EP3109337A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von tial schmiedebauteilen - Google Patents

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EP3109337A1
EP3109337A1 EP16175160.7A EP16175160A EP3109337A1 EP 3109337 A1 EP3109337 A1 EP 3109337A1 EP 16175160 A EP16175160 A EP 16175160A EP 3109337 A1 EP3109337 A1 EP 3109337A1
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EP
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tial
mold
cast
semi
alloy
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EP16175160.7A
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Martin Schloffer
Wilfried Smarsly
Marc Haltrich
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines AG
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    • 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
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • 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
    • B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • 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
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    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis
    • B22D13/023—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis the longitudinal axis being horizontal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D13/10—Accessories for centrifugal casting apparatus, e.g. moulds, linings therefor, means for feeding molten metal, cleansing moulds, removing castings
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/005—Castings of light metals with high melting point, e.g. Be 1280 degrees C, Ti 1725 degrees C
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for producing forged components from TiAl alloys, in particular for turbomachines, such as stationary gas turbines or aircraft engines.
  • Components made of TiAl materials which comprise titanium and aluminum as their main components, are very interesting for applications in which components have to be moved quickly, for example as blades of turbomachinery, since they have high strength at a low specific weight.
  • such materials are difficult to process, since to achieve the desired property profile of the components, the materials must have a defined microstructure with a specific microstructure.
  • a suitable device for carrying out the method should be provided.
  • the invention proposes to produce TiAl components from TiAl materials by forging, using as semifinished product for forging a TiAl cast semi-finished product which is produced by horizontal centrifugal casting. It has been shown that TiAl cast semi-finished products produced by horizontal centrifugal casting can advantageously be used for further processing by forging in order to provide TiAl components with a particularly advantageous property profile for use in turbomachines in a simple and efficient manner.
  • the horizontal centrifugal casting which is to be used according to the present invention for the production of TiAl - cast semi-finished products for the subsequent forging, is characterized in that a mold, in which the melt of the material to be cast is filled and provides the corresponding shapes for the semi-finished products is rotated about a horizontal axis.
  • Horizontal means that the axis is aligned transversely, in particular perpendicular to the direction of gravity, with deviations by a few degrees in the context of technical implementation accuracy are allowed, ie, for example, deviations of up to +/- 10 °, preferably +/- 5 °.
  • TiAl alloy is understood to mean a material comprising as its main components titanium and aluminum, so that they form the largest alloy constituents.
  • materials which have intermetallic phases such as ⁇ 2 -Ti 3 Al and ⁇ -TiAl, and preferably also as constituents, which account for the largest part of a component made from such a material in terms of volume.
  • the TiAl alloy can be a so-called TNM alloy, which contains niobium and molybdenum as further constituents, since such alloys have particularly good mechanical properties for use in turbomachines.
  • it may be a TNM alloy having a composition of 43.5% by weight of aluminum, 4% by weight of niobium, 1% by weight of molybdenum and 0.1% by weight of boron and the remainder titanium and unavoidable impurities and / or alloy constituents with proportions of ⁇ 0.5% by weight up to a total of ⁇ 5% by weight. %, in particular ⁇ 2% by weight.
  • the aluminum content of such an alloy may be in the range from 40 to 50% by weight, in particular 42 to 45% by weight, while the niobium content may be in the range from 2 to 6% by weight and in particular 3 to 5% by weight.
  • the molybdenum content may range from 0.5 to 2 weight percent, while boron may range from 0.05 weight percent to 0.15 weight percent.
  • the TiAl cast semi-finished product which can be produced by horizontal centrifugal casting may have a shape selected from the group comprising cylinders, cones and rings, since these forms are favorable starting materials for the subsequent forging process.
  • the TiAl cast semi-finished product can be cast by centrifugal casting so that the corresponding shapes, such as cylinders, cones, rings, are produced as separate cast semi-finished products.
  • TiAl cast semi-finished products in the form of rings or tubes with a length of 5 to 300 cm and / or wall thicknesses of 4 to 30 cm and / or inner diameters of 10 to 100 cm can be poured off as individual castings.
  • the cast semi-finished product can be produced with a microstructure which has colonies of .alpha.-titanium and .gamma.-TiAl in a .beta.-titanium matrix, where .beta -TiAl excretions may be present.
  • the ⁇ -TiAl precipitates in the ⁇ -titanium matrix can be lenticular and / or the colonies of ⁇ -titanium and ⁇ -TiAl can have an elongated shape. Further, the ⁇ -TiAl may be provided in the colonies in the form of fine fins.
