EP2342365B1 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ß--TiAl-BASISLEGIERUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ß--TiAl-BASISLEGIERUNG Download PDF

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EP2342365B1
EP2342365B1 EP10765988A EP10765988A EP2342365B1 EP 2342365 B1 EP2342365 B1 EP 2342365B1 EP 10765988 A EP10765988 A EP 10765988A EP 10765988 A EP10765988 A EP 10765988A EP 2342365 B1 EP2342365 B1 EP 2342365B1
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EP
European Patent Office
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base alloy
electrode
titanium
tial base
tial
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EP10765988A
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EP2342365A1 (de
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Matthias Achtermann
Willy FÜRWITT
Volker GÜTHER
Hans-Peter Nicolai
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GfE Metalle und Materialien GmbH
TiTAL GmbH
Original Assignee
GfE Metalle und Materialien GmbH
TiTAL GmbH
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00—Obtaining refractory metals
    • C22B34/10—Obtaining titanium, zirconium or hafnium
    • C22B34/12—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
    • C22B34/1295—Refining, melting, remelting, working up of titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16—Remelting metals
    • C22B9/20—Arc remelting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of ⁇ -TiAl base alloys by means of vacuum arc melting (VAR), which solidify completely or at least partially primarily via the ⁇ -phase.
  • VAR vacuum arc melting
  • Such target alloys will hereinafter be referred to as ⁇ - ⁇ -TiAl base alloy.
  • the technical field of the present invention is the melt metallurgical production of ⁇ - ⁇ -TiAl alloys by means of vacuum arc melting (VAR).
  • VAR vacuum arc melting
  • the DE 195 81 384 T1 describes intermetallic TiAl compounds and processes for their preparation, wherein the alloy by heat treatment of an alloy having a Ti concentration of 42 to 48 atom%, an Al concentration of 44 to 47 atom%, a Nb concentration of 6 to 10 at.% And a Cr concentration of 1 to 3 at.% At a temperature in the range of 1300 to 1400 ° C.
  • the DE 196 31 583 A1 discloses a method for producing an alloy TiAl-Nb product in which an alloy electrode is first prepared from the alloy components. The formation of the alloy electrode is carried out by pressing and / or sintering the alloy components to the electrode. The latter is melted off by an induction coil.
  • a heat-resistant TiAl based alloy is known in which specific amounts of V and Cr are incorporated into a Ti-Al intermetallic compound for the purpose of improving heat resistance and ductility.
  • a new generation of ⁇ -TiAl high performance materials has a structural design different from conventional TiAl alloys.
  • ⁇ -stabilizing elements such as Cr, Cu, Hf, Mn, Mo, Nb, V, Ta and Zr is set a primary solidification path over the ⁇ -Ti phase. This results in very fine microstructure, in addition to lamellar ⁇ 2 / ⁇ colonies also contain globular ⁇ grains and globular ⁇ grains, sometimes including globular ⁇ 2 grains.
  • a temperature field of melting temperature (about 1570 ° C.) at the bottom of the electrode extends to near room temperature at the electrode suspension through the material. Not far from the melt front, the critical temperature interval between 1000 and 1200 ° C is reached.
  • the relatively poor ductility of the intermetallic material then leads in this zone to the fact that the stresses formed there discharge in the form of cracks, which in turn lead to the described chipping of unmelted pieces from the electrode.
  • the present invention seeks to provide a method for producing a ⁇ -phase solidified ⁇ -TiAl base alloy - hereinafter referred to as ⁇ - ⁇ -TiAl base alloy - specify that Avoiding the cracking problem leads to a reliable production of such a target alloy.
  • the successive remelting steps during the vacuum arc melting are thus subdivided into the melting of a primary alloy in the first remelting steps, wherein a base melted electrode is produced from a conventional ⁇ -TiAl primary alloy, and the melting of the target alloy in the form of the desired ⁇ - ⁇ -TiAl-based alloy in the last remelting step.
  • the primary alloy has a deficiency of titanium and / or a deficiency of ⁇ -stabilizing elements such as Nb, Mo, Cr, Mn, V, and Ta.
  • the alloy is a defined amount of titanium and / or ⁇ in the preparation of the pressed base melt electrode deprived of stabilizing elements, so that an aluminum content of the primary alloy preferably between 45 at .-% (particularly preferably 45.5 at .-%) and 50 at .-% sets.
  • the contents of aluminum and ⁇ -stabilizing elements are chosen so that the solidification path of the primary alloy is at least partially via the peritectic conversion. It is thus set a structure analogous to conventional TiAl alloys, which can be processed easily in the VAR oven.
  • the target alloy is readjusted by the addition of the materials originally removed from the press electrode.
