EP2807281B1 - Verfahren zur herstellung geschmiedeter bauteile aus einer tial-legierung und entsprechend hergestelltes bauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung geschmiedeter bauteile aus einer tial-legierung und entsprechend hergestelltes bauteil Download PDF

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EP2807281B1
EP2807281B1 EP13705380.7A EP13705380A EP2807281B1 EP 2807281 B1 EP2807281 B1 EP 2807281B1 EP 13705380 A EP13705380 A EP 13705380A EP 2807281 B1 EP2807281 B1 EP 2807281B1
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    • F05D2300/174—Titanium alloys, e.g. TiAl

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component from a TiAl alloy, in which the component is formed by forging, in particular by isothermal forging, and is then subjected to a heat treatment.
  • the present invention relates to a correspondingly manufactured component.
  • a method according to the features of the preamble of claim 1 is for example from EP 2 386 663 A1 known.
  • TiAl alloys the main components of which are titanium and aluminum, are characterized by the fact that they have a high strength due to the formation of intermetallic phases, such as ⁇ -TiAl, which have a high proportion of covalent bonding forces within the metallic bond, with sufficient ductility, especially high temperature resistance. In addition, they have a low specific weight, so that the use of titanium aluminides or TiAl alloys is suitable as in high-temperature applications, for example in flow machines, in particular gas turbines or aircraft engines.
  • TNM alloys By adding certain alloy components, such as niobium and molybdenum, the property profile of the TiAl alloys can be further optimized.
  • Such alloys with a niobium and molybdenum content are also referred to as so-called TNM alloys,
  • alloys are used in aircraft engines, for example, as guide vanes or rotor blades and are brought into the appropriate component shape by forging.
  • isothermal forging can be used here with subsequent heat treatment to adjust the structure and the property profile.
  • blisk artificial word for blade and disk
  • one-piece blade and disk units so-called blisk (artificial word for blade and disk) can also be produced.
  • due to differences in the chemical composition across the component there may be a different phase composition within a component made of a TiAl material during manufacture, which results in an uneven distribution of the property profile in the component, resulting in corresponding fluctuations in the properties
  • Such components can no longer be used across the component if they are outside the specified specification for the component. This leads to high reject rates.
  • the present invention it is proposed to carry out at least one first heat treatment after forging in a component made of a TiAl alloy, i.e. an alloy in which the alloy components with the highest proportion of the alloy composition are titanium and aluminum, after forging, in which at least In one process step, the component is at a temperature between 1100 ° C and 1200 ° C for 6 to 10 hours and is then cooled.
  • a component made of a TiAl alloy i.e. an alloy in which the alloy components with the highest proportion of the alloy composition are titanium and aluminum
  • This first heat treatment is referred to as homogenization annealing, as it homogenizes the material composition over the component and dissolves existing concentration points.
  • the cooling rate can be between 1 ° C / s and 5 ° C / s.
  • the component is heated in a second heat treatment above the solvus line of ⁇ -TiAl.
  • a second heat treatment the ⁇ -TiAl contained in the structure is at least partially converted into another solid phase, such as ⁇ -TiAl, so that a desired or adapted phase composition is made possible in the TiAl alloy and in particular depending on the chemical composition of the
  • the heat treatment can be specially tailored to the specific chemical composition and its distribution in the component.
  • the component is rapidly cooled above the solvus line of the ⁇ -TiAl in order to largely freeze the phase composition set at the heat treatment temperature. Rapid cooling is achieved by quenching in water or oil or by air cooling with a fan.
  • the cooling can take place so quickly that a conversion of the ⁇ -TiAl additionally formed during the second heat treatment into a lamellar structure of ⁇ -TiAl and ⁇ -TiAl is avoided.
  • the second heat treatment can be carried out at a temperature at which it is avoided to get into a single-phase phase field of the TiAl phase diagram, such as the ⁇ -TiAl phase field, in order to reduce the risk of coarse grain growth occurring during a heat treatment in a single-phase phase field prevent.