  • the phase composition of the TiAl cast semi-finished product may already be close to the equilibrium phase composition at room temperature and may vary only up to 10% by volume, and more preferably up to 8% by volume, from the equilibrium composition at room temperature. This means that the cast semi-finished product has phases other than on the order of up to 10% by volume and up to 8% by volume, respectively, than should be the case for the equilibrium composition at room temperature.
  • the TiAl cast semi-finished product After the TiAl cast semi-finished product has been produced, it can be fabricated with one or more forming steps by forging and / or with at least one heat treatment to form a TiAl component or TiAl semifinished product, which can be produced only by slight reworking to the desired TiAl component.
  • the post-processing can in particular include the corresponding surface treatment or the deburring or de-edgeing.
  • a TiAl cast semi-finished product in the form of a ring can be forged to form an annular disk from which corresponding blades for turbomachines can be cut out.
  • the TiAl melt is heated at a sufficiently high temperature, i. in an overheated state can be introduced into the mold
  • an inductively heatable feeder in the apparatus for horizontal centrifugal casting, by means of which the melt is introduced into the mold.
  • the feeder can be surrounded by at least one coil.
  • the feeder may be embodied as an open-topped trough, which may be cooled by a fluid, such as water, and which may preferably be formed from copper, niobium or molybdenum materials. Copper, niobium or molybdenum materials are understood to mean those materials which contain copper, niobium or molybdenum as the main constituent.
  • the mold may be formed of a steel and / or copper and / or niobium material to allow rapid heat dissipation. Copper and niobium materials are in turn understood to mean materials which contain copper or niobium as the main constituent.
  • the mold may also include suitable cooling channels for fluids such as water and the like.
  • FIG. 1 shows in a schematic sectional view of an apparatus and a method for centrifugal casting of TiAl - cast semi-finished products according to the present invention, from which subsequently by forming by forging TiAl - components are produced, which can be used in particular in turbomachines, such as aircraft engines.
  • the apparatus comprises a mold 1 having a plurality of molds 3, 3 'into which the casting material is filled.
  • the mold 1 of the embodiment, which in FIG. 1 is shown it is in the forms 3, 3 'to molds for the production of cones and cylinders, which are arranged along the longitudinal axis 2 of the mold 1 and along the peripheral wall of the mold 1 spaced from each other.
  • the mold 1 is in centrifugal casting, with which the molds 3, 3 'of the mold 1 are filled with appropriate molten liquid, rotated about the Kokillenl Kunststoffsachse 2, so that the casting material, for. in the form of a TiAl alloy, which is molten introduced into the mold 1, by which centrifugal force is forced into the molds 3, 3 '.
  • the molten TiAl alloy 9 is provided from a crucible 6, which can be heated by a heater 7, wherein the molten TiAl alloy is introduced into the mold 1 via a feeder 5.
  • FIG. 1 can be seen, the feeder 5 is moved in the mold 1 along the longitudinal axis 2, so that successively arranged along the longitudinal axis 2 spaced molds 3, 3 'can be filled.
  • cooling channels 4 are provided in the mold 1 through which cooling liquid, such as water, can flow.
  • the feeder 5 is provided with an induction heater 8, wherein a coil is provided for the induction heater 8 is, which is arranged around an upwardly open channel of the feeder 5.
  • the molten TiAl alloy 9 can be held inductively at temperature on its way via the feeder 5 to the molds 3, 3 '.
  • FIG. 2 shows the mold 1 after the horizontal centrifugal casting, wherein all molds 3, 3 'are filled with the cast TiAl material and the TiAl cast semi-finished products in the form of cones 10 and cylinders 11 can be removed, wherein the mold 1, as later in In another embodiment, can be decomposed into corresponding items to remove the TiAl - cast semi-finished products.
  • FIG. 3 shows the mold 1 in a perspective view, in which case the individual forms 3, 3 'and their spaced arrangement in the circumferential direction and longitudinal direction of the cylindrical mold 1 can be clearly seen.
  • a plurality of cooling channels 4 are arranged side by side in the peripheral wall of the mold 1 and run in the longitudinal direction of the mold 1.
  • FIGS. 4 to 7 show a further exemplary embodiment of the method according to the invention and the device for producing spin cast TiAl casting semi - finished products as a precursor for the production of forged TiAl components.
  • the second embodiment differs from the previous embodiment only in that differently shaped TiAl cast semi-finished products 12 are formed and, correspondingly, the mold 1 has other shapes 3 "Instead of the cones and cylinders as used in the exemplary embodiment of FIGS FIGS. 1 to 3 are made according to the embodiment of the FIG. 4 a plurality of rings or tubes 12 (see FIG. 5 ), wherein the corresponding molds 3 "are formed by circumferential indentations in the mold wall 1.