  • these materials are welded as cladding to form a composite electrode firmly on the outer surface of the Abschmelzelektrode to safely exclude a solid state drop into the molten bath. It is also possible to accomplish this by a sheath insert of the deficient alloy content on the inside of the Umschmelzkokille the VAR furnace.
  • the VAR furnace 1 has a copper crucible 4 with a bottom plate 5.
  • a water jacket 6 with water inlet 7 and 8 water outlet is arranged.
  • the copper crucible 4 is also closed at the top of a vacuum bell 9, passes through the top of a lifting bar 10 vertically displaceable. At this lifting bar 10 sits the holder 11, on which the actual electrode 2 is suspended.
  • a DC voltage is applied between the copper crucible 4 and the lifting rod 10, due to which a high-current arc is ignited and maintained between the electrode 2 electrically connected to the lifting rod 10 and the copper crucible 4.
  • the electrode 2 is successively remelted to ingot 3 under homogenization of the alloy components.
  • the target composition of the ⁇ - ⁇ -TiAl alloy is Ti-43.5Al-4.0Nb-1.0Mo-0.1B (at.%) Or Ti-A128.6-Nb9.1-Mo2.3. B0.03 (m-%).
  • the composition of the primary alloy for the base melt electrode is determined by a reduction of the titanium content to Ti - 45.93Al - 4.22Nb - 1.06Mo - 0.11B (at .-%).
  • a ingot 3 of the primary alloy of 200 mm in diameter and 1.4 m in length is prepared from a press electrode 2 by 2-fold VAR melting as described above, without cracking problem.
  • As starting materials for the production of the pressing electrode 2 titanium sponge pure aluminum and master alloys are used.
  • the entire surface area of the ingot 3 becomes of the primary alloy Pure titanium sheet 15 with a thickness of 3 mm (mass 12 kg) wound and partially welded to the outer surface 16 of the ingot 3, as shown in Fig. 2 is shown.
  • the upper edge 17 of the titanium sheet 15 is completely welded over the circumference of the ingot 3 with this.
  • welding point 18 are set distributed over the lateral surface 16.
  • the self-consumable electrode thus assembled is remelted as a composite electrode 19 in a final melting step in the VAR furnace 1 to a ingot 3 having a diameter of 280 mm and the composition of the target alloy.
  • the target composition, the feeds used and the composition of the primary alloy correspond to Embodiment 1.
  • an ingot 3 having a diameter of 140 mm and a length of 1.8 m is manufactured by simply VAR-melting press electrodes 2.
  • the mass of the ingot is 115 kg.
  • a sheet of pure titanium with the dimensions circumference 628 mm x height 880 mm x thickness 3 mm (mass 7.6 kg) in the inserted inner surface.
  • the composition of the primary alloy ingot forming the base melt electrode 2 and the titanium sheet thus provide the target composition.
  • the remelting takes place in the lined with the titanium sheet copper crucible 4 to an intermediate electrode such that the outer skin of the titanium sheet is not completely melted with and remains as a stable shell.
  • an intermediate electrode such that the outer skin of the titanium sheet is not completely melted with and remains as a stable shell.
  • cracking may occur, but due to the mechanical stabilization by the ductile outer shell, this does not lead to cracking Drop down of electrode material in the melt reservoir 14 lead.
  • the target composition, the feeds used and the composition of the primary alloy correspond to the embodiment 1, also the production of the composite electrode 19.
  • the last remelting takes place in a so-called VAR skull melter, ie a vacuum arc melting device with a water-cooled, tiltable copper crucible.
  • the target material's molten alloy material is poured into permanent molds made of stainless steel, which are attached to a rotating casting wheel.
  • the casting bodies produced by centrifugal casting are used as starting material for the production of components from the target alloy.
  • a ⁇ - ⁇ -TiAl alloy according to U.S. Patent 6,669,791 has a composition (target alloy) of Ti - 43.0Al - 6.0V (at .-%) and Ti - A129.7 - V7.8 (m%).
  • the composition of the primary alloy is determined by the complete reduction of the strongly ⁇ -stabilizing element vanadium to Ti - 45.75A1 (at .-%) or Ti - A132.2 (m -%).
  • the starting materials used are titanium sponge, aluminum and vanadium.
  • a base melt electrode 2 is conventionally produced as an ingot of the binary TiAl primary alloy with a diameter of 200 mm and a length of 1 m by double VAR melting (mass 126 kg).
  • FIG. 3 shows, along the entire surface 16 of the base melt electrode 2 along axialaxialparallel eight vanadium rods 20 with a diameter of 16.7 mm and a length of 1 m (total mass 10.7 kg) each offset by 45 ° to each other and thus uniformly over the circumference of Electrode 2 distributed welded.