  • the second heat treatment can be carried out for a period of time which ensures sufficient conversion of the ⁇ -TiAl into another phase, in particular ⁇ -TiAl, so that the desired phase composition can be achieved.
  • the temperature in the second heat treatment above the ⁇ -TiAl solvus line can be at a temperature of 20 ° C. to 50 ° C., in particular 25 ° C. to 35 ° C., preferably about 30 ° C. above the ⁇ -TiAl solvus - Line to be chosen.
  • the method is used for components made of a TiAl alloy with 42 to 45 at.% Titanium, in particular 42.5 - 54.5 at.% Titanium, 3.5 to 4.5 at.% Niobium, in particular 4.0 to 4.2 at% niobium, 0.75 to 1.5 at% molybdenum, in particular 0.9 to 1.2 at% molybdenum, and 0.05 to 0.15 at .-% boron, in particular 0.1 to 0.12 at .-% boron, and the remainder aluminum and unavoidable impurities.
  • Such an alloy has a phase composition with corresponding proportions of ⁇ -TiAl which makes the use of the method according to the invention particularly advantageous.
  • a third heat treatment in the temperature range from 800 ° C. to 950 ° C. for 5 to 7 hours can also be carried out in order to stabilize the material structure in the component (stabilization annealing).
  • components of a turbomachine can be produced, in particular a gas turbine or an aircraft engine, such as in particular rotor blades, guide vanes, or turbine blisks, which have a variably adjustable property profile based on an adapted phase composition.
  • the attached drawing in the single figure shows a so-called TNM phase diagram for a material in which the present invention can be implemented.
  • a material for a component produced according to the invention has a composition in the range from 42 to 45 at.% Titanium, 3.5 to 4.5 at.% Niobium, 0.75 to 1.5 at.% Molybdenum, and 0 .05 to 0.15 atom% boron with the remainder aluminum and unavoidable impurities.
  • a corresponding component can, for example, be isothermally forged until it has the raw contour of the component to be finally produced.
  • the material of the component is homogenized by a first heat treatment at, for example, 1150 ° C for 8 hours.
  • the component is then annealed in a second heat treatment at a temperature of, for example, 1290 ° C (i.e. above the Solvus line (1)) for a predetermined period of time in order to bring about a partial conversion of the ⁇ -TiAl to ⁇ -TiAl, so that ⁇ -TiAl and ⁇ -TiAl are present next to each other in the structure.
  • the temperature treatment can be carried out until a sufficient amount of ⁇ -TiAl has been converted into ⁇ -TiAl for the desired phase composition.
  • the component is then quickly cooled, for example by quenching in water (10min) or in oil or by cooling with a fan. This fan cooling takes place in an oven, the temperature being reduced to 850 ° C. and held for 6 hours.
  • the ⁇ - and ⁇ -TiAl structure set at the temperature of the second heat treatment i.e. at a temperature of 1290 ° C.
  • the heat treatment temperature 1290 ° C, it is also avoided that the ⁇ -TiAl is completely converted into ⁇ -TiAl, which would lead to the risk of coarse grain growth with a corresponding temperature treatment.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung, bei welchem das Bauteil durch Schmieden, insbesondere durch isothermes Schmieden geformt und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil. Ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist zum Beispiel aus der EP 2 386 663 A1 bekannt.
    • STAND DER TECHNIK
  • TiAl-Legierungen, deren Hauptbestandteile Titan und Aluminium sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch Ausbildung von intermetallischen Phasen, wie beispielsweise γ-TiAl, die einen hohen Anteil kovalenter Bindungskräfte innerhalb der metallischen Bindung aufweisen, bei ausreichender Duktilität über eine hohe Festigkeit, insbesondere Hochtemperaturfestigkeit, verfügen. Zudem besitzen sie ein geringes spezifisches Gewicht, sodass der Einsatz der Titanaluminide bzw. von TiAl-Legierungenwie bei Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise bei Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen oder Flugtriebwerken, geeignet ist.