  • the method or device differs according to FIG FIG. 4 not further compared to the embodiment of FIG. 1 so that the same components are given the same reference numerals and a repeated description of these identical components is omitted.
  • FIG. 7 illustrates in a compilation in the diagrams a) to e) the sequence of the inventive method with respect to the centrifugal casting for the production of semi-finished Ti-Al casting as a precursor for the forging of TiAl - components from the TiAl - cast semi-finished products.
  • the partial images a) to d) correspond to the representations of FIGS. 4 to 6 , in the partial image a) the beginning of the centrifugal casting is shown, in which the feeder 5, the first row of molds 3 "filled with the casting material, while in the partial image b) the feeder 5 has already been moved along the longitudinal axis 2 of the mold 1 and fill the third row of molds 3 "with molten TiAl alloy.
  • the drawing e) of the FIG. 7 shows how the mold 1 is constructed of several parts, namely different ring segments 13 to 15, which are disassembled for removing the finished TiAl - cast semi-finished products in the form of rings 12.
  • the mold 1 is in the embodiment shown the FIG. 7 e) each of an end plate 13 and a plurality of annular mold segments 14 and separating segments 15 which are alternately arranged side by side so as to form the molds 3 " FIG. 7 e)
  • five shapes are provided for forming rings 12, wherein the mold 1 may be formed longer with more ring segments 14, 15 to form more rings 12.
  • FIG. 8 schematically shows a micrograph to illustrate the microstructure of a TiAl - cast semi-finished product after centrifugal casting.
  • the microstructure is formed of a plurality of colonies 16 of ⁇ - titanium and ⁇ - TiAl, with the ⁇ - TiAl in the form of lamellae 18 in the colonies 16.
  • the colonies 16 are elongated and embedded in a ⁇ -titanium matrix 17, which additionally has lenticular ⁇ -rays.
  • TiAl precipitates 19.
  • the structure has no globular ⁇ - TiAl grains and gives the material a tensile strength of 650 to 800 MPa with a total elongation of 0.2 to 0.9%.
  • the microstructure is already very close to the equilibrium phase composition at room temperature, with the deviation from the equilibrium phase composition at room temperature only up to 10% by volume, preferably up to 8% by volume of the microstructure.
  • the TiAl cast semi - finished products produced by horizontal centrifugal casting are outstandingly suitable for further processing into TiAl forged components, as described in US Pat FIG. 9 is shown.
  • the TiAl cast semi-finished products are produced in the form of rings 12, as described, for example, in accordance with the method FIG. 7 in a forge with corresponding forging tools 20, 21 to a TiAl forging component in the form of an annular disc 22 (see drawing b) FIG. 9 ), from which according to the illustration in FIG. 9c) corresponding TiAl - components 23, such as blades or the like can be separated out, as indicated by the dashed lines in FIG. 9c) is indicated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus TiAl - Legierungen, bei welchem eine Schmelze (9) einer TiAl - Legierung bereitgestellt wird, welche in einem horizontalen Schleuderguss vergossen wird, sodass mindestens ein TiAl - Gusshalbzeug erzeugt wird, wobei das TiAl - Gusshalbzeug durch Schmieden zu einem TiAl - Schmiedeteil umgeformt wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung für den horizontalen Schleuderguss von TiAl - Halbzeugen mit mindestens einer Kokille (1), die um eine horizontal angeordnete Drehachse drehbar ist, und mindestens einem Speiser (5), der in die Kokille hineinragen kann, um eine Schmelze (9) in die Kokille einzubringen, wobei der Speiser (5) induktiv beheizbar ist.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus TiAl - Legierungen, insbesondere für Strömungsmaschinen, wie stationäre Gasturbinen oder Flugtriebwerke.
    • STAND DER TECHNIK
  • Bauteile aus TiAl - Werkstoffen, die also als Hauptbestandteile Titan und Aluminium umfassen, sind für Anwendungen, bei denen Bauteile schnell bewegt werden müssen, wie beispielsweise als Schaufeln von Strömungsmaschinen, sehr interessant, da sie bei einem niedrigen spezifischen Gewicht eine hohe Festigkeit aufweisen. Allerdings sind derartige Werkstoffe schwierig zu verarbeiten, da zur Erzielung des gewünschten Eigenschaftsprofils der Bauteile, die Werkstoffe ein definiertes Gefüge mit einer bestimmten Mikrostruktur aufweisen müssen.