  • the resulting composite electrode 19 'of the binary primary alloy and the welded vanadium rods 20 is remelted in the final third melting process to an ingot of target alloy with a diameter of 300 mm in the VAR furnace 1.
  • the target composition of the ⁇ -TiAl alloy corresponds to that of Embodiment 1 (Ti - 43.5A1 - 4.0Nb - 1.0Mo - 0.1 B at .-%).
  • the composition of the primary alloy is determined by a complete reduction of the molybdenum content and a partial reduction of the titanium content to Ti - 49.63A1 - 4.57Nb - 0.11 B (at .-%).
  • a base melt electrode 2 having a diameter of 200 mm and a length of 1 m is produced by double VAR melting.
  • the ingot mass is 126 kg.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von γ-TiAl Basislegierungen mittels Vakuum-lichtbogen-Schmelzen (VAR), die vollständig oder zumindest teilweise primär über die β-Phase erstarren. Derartige Ziellegierungen sollen im Folgenden als β-γ-TiAl-Basislegierung bezeichnet werden.
  • Das technische Gebiet der vorliegenden Erfindung ist die schmelzmetallurgische Herstellung von β-γ-TiAl-Legierungen mittel Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen (VAR). Ursprünglich werden dabei ausgehend von den Rohstoffen Titanschwamm, Aluminium sowie Legienmgselementen und Vorlegierungen kompakte Körper gepresst, in denen die gewünschten Legierungsbestandteile in der stöchiometrisch passenden Form vorliegen. Gegebenenfalls werden hierbei durch das spätere Schmelzen verursachte Abdampfverluste vorgehalten. Die Presskörper werden entweder direkt mittels Plasmaschmelzen zu sogenannten Ingots eingeschmolzen (PAM) oder zu selbstverzehrenden Elektroden zusammengebaut und zu Ingots abgeschmolzen (VAR). In beiden Fällen entstehen Materialien, deren chemische und strukturelle Homogenität für eine technische Verwendung ungeeignet ist und die demzufolge noch mindestens einmal umgeschmolzen werden müssen (s. V. Guether: "Microstructure and Defects in γ-TiAl based Vacuum Arc Remelted Ingot Materials", 3rd Int. Symp. on Structural Intermetallics, September 2001, Jackson Hole WY, USA).
  • Aus der DE 101 56 336 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Legierungs-Ingots bekannt, das folgende Stufen aufweist:
    1. (i) Herstellung von Elektroden durch übliches Vennischen und Verpressen der ausgewählten Ausgangsstoffe,
    2. (ii) mindestens einmaliges Umschmelzen der in Stufe (i) erhaltenen Elektroden durch ein übliches schmelzmetallurgisches Verfahren,
    3. (iii) induktives Abschmelzen der in Stufe (i) oder (ii) erhaltenen Elektroden in einer Hochfrequenz-Spule,
    4. (iv) Homogenisieren der in Stufe (iii) erhaltenen Schmelze in einem Kaltwandinduktionstiegel und
    5. (v) Abziehen der Schmelze unter Kühlung aus dem Kaltwandinduktionstiegel von Stufe (iv) in Form von Blöcken mit frei einstellbarem Durchmesser.
  • Die DE 195 81 384 T1 beschreibt intermetallische TiAl-Verbindungen und Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei die Legierung durch Wärmebehandlung einer Legierung mit einer Ti-Konzentration von 42 bis 48 Atom-%, einer Al-Konzentration von 44 bis 47 Atom-%, einer Nb-Konzentration von 6 bis 10 Atom-% und einer Cr-Konzentration von 1 bis 3 Atom-% bei einer Temperatur im Bereich von 1.300 bis 1.400°C hergestellt wird.
  • Die DE 196 31 583 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines TiAl-Nb-Erzeugnisses aus einer Legierung, bei dem zunächst aus den Legierungskomponenten eine Legierungselektrode hergestellt wird. Die Ausbildung der Legierungselektrode erfolgt durch Pressung und/oder Sintern der Legierungskomponenten zu der Elektrode. Letztere wird durch eine Induktionsspule abgeschmolzen.
  • Aus der JP 02277736 A ist eine hitzebeständige TiAl-Basislegierung bekannt, bei der zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit und Duktilität spezifische Mengen von V und Cr in eine intermetallische Ti-Al-Verbindung eingebracht werden.
  • Die DE 1 179 006 A schließlich offenbart ternäre oder höhere Titan-Aluminium-Legierungen mit solchen Elementen, die die α- und β-Phase des Titans stabilisieren.
