipped with devices for heating the work-piece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • B21K3/04—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • 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 forgings for turbine blades made of a gamma titanium-aluminum base alloy
  • Titanium alloy of 6 at.% Or 8 at.% And (alpha + beta) or near alpha structure are known from US Pat EP 1 127 953 known and are used for a production of poppet valves. This involves upsetting a rod material above the beta conversion and finish-forging the valve disc with an alpha structure in a heat.
  • Titanium-aluminum base alloys are essentially formed of titanium aluminide intermetallics 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 creating a method of the type mentioned above for economic production.
  • This object is achieved in a method for producing a forging, in particular a turbine blade, from a gamma-titanium-aluminum base alloy, in which a cylindrical or rod-shaped starting or starting material in one or more steps at those points at which the forging to be formed or the turbine blade to be formed has a volume concentration, heated by electric current passage or by induction over the cross section to a temperature higher 1150 ° C 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 in one or more subsequent steps is final deformed, wherein the or the subsequent step (s) for the final deformation of the forging blank each of an at least partially coating the surface with a heat radiation and thereby the devisflä is formed from heating the forging blank to forming temperature, from a heat soak and from a reshaping of the same, in particular in a die, is formed.
  • the alloy consists mainly of gamma-titanium-aluminum and alpha 2-titanium-aluminum and has only a possibly 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.
  • upsetting may be done at several points in the sequence.
  • a forged blank produced according to the invention can now be finally deformed, with advantage being due to the volume concentrations, a Gesenk spallung with less material flow and / or material use can take place.
  • a transport of forging blank or intermediate product from the heating furnace to the deformation plant with the tool or with a die, esp. can cause a critical cooling of the surface portion of the deformed part, in an embodiment of the invention, a method in which or the sequential step (s) of final deformation of the forging blank or intermediate product for turbine blade production from at least partially coating the surface with a heat radiation and thereby the superficial one Temperature decrease-reducing agent, a heating of the forging blank or intermediate product to forming temperature, a heat soak, a transfer and a forming thereof, esp.
  • a die is formed (be), advantageously feasible.
  • the oxide phase acts as a heat-resistant insulating component, with one or more additive (s) or adhesives having smaller proportions connecting (bonding) and retaining (holding) the oxide grains.
  • 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 commonly used hot working steels for thermally tempered dies allows for no danger the hard waste of the same must be feared in the operation.
  • the method of manufacturing turbine blades e.g. 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 2, for a turbine blade forging, a rod having a diameter of 30mm ⁇ and a length of 225mm was made of an alloy Ti-43.5Al- (Nb-Mo-B) 5 at%.
  • 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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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes für Turbinenschaufieln aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung
  • Titanlegierung mit 6 At.-% oder 8 At.-% und einem (alpha+beta) oder nahe alpha-Gefüge sind aus der EP 1 127 953 bekannt und werden für eine Herstellung von Tellerventilen eingesetzt. Dabei erfolgt ein Aufstauchen eine Stangenmaterials oberhalb der beta-Umwandlung und ein Fertigschmieden des Ventilteller mit einer alpha-Struktur in einer Hitze.
  • Titan-Aluminium-Basisiegierungen 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.
  • Auf Grund des intermetallischen Charakters der Titan-Aluminid-Legierungen, ggf, 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 zur Herstellung eines Schmiedestückes, insbesondere einer Turbinenschaufel, aus einer Gamma-Titan-Aluminium-Basislegierung erreicht, bei welchem ein zylindrisches oder stabförmiges Ausgangs- oder Vormaterial in einem oder mehreren Schritten an jenen Stellen, an welchen das auszuformende Schmiedestück bzw. die auszuformende Turbinenschaufel eine Volumenkonzentration 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 endverformt wird, wobei der oder die Folgeschritt(e) zur Endverformung des Schmiederohlings jeweils aus einem zumindest teilweisen Beschichten der Oberfläche mit einem die Wärmeabstrahlung und dadurch den oberflächlichen Temperaturabfall mindernden Mittel, aus einem Erwärmen des Schmiedrohlings auf Umformtemperatur, aus einem Durchwärmen und aus einem Umformen desselben, insbesondere in einem Gesenk, gebildet wird(werden).
  • Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen in einer wirtschaftlichen Vormaterialerstellung für eine Turbinenschaufelfertigung 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 insb. 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 ggf. 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 für Sonderschaufelformen gewünscht, kann ein Stauchumformen an mehreren Stellen in der Folge vorgenommen werden.
  • Ein nach oben beschriebenen Schritten erfindungsgemäß hergestellter Schmiederohling kann nun nach Aufwärmen, bspw. in einem Schmiedeofen, in einem oder mehreren Folgeschritt(en), insb. in einem Gesenk, endverformt werden, wobei mit Vorteil auf Grund 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, insb. 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 für eine Turbinenschaufelfertigung 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, insb. 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, insb. 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, insb. 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, z.B. aus einer TNM-Legierung, verwendbar.
  • An Hand 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 sog. 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 0 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 sec., wobei ein Heizstrom mit 7740 A und eine Umformtemperatur von 1250°C eingestellt worden waren.
  • Fig. 5 zeigt in einer Form gestauchte Rohlinge.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestückes, insbesondere einer Turbinenschaufel, 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 bzw. die auszuformende Turbinenschaufel eine Volumenkonzentration 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 endverformt wird, wobei der oder die Folgeschritt(e) zur Endverformung des Schmiederohlings jeweils aus einem zumindest teilweisen Beschichten der Oberfläche mit einem die Wärmeabstrahlung und dadurch den oberflächlichen Temperaturabfall mindernden Mittel, aus einem Erwärmen des Schmiedrohlings auf Umformtemperatur, aus einem Durchwärmen und aus einem Umformen dasselben, insbesondere in einem Gesenk, gebildet wird(werden).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das den oberflächlichen Temperaturabfall mindernde Mittel aus einer Oxidphase als Hauptkomponente und einem oder mehreren Haftmittel(n) als Zusatz sowie flüssigen Komponenten gebildet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Beschichtungsmittel aus Zirkonoxid mit einem Anteil in Gew.-% von größer 70, bevorzugt von 80 bis 98, insb. von 90 bis 97, gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Endverformung in einem Gesenk erfolgt, welches eine um mindestens oder 300°C niedrigere Temperatur als der Schmiederohling aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, 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.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Endumformung als Schnellumformung mit einer Verformungsgeschwindigkeit von > 0.3mm/sec, insb. von 0.5 bis 5mm/sec., erfolgt.
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