  • Beim Gießen von TiAI-Werkstoffen kann es jedoch zu Seigerungen und Aluminiumsegregationen kommen, sodass sich eine inhomogene Mikrostruktur einstellen kann. Außerdem können sich grobe Gefüge ausbilden, die die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von TiAl - Bauteilen anzugeben, welches eine effiziente Herstellung von Bauteilen aus TiAl - Legierungen mit einem definierten Eigenschaftsprofil und einer gewünschten Mikrostruktur ermöglicht, wobei insbesondere geschmiedete TiAl - Bauteile für den Einsatz in Strömungsmaschinen bereitgestellt werden soll. Darüber hinaus soll eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Die oben genannte Aufgabenstellung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schlägt vor, TiAl - Bauteile aus TiAl - Werkstoffen durch Schmieden zu erzeugen, wobei als Halbzeug für das Schmieden ein TiAl - Gusshalbzeug verwendet wird, welches durch horizontalen Schleuderguss erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch horizontalen Schleuderguss hergestellte TiAl - Gusshalbzeuge vorteilhaft für die weitere Verarbeitung durch Schmieden verwendet werden können, um so auf einfache und effiziente Weise TiAl - Bauteile mit insbesondere vorteilhaftem Eigenschaftsprofil für den Einsatz in Strömungsmaschinen bereitzustellen.
  • Das horizontale Schleudergießen, welches gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von TiAl - Gusshalbzeugen für das nachfolgende Schmieden eingesetzt werden soll, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kokille, in die die Schmelze des abzugießenden Werkstoffs eingefüllt wird und die die entsprechenden Formen für die Halbzeuge bereitstellt, um eine horizontale Achse gedreht wird. Horizontal bedeutet hierbei, dass die Achse quer, insbesondere senkrecht zur Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist, wobei Abweichungen um einige Grad im Rahmen der technischen Durchführungsgenauigkeit zulässig sind, also beispielsweise Abweichungen von bis zu +/- 10°, vorzugsweise +/- 5°. Durch das horizontale Schleudergießen lassen sich bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Kokille hohe Abkühlraten erzielen, sodass Entmischungen in der TiAl - Legierung vermieden werden können und ein feines Gefüge erzeugt werden kann. Außerdem können materialsparend Halbzeug mit großen Wanddicken bzw. Halbzeuge in Form von Zylindern und Kegeln hergestellt werden.
  • Unter TiAl - Legierung wird bei der vorliegenden Erfindung ein Werkstoff verstanden, der als Hauptbestandteile Titan und Aluminium umfasst, sodass diese die größten Legierungsbestandteile bilden. Insbesondere werden darunter Werkstoffe verstanden, die intermetallische Phasen, wie α2-Ti3Al und γ-TiAl aufweisen und zwar vorzugsweise ebenfalls als Bestandteile, die volumenmäßig den größten Anteil eines aus einem derartigen Werkstoff gefertigten Bauteils ausmachen.
  • Insbesondere kann die TiAl - Legierung eine sogenannte TNM - Legierung sein, die als weitere Bestandteile Niob und Molybdän aufweist, da derartige Legierungen besonders gute mechanische Eigenschaften für den Einsatz in Strömungsmaschinen aufweisen. Insbesondere kann es sich um eine TNM - Legierung mit der Zusammensetzung 43,5 Gew.% Aluminium, 4 Gew.% Niob, 1 Gew.% Molybdän sowie 0,1 Gew.% Bor und der Rest Titan sowie unvermeidbare Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteile mit Anteilen von jeweils < 0,5 Gew.% bis zu einem Gesamtteil von ≤ 5 Gew.%, insbesondere ≤ 2 Gew.% handeln. Der Aluminiumanteil einer derartigen Legierung kann im Bereich von 40 bis 50 Gew. %, insbesondere 42 bis 45 Gew.% liegen, während der Niobanteil im Bereich von 2 bis 6 Gew.% und insbesondere 3 bis 5 Gew.% liegen kann. Der Molybdänanteil kann wiederum in einem Bereich von 0,5 bis 2 Gew.% liegen, während Bor in einem Bereich von 0,05 Gew.% bis 0,15 Gew.% vorliegen kann.
  • Das TiAl - Gusshalbzeug, das durch den horizontalen Schleuderguss hergestellt werden kann, kann eine Form aufweisen, welche ausgewählt ist aus der Gruppe, die Zylinder, Kegel und Ringe umfasst, da diese Formen günstige Vormaterialien für den nachfolgenden Schmiedeprozess darstellen.