  • Übliches Verfahren zum Umschmelzen ist das Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen mit selbstverzehrender Elektrode, da die Anlagen zum PlasmaSchmelzen in der Regel nicht für die Zuführung von kompakten Ingots als Ausgangsmaterial ausgelegt sind. Im Falle von herkömmlichen, zweiphasig in Form lamellarer Kolonien aus der α2-Ti3Al-Phase und der γ-TiAl-Phase aufgebauten γ-TiAγ-Basislegierungen geschieht das Umschmelzen im Vakuum-Lichtbogen-Schmelzofen (VAR-Ofen) problemlos und führt zum gewünschten Ergebnis (s. V. Guether: "Status and Prospects of γ-TiAl Ingot Production", Int. Symp. on Gamma Titanium Aluminides 2003, Hrsg. H. Clemens, Y.-W. Kim and A.H. Rosenberger, San Diego, TMS 2004).
  • Eine neue Generation von γ-TiAl-Hochleistungswerkstoffen, z.B. die so bezeichneten TNM®-Legierungen der Anmelderin, besitzt einen von herkömmlichen TiAl-Legierungen abweichenden strukturellen Aufbau. Insbesondere aufgrund der Absenkung des Aluminium-Gehaltes auf üblicherweise 40 at.-% bis 45,5 Atom-%, aber auch aufgrund des Zulegierens von β-stabilisierenden Elementen wie beispielsweise Cr, Cu, Hf, Mn, Mo, Nb, V, Ta und Zr wird ein primärer Erstarrungspfad über die β-Ti-Phase eingestellt. Es entstehen dadurch sehr feine Gefüge, die neben lamellaren α2/γ-Kolonien auch globulare β-Körner und globulare γ-Körner, mitunter auch globulare α2-Körner enthalten. Werkstoffe mit derartigen Gefügen besitzen entscheidende Vorteile bezüglich der thermo-mechanischen Eigenschaften und der Prozessierbarkeit mittels Umformtechnologien (s. H. Clemens: "Design of Novel β-Solidifying TiAl Alloys with Adjustable β/B2-Phase Fraction and Excellent Hot-Workability", Advanced Engineering Materials 2008, 10, No.8, p. 707-713). Derartige Legierungen werden - wie eingangs bereits festgehalten - im Folgenden als β-γ-TiAl-Basislegierungen bezeichnet.
  • Nachteilig ist, dass es beim erneuten Umschmelzen von Elektroden aus diesem Material im VAR-Ofen zu Rissbildungen kommt, deren Resultat häufig das Abplatzen von Bestandteilen der selbstverzehrenden Legierungselektrode aus der Erstschmelzzone ist. Diese abgeplatzten Teile fallen in das Schmelzbad und werden darin nicht mehr vollständig wieder aufgeschmolzen. Dadurch entstehen strukturelle Defekte im Ingot, wodurch das Ingotmaterial unbrauchbar wird. Das Umschmelzen im VAR-Ofen ist unter diesen Verhältnissen nicht mehr technisch reproduzierbar möglich.
  • Als Ursache für das störende Abplatzverhalten werden massive Phasenumwandlungen im Temperaturbereich zwischen der eutektoiden Temperatur und der Phasengrenztemperatur zum β-Einphasengebiet angesehen. Durch die unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Phasenbestandteile kommt es insbesondere bei Phasenumwandlungen zu sprungartigen Veränderungen des integralen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung und als Folge davon zu inneren Spannungen, die die Festigkeit des Materials im gegebenen Temperaturbereich übersteigen.
  • Entsprechende Dilatometermessungen an einer TNM®-B1-Legierung (Ti - 43,5A1 - 4,0Nb - 1,0Mo - 0,1B at.-%) zeigen, dass sich der lineare Ausdehnungskoeffizient einer entsprechenden Legierungsprobe im Temperaturintervall zwischen 1.000 °C und 1.200°C von 9 x 10-6 auf 40 x 10-6 K-1 mehr als vervierfacht. Dieses Verhalten ist in der beigefügten Fig. 4 dargestellt, in der die Kurve A den linearen Ausdehnungskoeffizienten dieser Legierung wiedergibt. Die Kurve R stellt die Aufheizrate der Probe dar.
  • Während des VAR-Schmelzens zieht sich bezogen auf die Länge der selbstverzehrenden Elektrode ein Temperaturfeld von Schmelztemperatur (ca. 1570 °C) an der Elektrodenunterseite bis nahezu Raumtemperatur an der Elektrodenaufhängung durch das Material. Unweit der Schmelzfront wird das kritische Temperaturintervall zwischen 1000 und 1200 °C erreicht. Die relativ schlechte Duktilität des intermetallischen Werkstoffes führt dann in dieser Zone dazu, dass sich die dort bildenden Spannungen in Form von Rissen entladen, die wiederum zu dem geschilderten Abplatzen von ungeschmolzenen Stücken von der Elektrode führen.