  • Durch Zugabe bestimmter Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Niob und Molybdän, können das Eigenschaftsprofil der TiAl-Legierungen weiter optimiert werden. Derartige Legierungen mit Niob- und Molybdän-Anteil werden auch als sogenannte TNM-Legierungen bezeichnet,
  • Diese Legierungen werden in Flugtriebwerken beispielsweise als Leit- oder Laufschaufeln eingesetzt und werden durch Schmieden in die entsprechende Bauteilform gebracht. Insbesondere kann hier isothermes Schmieden mit nachfolgendender Wärmebehandlung zur Einstellung des Gefüges und des Eigenschaftsprofils eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich auch einstückige Schaufel-Scheiben-Einheiten, sogenannte blisk (Kunstwort für blade and disk) herstellen. Allerdings kann es bei der Herstellung auf Grund von Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung über das Bauteil hinweg zu einer unterschiedlichen Phasenzusammensetzung innerhalb eines Bauteils aus einem TiAl - Werkstoff kommen, was eine ungleichmäßige Verteilung des Eigenschaftsprofils im Bauteil zur Folge hat, sodass aufgrund entsprechender Schwankungen der Eigenschaften über das Bauteil hinweg derartige Bauteile nicht mehr einsetzbar sind, wenn sie außerhalb der vorgegebenen Spezifikation für das Bauteil liegen. Dadurch kommt es zu hohen Ausschussraten.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einer TiAl-Legierung über eine schmiedetechnische Herstellungsroute anzugeben, bei denen die Probleme des Standes der Technik insbesondere im Hinblick auf inhomogene Eigenschaften des Bauteils behoben werden und insbesondere ein Bauteil aus einer TiAl-Legierung in einfacher Weise mit einem gewünschten Eigenschaftsprofil hergestellt werden kann, wobei vor allem auf die spezifische chemische Zusammensetzung und deren Streuung im Bauteil eingegangen werden kann.
    • TECHNISCHE LOSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, bei einem schmiedetechnisch hergestellten Bauteil aus einer TiAl-Legierung, also einer Legierung, bei der die Legierungsbestandteile mit dem höchsten Anteil an der Legierungszusammensetzung Titan und Aluminium sind, nach dem Schmieden mindestens eine erste Wärmebehandlung vorzunehmen, bei der zumindest in einem Verfahrensschritt das Bauteil auf eine Temperatur zwischen 1100°C und 1200°C für 6 bis 10 Stunden liegt und anschließend abgekühlt wird.
  • Durch die vorhergehenden Herstellungsschritte erfährt das TiAl-Material eine teilweise Entrnischung. Diese erste Wärmebehandlung wird als Homogenisierungsglühen bezeichnet, da damit die Materialzusammensetzung über das Bauteil homogenisiert wird und bestehende Konzentrationsstelle aufgelöst werden. Dabei kann die Abkühlrate zwischen 1°C/s und 5°C/s betragen.
  • In einer bevorzugten ersten Ausführungsform wird das Bauteil in einer zweiten Wärmebehandlung über der Solvus-Linie von γ-TiAl erwärmt. Durch eine derartige zweiten Wärmebehandlung wird im Gefüge das enthaltene γ-TiAl zumindest teilweise in eine andere feste Phase, wie z.B. α-TiAl umgewandelt, sodass eine gewünschte bzw. angepasste Phasenzusammensetzung in der TiAl-Legierung ermöglicht wird und insbesondere abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Bauteils durch Variation der Phasenzusammensetzung eine Einstellung optimaler mechanischer Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Gesamtdehnung und der Kriechfestigkeit möglich wird. Die Wärmebehandlung kann hierbei speziell auf die spezifische chemische Zusammensetzung und deren Streuung im Bauteil abgestimmt werden. Im Vergleich zur bisherigen Vorgehensweise, bei der zwar nach dem Schmieden ebenfalls eine Wärmebehandlung zur Erholung des Gefüges durchgeführt worden ist, kommt es jedoch bei einer Auslagerung des Bauteils bei einer Temperatur oberhalb der Solvus-Linie des y - TiAl im entsprechenden Phasendiagramm zu einer Änderung der Phasenzusammensetzung, welche eine variable Einstellung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils ermöglicht. Diese zweite Wärmebehandlung bezeichnet man als Rekristallisationsglühen.