  • Das TiAl - Gusshalbzeug kann so im Schleudergussverfahren abgegossen werden, dass die entsprechenden Formen, wie Zylinder, Kegel, Ringe als separate Gusshalbzeuge entstehen. Darüber hinaus ist es auch möglich aus einem einzelnen Gussstück oder mehreren Gussstücken die gewünschten TiAl - Gusshalbzeuge durch Trennen, insbesondere Zerteilen oder Zerspanen herzustellen. Beispielsweise ist es möglich ein zylindrisches Rohr durch horizontalen Schleuderguss herzustellen und dieses anschließend durch mechanische Trennverfahren, wie Schneiden, Sägen, Fräsen oder dergleichen in entsprechende Ringstücke zu zerteilen bzw. zu trennen und diese Ringstücke als TiAl - Gusshalbzeuge für das nachfolgende Schmieden zu verwenden.
  • Durch das horizontale Schleudergussverfahren können TiAl - Gusshalbzeuge in Form von Ringen oder Rohren mit einer Länge von 5 bis 300 cm und/oder Wandstärken von 4 bis 30 cm und/oder Innendurchmessern von 10 bis 100 cm als einzelne Gussstücke abgegossen werden.
  • Durch die schnelle Abkühlung, die mittels des Schleudergussverfahrens möglich ist, kann das Gusshalbzeug mit einer Mikrostruktur hergestellt werden, die Kolonien aus α - Titan und γ - TiAl in einer β - Titan - Matrix aufweist, wobei in der β - Titan - Matrix zusätzlich γ-TiAl Ausscheidungen vorliegen können. Die γ-TiAl Ausscheidungen in der β - Titan - Matrix können linsenförmig ausgebildet sein und/oder die Kolonien aus α - Titan und γ - TiAl können eine langgestreckte Form aufweisen. Ferner kann das γ - TiAl in den Kolonien in Form von feinen Lamellen vorgesehen sein.
  • Die Phasenzusammensetzung des TiAl - Gusshalbzeugs kann bereits nahe der Gleichgewichtsphasenzusammensetzung bei Raumtemperatur sein und lediglich bis zu 10 Vol.% und insbesondere bis zu 8 Vol.% von der Gleichgewichtszusammensetzung bei Raumtemperatur abweichen. Dies bedeutet, dass das Gusshalbzeug lediglich in der Größenordnung von bis zu 10 Vol.% bzw. bis zu 8 Vol.% andere Phasen aufweist als dies für die Gleichgewichtszusammensetzung bei Raumtemperatur der Fall sein sollte.
  • Nach dem Herstellen des TiAl - Gusshalbzeugs kann dieses mit einem oder mehreren Umformschritten durch Schmieden und/oder mit mindestens einer Wärmebehandlung zu einem TiAl - Bauteil bzw. TiAl - Halbzeug gefertigt werden, welches lediglich durch geringfügige Nacharbeit zum gewünschten TiAl - Bauteil gefertigt werden kann, wobei die Nachbearbeitung insbesondere die entsprechende Oberflächenbearbeitung bzw. das Entgraten oder Entkanten umfassen kann.
  • Insbesondere kann ein TiAl - Gusshalbzeug in Form eines Ringes zu einer Ringscheibe geschmiedet werden, aus welcher entsprechende Schaufeln für Strömungsmaschinen herausgetrennt werden können.
  • Um sicherzustellen, dass die TiAl - Schmelze mit ausreichend hoher Temperatur, d.h. in einem überhitzten Zustand in die Kokille eingeführt werden kann, wird zudem vorgeschlagen, bei der Vorrichtung für den horizontalen Schleuderguss einen induktiv beheizbaren Speiser vorzusehen, mittels dem die Schmelze in die Kokille eingebracht wird. Zur induktiven Beheizung kann der Speiser von mindestens einer Spule umgeben sein.
  • Der Speiser kann als eine oben offene Rinne ausgeführt sein, die durch ein Fluid, wie beispielsweise Wasser kühlbar sein kann und die vorzugsweise aus Kupfer-, Niob- oder Molybdänwerkstoffen gebildet sein kann. Unter Kupfer -, Niob - oder Molybdänwerkstoffen werden diejenigen Werkstoffe verstanden, die als Hauptbestandteil Kuper, Niob oder Molybdän aufweisen.
  • Die Kokille kann aus einem Stahl - und/oder Kupfer - und/oder Niobwerkstoff gebildet sein, um eine schnelle Wärmeableitung zu ermöglichen. Unter Kupfer - und Niobwerkstoffen werden wiederum Werkstoffe verstanden, die als Hauptbestandteil Kupfer bzw. Niob aufweisen.