  • Ausgehend von dieser geschilderten Problematik des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer über die β-Phase erstarrenden γ-TiAl-Basislegierung - im Folgenden kurz als β-γ-TiAl-Basislegierung bezeichnet - anzugeben, dass unter Umgehung der Rissbildungsproblematik zu einer zuverlässigen Produktion einer solchen Ziellegierung führt.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst:
    • Erschmelzen einer Basisschmelzelektrode einer herkömmlichen γ-TiAl-Primärlegierung mit einem defizitären Gehalt an Titan und/oder an mindestens einem β-stabilisierenden Element gegenüber der herzustellenden β-γ-TiAl-Basislegierung in mindestens einem ersten Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzschritt,
    • Zuordnen einer dem defizitären Gehalt des Titans und/oder β-stabilisierenden Elements entsprechenden Menge an Titan und/oder β-stabilisierendem Element zur Basisschmelzelektrode in gleichmäßiger Verteilung über deren Länge und Umfang, und
    • Zulegieren der zugeordneten Menge des Titans und/oder β-stabilisierenden Elements in die Basisschmelzelektrode zur Bildung der homogenen β-γ-TiAl-Basislegierung in einem letzten Vakuum-Lichtbogen-Schmelzschritt.
  • Die aufeinanderfolgenden Umschmelzschritte während des Vakuum-Lichtbogen-Schmelzens werden also unterteilt in das Schmelzen einer Primär-Legierung in den ersten Umschmelzschritten, wobei eine Basisschmelzelektrode aus einer herkömmlichen γ-TiAl-Primärlegierung hergestellt wird, und das Schmelzen der Ziellegierung in Form der gewünschten β-γ-TiAl-Basislegierung im jeweils letzten Umschmelzschritt. Die Primärlegierung besitzt ein Defizit an Titan und/oder ein Defizit an β-stabilisierenden Elementen wie z.B. Nb, Mo, Cr, Mn, V, und Ta. Dabei wird der Legierung beim Herstellen der gepressten Basisschmelzelektrode eine definierte Menge an Titan und/oder β-stabilisierenden Elementen entzogen, so dass sich ein Aluminium-Gehalt der Primärlegierung vorzugsweise zwischen 45 at.-% (besonders bevorzugt 45,5 at.-%) und 50 at.-% einstellt. Die Gehalte an Aluminium und an β-stabilisierenden Elementen werden so gewählt, dass der Erstarrungsweg der Primärlegierung zumindest teilweise über die peritektische Umwandlung erfolgt. Es wird damit ein Gefüge analog zu konventionellen TiAl Legierungen eingestellt, das sich problemlos im VAR-Ofen prozessieren lässt.
  • Im letzten Schmelzschritt wird durch die Zugabe der ursprünglich der Presselektrode entzogenen Materialien die Ziellegierung wieder eingestellt. Vorzugsweise werden diese Materialien als Mantel unter Bildung einer Komposit-Elektrode fest auf die Mantelfläche der Abschmelzelektrode aufgeschweißt, um ein Abfallen im festen Zustand in das Schmelzbad sicher auszuschließen. Auch ist es möglich, dies durch eine Manteleinlage des defizitären Legierungsanteils an der Innenseite der Umschmelzkokille des VAR-Ofens zu bewerkstelligen.
  • Überraschenderweise zeigt sich, dass sich bei geeigneter Auswahl und geeignet gleichverteiltem Anbringen der defizitären Legierungsbestandteile auf der Elektrodenmantelfläche keine negativen Folgen für die lokale chemische Homogenität des entstehenden Ingots der herzustellenden β-γ-TiAl-Basislegierung als Ziellegierung ergeben.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in weiteren Unteransprüchen angegeben, deren Einzelheiten und Merkmale sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen ergeben. Es zeigen:
    • Fig.1
    eine Prinzipskizze eines Vakuum-Lichtbogen-Schmelzofens,
    Fig. 2
    eine perspektivische Ansicht einer Komposit-Elektrode in einer ersten Ausführungsform,
    Fig. 3
    eine perspektivische Ansicht einer Komposit-Elektrode in einer zweiten Ausführungsform und
    Fig. 4
    ein Diagramm des linearen Ausdehnungskoeffizienten als Funktion der Temperatur einer TNM®-B1-Legierung.