  • Erfindungsgemäß wird das Bauteil nach der zweiten Wärmebehandlung über der Solvus-Linie des γ-TiAl schnell abgekühlt, um die bei der Wärmebehandlungstemperatur eingestellte Phasenzusammensetzung weitgehend einzufrieren. Eine schnelle Abkühlung erfolgt durch Abschrecken in Wasser oder Öl oder durch Luftkühlung mit einem Gebläse.
  • Die Abkühlung kann so schnell erfolgen, dass eine Umwandlung von bei der zweiten Wärmebehandlung zusätzlich gebildetem α-TiAl in eine Lamellenstruktur aus α-TiAl und γ-TiAl vermieden wird.
  • Darüber hinaus kann die zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden, bei der vermieden wird, in ein einphasiges Phasenfeld des TiAl-Phasendiagramms zu gelangen, wie beispielsweise das α-TiAl Phasenfeld, um die bei einer Wärmebehandlung in einem einphasigen Phasenfeld auftretende Gefahr des Grobkornwachstums zu unterbinden.
  • Die zweite Wärmebehandlung kann für eine Zeitdauer durchgeführt werden, die eine ausreichende Umwandlung des γ - TiAl in eine andere Phase, insbesondere α - TiAl, gewährleistet, so dass die gewünschte Phasenzusammensetzung erreicht werden kann.
  • Die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung über der γ - TiAl - Solvus - Linie kann bei einer Temperatur von 20°C bis 50°C, insbesondere 25°C bis 35°C, vorzugsweise ca. 30°C über der γ - TiAl - Solvus - Linie gewählt werden.
  • Das Verfahren wird für Bauteile eingesetzt, die aus einer TiAl-Legierung mit 42 bis 45 At.- % Titan, insbesondere 42,5 - 54,5 At.-% Titan, 3,5 bis 4,5 At.-% Niob, insbesondere 4,0 bis 4,2 At.-% Niob, 0,75 bis 1,5 At.-% Molybdän, insbesondere 0,9 bis 1,2 At.-% Molybdän, und 0,05 bis 0,15 At.-% Bor, insbesondere 0,1 bis 0,12 At.-% Bor, sowie dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen. Bei einer derartigen Legierung liegt eine Phasenzusammensetzung mit entsprechenden Anteilen des γ - TiAl vor, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft macht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann zusätzlich eine dritte Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 Stunden durchgeführt werden, um das Materialgefüge im Bauteil zu stabilisieren (Stabilisierungsglühen).
  • Mit einem entsprechenden Verfahren können Bauteile einer Strömungsmaschine hergestellt werden, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, wie insbesondere Laufschaufeln, Leitschaufeln, oder Turbinenbliske, die ein variabel einstellbares Eigenschaftsprofil aufgrund einer angepassten Phasenzusammensetzung aufweisen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
  • Die beigefügte Zeichnung in der einzigen Figur zeigt ein sogenanntes TNM-Phasendiagramm für einen Werkstoff, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht werden kann.
    • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Ein Werkstoff für ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil weist eine Zusammensetzung im Bereich von 42 bis 45 At.-% Titan, 3,5 bis 4,5 At.-% Niob, 0,75 bis 1,5 At.-% Molybdän, sowie 0,05 bis 0,15 At.-% Bor mit Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen auf. Ein entsprechendes Bauteil kann beispielsweise isotherm geschmiedet werden, bis es die Rohkontur des endgültig herzustellenden Bauteils aufweist.
  • Als erstes wird das Material des Bauteils durch eine erste Wärmebehandlung bei bspw. 1150°C für 8 Stunden homogenisiert.