  • Zur Verbesserung der Wärmeableitung aus der Kokille kann die Kokille auch geeignete Kühlkanäle für Fluide, wie Wasser und dergleichen, umfassen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
    • Fig. 1
    eine Darstellung des horizontalen Schleudergussverfahrens zur Herstellung von kegelförmigen oder zylinderförmigen TiAl - Gusshalbzeugen,
    Fig. 2
    eine Schnittdarstellung einer Kokille nach dem Schleuderguss,
    Fig. 3
    eine perspektivische Darstellung der Kokille aus den Figuren 1 und 2,
    Fig. 4
    eine weitere Darstellung einer Schleudergussvorrichtung zur Durchführung eines Schleudergussverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 5
    eine Schnittdarstellung der Kokille aus Figur 4 nach Beendigung des Schleudergusses,
    Fig. 6
    eine perspektivische Darstellung der Kokille aus den Figuren 4 und 5,
    Fig. 7
    eine Darstellung des Ablaufs des Schleudergussverfahrens in den Teilbildern a) bis e) bei der Ausführungsform, die in den Figuren 4 bis 6 dargestellt ist,
    Fig. 8
    eine schematische Darstellung des Gefüges eines TiAl - Gusshalbzeugs nach dem Schleuderguss und in
    Fig. 9
    eine Darstellung eines Schmiedeschritts zur Umformung eines Rings zu einer Scheibe.
    AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Weiter Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich, wobei die Erfindung nicht auf die entsprechenden Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schleuderguss von TiAl - Gusshalbzeugen gemäß der vorliegenden Erfindung, aus welchen anschließend durch Umformen mittels Schmieden TiAl - Bauteilen hergestellt werden, die insbesondere bei Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerken, eingesetzt werden können.
  • Die Vorrichtung umfasst eine Kokille 1, die eine Vielzahl von Formen 3, 3' aufweist, in die der Gusswerkstoff eingefüllt wird. Bei der Kokille 1 der Ausführungsform, die in Figur 1 dargestellt ist, handelt es sich bei den Formen 3, 3' um Formen zur Herstellung von Kegeln und Zylindern, die entlang der Längsachse 2 der Kokille 1 und entlang der Umfangswand der Kokille 1 beabstandet zueinander angeordnet sind.
  • Die Kokille 1 wird beim Schleuderguss, mit dem die Formen 3, 3' der Kokille 1 mit entsprechender Schmelzflüssigkeit befüllt werden, um die Kokillenlängsachse 2 gedreht, sodass der Gusswerkstoff z.B. in Form einer TiAl - Legierung, der schmelzflüssig in die Kokille 1 eingeführt wird, durch die Zentrifugalkraft in die Formen 3, 3' gedrückt wird.
  • Die schmelzflüssige TiAl - Legierung 9 wird aus einem Schmelztiegel 6, der durch eine Heizung 7 beheizt werden kann, bereitgestellt, wobei die schmelzflüssige TiAl - Legierung über einen Speiser 5 in die Kokille 1 eingeführt wird.
  • Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, wird der Speiser 5 in der Kokille 1 entlang der Längsachse 2 bewegt, sodass nacheinander die entlang der Längsachse 2 beabstandet angeordneten Formen 3, 3' befüllt werden können.
  • Um eine möglichst schnelle Erstarrung der TiAl - Legierung in der Kokille 1 bzw. in den Formen 3, 3' zu gewährleisten, sind in der Kokille 1 Kühlkanäle 4 vorgesehen, durch die Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, fließen kann.
  • Um sicherzustellen, dass die geschmolzene TiAl - Legierung 9 in einem geschmolzenen, überhitzten Zustand in die Kokille 1 bzw. die Formen 3, 3' eingebracht werden kann, ist der Speiser 5 mit einer Induktionsheizung 8 versehen, wobei für die Induktionsheizung 8 eine Spule vorgesehen ist, die um eine nach oben offene Rinne des Speisers 5 angeordnet ist. Durch die Spule 8 kann die schmelzflüssige TiAl - Legierung 9 auf ihrem Weg über den Speiser 5 zu den Formen 3, 3' induktiv auf Temperatur gehalten werden.
  • Die Figur 2 zeigt die Kokille 1 nach dem horizontalen Schleudergießen, wobei alle Formen 3, 3' mit dem abgegossenen TiAl - Material gefüllt sind und die TiAl - Gusshalbzeuge in Form von Kegeln 10 und Zylindern 11 entnommen werden können, wobei die Kokille 1, wie später noch in einem anderen Ausführungsbeispiel gezeigt wird, in entsprechende Einzelteile zerlegt werden kann, um die TiAl - Gusshalbzeuge entnehmen zu können.