  • Anhand von Fig. 1 soll grundsätzlich ein Vakuum-Lichtbogen-Schmelzofen 1 und das Verfahren zum Umschmelzen einer entsprechenden Elektrode 2 zu einem Ingot 3 erläutert werden. So weist der VAR-Ofen 1 einen Kupfertiegel 4 mit einer Bodenplatte 5 auf. Um diesen Kupfertiegel 4 herum ist ein Wasserkühlmantel 6 mit Wasserzulauf 7 und Wasserablauf 8 angeordnet. Der Kupfertiegel 4 ist ferner oben von einer Vakuumglocke 9 abgeschlossen, durch die an der Oberseite eine Hebestange 10 vertikal verschiebbar durchgreift. An dieser Hebestange 10 sitzt der Halter 11, an dem die eigentliche Elektrode 2 aufgehängt ist.
  • Über eine Gleichstromversorgung 12 wird zwischen Kupfertiegel 4 und Hebestange 10 eine Gleichspannung angelegt, aufgrund derer ein Hochstrom-Lichtbogen zwischen der mit der Hebestange 10 elektrisch verbundenen Elektrode 2 und dem Kupfertiegel 4 gezündet und aufrecht erhalten wird. Dieser führt zum Abschmelzen der Elektrode 2, wobei sich das abgeschmolzene Legierungsmaterial im Kupfertiegel 4 sammelt und dort erstarrt. In einem kontinuierlichen Prozess, bei dem zwischen der sich selbst verzehrenden Elektrode 2 über den Elektrodenlichtbogenspalt 13 der Lichtbogen zum geschmolzenen Reservoir 14 an der Oberseite des Ingots 3 läuft, wird die Elektrode 2 sukzessive zum Ingot 3 unter Homogenisierung der Legierungsbestandteile umgeschmolzen.
  • Dieser Vorgang kann mit im Durchmesser jeweils größeren Schmelztiegeln 4 mehrfach wiederholt werden, wobei der Ingot des einen Umschmelzschrittes zur Elektrode des nächsten Umschmelzschrittes wird. Damit wird der Homogenisierungsgrad der herzustellenden Ingots mit jedem Umschmelzschritt verbessert.
  • Im Folgenden werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung beschrieben:
    • Ausführungsbeispiel 1
  • Die Zielzusammensetzung der β-γ-TiAl-Legierung ist Ti - 43,5Al - 4,0Nb - 1,0Mo - 0,1B (at.-%) bzw. Ti - A128,6 - Nb9,1 - Mo2,3 - B0,03 (m-%). Die Zusammensetzung der Primärlegierung für die Basisschmelzelektrode wird durch eine Reduktion des Titangehaltes auf Ti - 45,93Al- 4,22Nb - 1,06Mo - 0,11B (at.-%) festgelegt. Zunächst wird konventionell aus einer Presselektrode 2 ein Ingot 3 der Primärlegierung mit 200 mm Durchmesser und einer Länge von 1,4 m durch 2-faches VAR-Schmelzen wie oben beschrieben hergestellt, ohne dass eine Rissproblematik auftritt. Als Einsatzmaterialien für die Herstellung der Presselektrode 2 werden Titan-Schwamm, Rein-Aluminium und Vorlegierungen verwendet.
  • Um den reduzierten Titangehalt in der Basisschmelzelektrode auf den gewünschten Wert der β-γ-TiAl-Legierung in der Ziellegierung anzuheben, wird die gesamte Mantelfläche des Ingots 3 aus der Primärlegierung ein Rein-Titanblech 15 mit einer Dicke von 3 mm (Masse 12 kg) gewickelt und teilweise mit der Mantelfläche 16 des Ingots 3 verschweißt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei wird die obere Kante 17 des Titanbleches 15 vollständig über den Umfang des Ingots 3 mit diesem verschweißt. Ferner werden Schweißpunkt 18 über die Mantelfläche 16 verteilt gesetzt. Die so zusammengebaute selbstverzehrende Elektrode wird als Komposit-Elektrode 19 in einem letzten Schmelzschritt im VAR-Ofen 1 zu einem Ingot 3 mit einem Durchmesser von 280 mm und der Zusammensetzung der Ziellegierung umgeschmolzen.