  • Das Bauteil wird in einer zweiten Wärmebehandlung dann bei einer Temperatur von beispielsweise 1290°C (also oberhalb der Solvus-Linie(1)) für eine vorbestimmte Zeitdauer geglüht, um eine teilweise Umwandlung des γ-TiAls in α-TiAl zu bewirken, sodass α-TiAl und γ-TiAl nebeneinander im Gefüge vorliegen. Die Temperaturbehandlung kann dabei solange durchgeführt werden, bis für die gewünschte Phasenzusammensetzung eine ausreichende Menge an γ-TiAl in α-TiAl umgewandelt worden ist.
  • Danach wird das Bauteil schnell abgekühlt, beispielsweise durch Abschrecken in Wasser (10min) oder in Öl oder durch Abkühlung mit einem Gebläse. Diese Gebläseabkühlung erfolgt in einem Ofen, wobei die Temperatur auf 850°C gesenkt und für 6 Stunden gehalten wird. Dadurch wird das bei der Temperatur der zweiten Wärmebehandlung, also bei einer Temperatur von 1290°C, eingestellte α- und γ-TiAl- Gefüge weitgehend eingefroren und eine Umwandlung der α-Phase in α/γ-Lamellen vermieden. Durch die Wahl der Wärmebehandlungstemperatur in Höhe von 1290°C wird zudem vermieden, dass das γ-TiAl vollständig in α-TiAl umgewandelt wird, was bei einer entsprechenden Temperaturbehandlung zu der Gefahr des Grobkornwachstums führen würde.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl - Legierung mit 42 bis 45 At.-% Ti, 3,5 bis 4,5 At.-% Nb, 0,75 bis 1,5 At.-% Mo, 0,05 bis 0,15 At.-% B und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, bei welchem das Bauteil durch Schmieden, insbesondere isothermes Schmieden, geformt und nachfolgend mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei bei einer ersten Wärmebehandlung die Temperatur zwischen 1100 und 1200°C liegt und für 6 bis 10 Stunden gehalten wird und anschließend das Bauteil abgekühlt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei einer zweiten Wärmebehandlung das Bauteil auf eine Temperatur über der Solvus - Linie (1) von γ - TiAl erwärmt wird und das Bauteil nach der zweiten Wärmebehandlung über der Solvus-Linie (1) durch Abschrecken in Wasser oder Öl oder durch Luftkühlung mit einem Gebläse schnell abgekühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abkühlrate nach der ersten Wärmebehandlung zwischen 1°C/s und 5°C/s liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil nach der zweiten Wärmebehandlung so schnell abgekühlt wird, dass eine Umwandlung des α - TiAl in eine Lamellenstruktur aus α - TiAl und γ - TiAl unterdrückt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Temperatur oberhalb der Solvus - Linie (1) so lange gehalten wird, bis eine gewünschte Phasenzusammensetzung aus α - TiAl und γ - TiAl erreicht ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Temperatur bei der zweiten Wärmebehandlung 20°C bis 50°C, insbesondere 25°C bis 35°C, vorzugsweise ca. 30°C über der Solvus - Linie gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil aus einer TiAl - Legierung mit 42,5 bis 44,5 At.-% Ti, 4 bis 4,2 At.-% Nb, 0,9 bis 1,2 At.-% Mo, 0,1 bis 0,12 At.-% B und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Formung des Bauteils durch isothermes Schmieden erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Formung des Bauteils durch Feingießen und nachfolgend heiß-isostatisches Pressen erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verfahren eine dritte Wärmebehandlung zur Stabilisierung im Temperaturbereich von 800°C bis 950°C für 5 bis 7 Stunden umfasst.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Temperatur bei mindestens einer Wärmebehandlung mit einer Genauigkeit von 5°C bis 10°C Abweichung von der Solltemperatur nach oben und unten eingestellt und gehalten wird.
  11. Bauteil, das mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist.
  12. Bauteil nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es ein Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks ist, insbesondere eine Laufschaufel, Leitschaufel oder Turbinenblisk ist.
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