  • Die Figur 3 zeigt die Kokille 1 in einer perspektivischen Darstellung, wobei hier die einzelnen Formen 3, 3' und ihre beabstandete Anordnung in Umfangsrichtung und Längsrichtung der zylinderförmigen Kokille 1 deutlich zu erkennen ist. Darüber hinaus erkennt man in der Figur 3, dass in der Umfangswand der Kokille 1 mehrere Kühlkanäle 4 nebeneinander angeordnet sind und in Längsrichtung der Kokille 1 verlaufen.
  • Die Figuren 4 bis 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung von schleudergegossenen TiAl - Gusshalbzeugen als Vorstufe für die Herstellung von geschmiedeten TiAl - Bauteilen. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der vorangegangenen Ausführungsform lediglich darin, dass anders geformte TiAl - Gusshalbzeuge 12 gebildet werden und entsprechend die Kokille 1 andere Formen 3" aufweist. Statt den Kegeln und Zylindern, wie sie im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 hergestellt werden, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 eine Vielzahl von Ringen bzw. Rohren 12 (siehe Figur 5) gebildet, wobei die entsprechenden Formen 3" durch umlaufende Vertiefungen in der Kokillenwand 1 gebildet sind. Darüber hinaus unterscheidet sich das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß Figur 4 nicht weiter gegenüber der Ausführungsform der Figur 1, sodass die gleichen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser identischen Komponenten verzichtet wird.
  • Die Figur 7 verdeutlicht in einer Zusammenstellung in den Teilbildern a) bis e) den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich des Schleudergusses zur Herstellung von Ti-Al - Gusshalbzeugen als Vorstufe für das Schmieden von TiAl - Bauteilen aus den TiAl - Gusshalbzeugen.
  • Die Teilbilder a) bis d) entsprechen den Darstellungen der Figuren 4 bis 6, wobei im Teilbild a) der Beginn des Schleudergusses gezeigt ist, bei dem der Speiser 5 die erste Reihe der Formen 3" mit dem Gusswerkstoff füllt, während im Teilbild b) der Speiser 5 bereits entlang der Längsachse 2 der Kokille 1 bewegt worden ist und die dritte Reihe der Formen 3" mit geschmolzener TiAl - Legierung füllt.
  • Das Teilbild e) der Figur 7 zeigt wie die Kokille 1 aus mehreren Teilen, nämlich verschiedenen Ringsegmenten 13 bis 15 aufgebaut ist, die zum Entnehmen der gefertigten TiAl - Gusshalbzeuge in Form von Ringen 12 auseinander gebaut werden. Die Kokille 1 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 7 e) aus jeweils einer Endplatte 13 und einer Vielzahl von ringförmigen Formsegmenten 14 und Trennsegmenten 15, die abwechselnd nebeneinander angeordnet werden, um so die Formen 3" zu bilden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 7 e) sind fünf Formen zur Bildung von Ringen 12 vorgesehen, wobei die Kokille 1 mit mehr Ringsegmenten 14, 15 auch länger ausgebildet sein kann, um mehr Ringe 12 zu bilden.
  • Die Figur 8 zeigt schematisch ein Schliffbild zur Darstellung der Mikrostruktur eines TiAl - Gusshalbzeugs nach dem Schleuderguss. In Figur 8 ist dargestellt, dass die Mikrostruktur aus einer Vielzahl von Kolonien 16 aus α - Titan und γ - TiAl gebildet ist, wobei das γ - TiAl in Form von Lamellen 18 in den Kolonien 16 vorliegt. Die Kolonien 16 sind länglich gestreckt ausgebildet und in einer β - Titan - Matrix 17 eingelagert, die zusätzlich linsenförmige γ - TiAl - Ausscheidungen 19 aufweist. Das Gefüge weist keine globularen γ - TiAl - Körner auf und verleiht dem Werkstoff eine Zugfestigkeit von 650 bis 800 MPa bei einer Gesamtdehnung von 0,2 bis 0,9 %. Das Gefüge liegt bereits sehr nahe an der Gleichgewichtsphasenzusammensetzung bei Raumtemperatur, wobei die Abweichung von der Gleichgewichtsphasenzusammensetzung bei Raumtemperatur lediglich bis zu 10 Vol.%, vorzugsweise bis zu 8 Vol.% des Gefüges betrifft.