    • Ausführungsbeispiel 2
  • Die Zielzusammensetzung, die verwendeten Einsatzmaterialien und die Zusammensetzung der Primärlegierung entsprechen dem Ausführungsbeispiel 1. Aus der Primärlegierung wird durch einfaches VAR-Schmelzen von Presselektroden 2 ein Ingot 3 mit einem Durchmesser von 140 mm und einer Länge von 1,8 m hergestellt. Die Masse des Ingots beträgt 115 kg. In die vom Kupfertiegel 4 gebildete Kokille des VAR-Ofens 1 wird vor der letzten Schmelze des der Basisschmelzelektrode 2 ein Blech aus Rein-Titan mit den Abmessungen Umfang 628 mm x Höhe 880 mm x Dicke 3 mm (Masse 7,6 kg) in die innere Mantelfläche eingelegt. In Summe ergibt sich somit aus der Zusammensetzung des die Basisschmelzelektrode 2 bildenden Primärlegierungsingots und dem Titanblech die Zielzusammensetzung. Die Umschmelze erfolgt in den mit dem Titanblech ausgekleideten Kupfertiegel 4 zu einer Zwischenelektrode derart, dass die Außenhaut des Titanblechs nicht vollständig mit aufgeschmolzen wird und als stabile Hülle bestehen bleibt. Im nachfolgenden letzten VAR-Umschmelzschritt der Zwischenelektrode kann es zwar zu Rissbildungen kommen, die aber aufgrund der mechanischen Stabilisierung durch die duktile Außenhülle nicht zu einem Herunterfallen von Elektrodenmaterial in das Schmelzreservoir 14 führen.
    • Ausführungsbeispiel 3
  • Die Zielzusammensetzung, die verwendeten Einsatzmaterialien und die Zusammensetzung der Primärlegierung entsprechen dem Ausführungsbeispiel 1, ebenfalls die Herstellung der Komposit-Elektrode 19. Im Unterschied zu Ausführungsbeispiel 1 erfolgt deren letztes Umschmelzen in einem sogenannten, VAR skull melter', also einer Vakuum-Lichtbogen-Schmelzeinrichtung mit einem wassergekühlten, kippbaren Schmelztiegel aus Kupfer. Das im ,skull' befindliche schmelzflüssige Material der Ziellegierung wird in Permanentkokillen aus Edelstahl abgegossen, die an einem rotierenden Gießrad angebracht sind. Die so im Schleuderguss hergestellten Gießkörper werden als Vormaterial für die Herstellung von Bauteilen aus der Ziellegierung verwendet.
    • Ausführungsbeispiel 4:
  • Eine β-γ-TiAl Legierung gemäß US Patent 6,669,791 besitzt eine Zusammensetzung (Ziellegierung) Ti - 43,0Al - 6,0V (at.-%) bzw. Ti - A129,7 - V7,8 (m-%). Die Zusammensetzung der Primärlegierung wird durch die vollständige Reduktion des stark β-stabilisierenden Elementes Vanadium auf Ti - 45,75A1 (at.-%) bzw. Ti - A132,2 (m-%) festgelegt. Als Einsatzmaterialien werden Titan-Schwamm, Aluminium und Vanadium verwendet. Zunächst wird konventionell eine Basisschmelzelektrode 2 als Ingot der binären TiAl-Primärlegierung mit einem Durchmesser von 200 nun und einer Länge von 1 m durch zweifaches VAR-Schmelzen hergestellt (Masse 126 kg). Wie Fig. 3 zeigt, werden entlang der gesamten Mantelfläche 16 der Basisschmelzelektrode 2 längsaxialparallel acht Vanadiumstäbe 20 mit einem Durchmesser von 16,7 mm und einer Länge von 1 m (Masse insgesamt 10,7 kg) jeweils um 45° zueinander versetzt und damit gleichmäßig über den Umfang der Elektrode 2 verteilt aufgeschweißt. Die so entstandene Komposit-Elektrode 19' aus der binären Primärlegierung und den aufgeschweißten Vanadiumstäben 20 wird im abschließenden dritten Schmelzprozess zu einem Ingot der Ziellegierung mit einem Durchmesser von 300 mm im VAR-Ofen 1 umgeschmolzen.
    • Ausführungsbeispiel 5
  • Die Zielzusammensetzung der γ-TiAl-Legierung entspricht der des Ausführungsbeispiels 1 (Ti - 43.5A1 - 4,0Nb - 1,0Mo - 0,1 B at.-%). Die Zusammensetzung der Primärlegierung wird durch eine vollständige Reduktion des Molybdängehaltes und eine teilweise Reduktion des Titangehaltes auf Ti - 49,63A1 - 4,57Nb - 0,11 B (at.-%) festgelegt. Aus der Primärlegierung wird durch zweifaches VAR-Schmelzen eine Basisschmelzelektrode 2 mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 1 m hergestellt. Die Ingotmasse beträgt 126 kg. Auf die Mantelfläche 16 der Elektrode 2 werden analog zu Ausführungsbeispiel 4 längsaxialparallel acht Stäbe aus der kommerziellen Legierung TiMo15 aufgeschweißt. Der Durchmesser der Stäbe beträgt 26 mm, die Länge der Stäbe entspricht der Ingotlänge. Die Gesamtmasse der TiMo15 Stäbe beträgt 19,6 kg. Die so entstandene Komposit-Elektrode aus einem Ingot der Primärlegierung und acht TiMo15 Stäben wird im abschließenden dritten Schmelzprozess zu einem Ingot der Ziellegierung mit einem Durchmesser von 300 mm im VAR-Ofen 1 umgeschmolzen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer über die β-Phase erstarrenden γ-TiAl-Basislegierung (β-γ-TiAl-Basislegierung) durch Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen,
    gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    - Erschmelzen einer Basisschmelzelektrode (2) einer herkömmlichen γ-TiAl-Primärlegierung mit einem defizitären Gehalt an Titan und/oder an mindestens einem β-stabilisierenden Element gegenüber der herzustellenden β-γ-TiAl-Basislegierung in mindestens einem ersten Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzschritt,
    - Zuordnen einer dem defizitären Gehalt des Titans und/oder β-stabilisierenden Elements entsprechenden Menge an Titan und/oder β-stabilisierendem Element zur Basisschmelzelektrode (2) in gleichmäßiger Verteilung über deren Länge und Umfang, und
    - Zulegieren der zugeordneten Menge des Titans und/oder β-stabilisierenden Elements in die Basisschmelzelektrode zur Bildung der homogenen β-γ-TiAl-Basislegierung in einem letzten Vakuum-Lichtbogen-Schmelzschritt.
  2. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschmelzelektrode (2) der herkömmlichen γ-TiAl-Primärlegierung einen Aluminiumgehalt von 45 at.-% bis 50 at.-% aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschmelzelektrode (2) ein Defizit von Titan und/oder mindestens einem in TiAl-Legierungen β-stabilisierend wirkenden Element aus der Gruppe von B, Cr, Cu, Hf, Mn, Mo, Nb, Si, Ta, V und Zr aufweist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschmelzelektrode (2) durch ein- oder mehrmaliges Umschmelzen einer die Legierungsbestandteile der Basisschmelzelektrode (2) in homogener Verteilung aufweisenden Presselektrode hergestellt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zuordnen der dem defizitären Gehalt des Titans und/oder des β-stabilisierenden Elements entsprechenden Menge an Titan und/oder β-stabilisierendem Element zur Basisschmelzelektrode eine Komposit-elektrode (19, 19') hergestellt wird, die aus der Basisschmelzelektrode (2) und einer über deren Umfang und Länge gleichmäßigen Lage (15) entsprechender Dicke aus Titan und/oder dem β-stabilisierenden Element besteht.
  6. Verfahren zur Herstellung einer β-y-TiAl-Basislegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage aus einem sich über die Länge der Basisschmelzelektrode (2) erstreckenden Titanblech-Mantel (15) besteht.
  7. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Titanblech-Mantel (15) mit gleichmäßig über seine Mantelfläche (16) verteilten Schweißpunkten (18) und/oder einer an der oberen Kante (17) der Schweißelektrode (2) über deren gesamten Umfang verlaufenden Schweißnaht an der Basisschweißelektrode befestigt ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Titanblech-Mantel (15) durch eine Mantelauskleidung an der Innenseite der Umschmelzkokille (4) des Vakuum-Lichtbogen-Schmelzofens (1) gebildet wird, wobei in einem Zwischenumschmelzschritt der Titanblech-Mantel (15) an die Basisschmelzelektrode (2) unter Bildung einer Zwischenelektrode angeschmolzen und anschließend die Zwischenelektrode in einem letzten Vakuum-Lichtbogen-Schmelzschritt zur Bildung der homogenen β-γ-TiAI-Basislegierung umgeschmolzen wird.
  9. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zuordnen der dem defizitären Gehalt des Titans und/oder β-stabilisierenden Elements entsprechenden Menge an Titan und/oder β-stabilisierendem Element zur Basisschmelzelektrode eine Kompositelektrode (19') hergestellt wird, die aus der Basisschmelzelektrode (2) und mehreren dazu längsaxialparallel angeordneten, gleichmäßig über den Umfang der Basisschmelzelektrode verteilten Stäben (20) entsprechender Dicke aus Titan und/oder dem β-stabilisierenden Element besteht.
  10. Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der letzte Vakuum-Lichtbogen-Schmelzschritt zur Bildung der homogenen β-γ-TiAI-Basislegierung in einer Vakuum-Lichtbogen-Skull-Schmelzeinrichtung durchgeführt wird, wonach das schmelzflüssige Material der β-γ-TiAl-Basislegierung zu Gießkörpern durch Feinguss oder Kokillenguss aus der β-γ-TiAl-Basislegierung abgegossen wird.
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