  • Die durch horizontalen Schleuderguss hergestellten TiAl - Gusshalbzeuge sind in hervorragender Weise für die Weiterverarbeitung zu TiAl - Schmiedebauteilen geeignet, wie dies in Figur 9 dargestellt ist. Gemäß der Figur 9 werden die TiAl - Gusshalbzeuge in Form von Ringen 12, wie sie beispielsweise gemäß dem Verfahren nach Figur 7 hergestellt worden sind, in einer Schmiede mit entsprechenden Schmiedewerkzeugen 20, 21 zu einem TiAl - Schmiedebauteil in Form einer ringförmigen Scheibe 22 (siehe Teilbild b) der Figur 9) umgeformt, aus welchem gemäß der Darstellung in Figur 9 c) entsprechende TiAl - Bauteile 23, wie Schaufeln oder dergleichen herausgetrennt werden können, wie dies durch die gestrichelten Linien in Figur 9 c) angedeutet ist.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorliegenden Einzelmerkmale mit ein.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Kokille
    2
    Kokillenlängsachse
    3,3',3"
    Form
    4
    Kühlkanal
    5
    Speiser
    6
    Schmelztiegel
    7
    Heizung
    8
    Induktionsspule
    9
    Schmelze
    10
    Kegel
    11
    Zylinder
    12
    Ring
    13
    Endplatte
    14
    Formsegment
    15
    Trennsegment
    16
    Kolonie
    17
    Matrix
    18
    Lamelle
    19
    linsenförmige Ausscheidung
    20
    Schmiedewerkzeug
    21
    Schmiedewerkzeug
    22
    Scheibe
    23
    Bauteil

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Bauteilen aus TiAl - Legierungen, bei welchem eine Schmelze (9) einer TiAl - Legierung bereitgestellt wird, welche in einem horizontalen Schleuderguss vergossen wird, sodass mindestens ein TiAl - Gusshalbzeug (10,11,12) erzeugt wird, wobei das TiAl - Gusshalbzeug durch Schmieden zu einem TiAl - Schmiedeteil (22) umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das TiAl - Gusshalbzeug ausgewählt ist aus der Gruppe, die Zylinder (11), Kegel (10) und Ringe (12) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das TiAl - Gusshalbzeug durch Trennen, insbesondere Zerteilen oder Zerspannen eines Gussstücks erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die TiAl - Legierung in einer Kokille (1) zu mehreren getrennten TiAl - Gusshalbzeugen gegossen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die TiAl - Legierung zu TiAl - Gusshalbzeug in Form von Ringen (12) oder Rohren mit einer Länge von 5 bis 300 cm und/oder Wandstärken von 4 bis 30 cm und/oder Innendurchmessern von 10 bis 100 cm abgegossen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die TiAl - Legierung eine TNM - Legierung mit Bestandteilen an Niob und Molybdän, insbesondere eine Ti - 43,5 Al- 4 Nb - 1 Mo - 0,1 B Legierung ist, die 43,5 Gew.% Al, 4 Gew.% Nb, 1 Gew.% Mo, 0,1 Gew.% B und Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteile mit Anteilen von jeweils kleiner 0,5 Gew.% bis zu einem Gesamtanteil von kleiner oder gleich 5 Gew.%, insbesondere kleiner oder gleich 2 Gew.% aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das TiAl - Gusshalbzeug eine Mikrostruktur aufweist, die durch insbesondere langgestreckte Kolonien (16) aus α - Ti und γ - TiAl gebildet ist, die in β - Ti eingelagert sind, wobei insbesondere linsenförmige γ - TiAl - Ausscheidungen (19) im β - Ti ausgebildet sind.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Phasenzusammensetzung des TiAl - Gusshalbzeugs von der Gleichgewichtsphasenzusammensetzung bei Raumtemperatur bis zu 10 Vol.%, insbesondere bis zu 8 Vol.% abweicht.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das TiAl - Gusshalbzeug mehreren Umformschritten durch Schmieden und/oder mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das TiAl - Gusshalbzeug in Form eines Ringes (12) zu einer Ringscheibe (22) geschmiedet wird, aus welcher Schaufeln (23) für Strömungsmaschinen herausgetrennt werden.
  11. Vorrichtung für den horizontalen Schleuderguss von TiAl - Halbzeugen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einer Kokille (1), die um eine horizontal angeordnete Drehachse drehbar ist, und mindestens einem Speiser (5), der in die Kokille hineinragen kann, um eine Schmelze (9) in die Kokille einzubringen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Speiser (5) induktiv beheizbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Speiser (5) eine oben offene Rinne umfasst, die insbesondere durch ein Fluid kühlbar ist und vorzugsweise aus Kupfer - oder Niob - oder Molybdänwerkstoffen gebildet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Speiser von mindestens einer Spule (8) umgeben ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kokille aus Stahl und/oder Kupfer - Werkstoffen und/oder Niob - Werkstoffen gebildet ist.
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