WO2015081923A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von endkonturnahen tial-bauteilen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung von endkonturnahen tial-bauteilen Download PDF

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WO2015081923A1
WO2015081923A1 PCT/DE2014/000599 DE2014000599W WO2015081923A1 WO 2015081923 A1 WO2015081923 A1 WO 2015081923A1 DE 2014000599 W DE2014000599 W DE 2014000599W WO 2015081923 A1 WO2015081923 A1 WO 2015081923A1
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WO
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tial
crucible
mold
melt
casting mold
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PCT/DE2014/000599
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Inventor
Robert Patrick HEMPEL
Patrick Voigt
Original Assignee
Hanseatische Waren Handelsgesellschaft Mbh & Co. Kg
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Publication date
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
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    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/15—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using vacuum

Definitions

  • the invention relates to a device for the production of TiAl components, in particular by near-net shape casting of ⁇ - ⁇ alloys.
  • the invention relates to a method for producing the TiAl components with this device.
  • exhaust gas turbochargers Through the use of exhaust gas turbochargers internal combustion engines can be made smaller while maintaining power.
  • the turbine runner In an exhaust gas turbocharger formed from a turbine and a compressor, the turbine runner is set in rotation with the energy of the exhaust gas flow.
  • a shaft transmits the torque to the compressor wheel, which compresses the air flowing into the combustion chamber and introduces into the engine.
  • the fuel in the engine are almost complete burned and reduced harmful emissions.
  • the exhaust gases of a diesel engine reach temperatures up to about 850 ° C, while the exhaust gases of gasoline engines even have temperatures of about 1050 ° C.
  • the high temperatures of the exhaust gases lead to a large thermal load of the arranged in the exhaust stream components.
  • titanium-titanium intermetallic alloys also referred to as TiAl alloys or titanium aluminides, based on the ⁇ -TiAl phase with a low density and a high specific strength at high temperature.
  • the primary cast-off electrode must then be remelted several times, that is at least twice or three times, in order to eliminate inhomogeneities occurring in the alloy composition or to achieve the necessary degree of homogeneity.
  • the casting electrode or the forging material is processed by casting.
  • the casting electrode is melted in an arc melting plant.
  • the melt is subsequently poured off into permanent molds by means of a centrifugal casting machine.
  • the thus produced semi-finished products with a diameter in the range of 50 mm to 90 mm are used in subsequent process steps, such as casting and / or forging.
  • the large number of melting operations for the production of ingots causes a high production cost and expense.
  • the melting processes each cause a loss of material.
  • the diameters of the ingots are not freely selectable.
  • DE 101 56 336 A1 discloses a process for the production of metallic or intermetallic alloy ingots of high homogeneity and low porosity with an arbitrarily adjustable diameter.
  • electrodes are produced by mixing and compressing selected starting materials. Subsequently, the electrodes are remelted at least once in a melt metallurgical process. Subsequently, produced by mixing and pressing or remelted in the melt metallurgy process electrodes are inductively melted in a high-frequency coil and the melt thus obtained homogenized in a cold wall induction crucible. In the final process step, the melt is withdrawn with cooling from the cold wall induction crucible in the form of blocks with freely adjustable diameter.
  • the methods known from the prior art are used exclusively for the production of semi-finished products for further processing.
  • the semi-finished products are re-melted either within casting processes, such as the investment casting process, or prepared for use as forging stock.
  • the materials prior to this final finishing, such as casting and / or forging, the materials always undergo a minimum of two-stage melting:
  • the object of the present invention is to provide a process for the production of ⁇ -TiAl components.
  • the components should be able to be produced directly from the raw materials without the process having the additional process steps for the production of semi-finished products. This should reduce the number of process steps as well as the use of process energy and melting energy.
  • the component produced by the method should be made of a material having homogeneous mechanical properties, in particular a high creep resistance at high strength, especially in high-temperature applications.
  • the method should be less costly and less time consuming than the methods known in the art, the component with dimensions close to the final dimensions should be economically manufacturable.
  • the device has a melting chamber formed closed to the atmosphere.
  • the melting chamber is fully evacuated and designed to build up an inert gas atmosphere.
  • the device according to the invention has a crucible formed from a heat-conducting metal, preferably copper, in particular in the form of a water-cooled copper shell.
  • the inside the crucible arranged crucible can be manipulated in the x-, y-, z-direction and about a rotation axis R tilted.
  • a mold preferably made of copper, is arranged inside the melting chamber and in relation to the crucible in such a way that TiAl melted in the crucible can be cast directly into the mold. It is advantageous that the molten TiAl can be poured directly vertical into the mold after melting.
  • a precision casting mold is arranged, which images the contours of the TiAl component to be produced.
  • the crucible is tiltably arranged such that the present after liquefaction and the mixing of the feeds TiAl is pourable as the content of the crucible in the direction of gravity in the arranged inside the mold investment casting mold.
  • the mold is formed from at least two zones, wherein the first zone, which is preferably formed of copper, has at least one induction coil
  • no induction coil To the second zone is advantageously arranged no induction coil. A combination and / or an extension of the mold with further induction coils is possible.
  • the investment casting is formed of a ceramic.
  • the ceramic investment casting mold is preferably formed from layers, wherein the outer layers are interspersed with electrically and thermally conductive materials to allow a controllable heat input into the ceramic investment casting mold by coupling a time-varying magnetic field.
  • the outer layers of the ceramic precision casting mold are interspersed with iron powder.
  • electrical conductor tracks made of electrically conductive material are arranged in the outer layers of the ceramic investment casting mold.
  • the device comprises a plasma nozzle or an electron beam device or an induction coil in order to generate the melt energy to be introduced into the crucible either by means of a plasma jet or by means of an electron beam or by means of a time-varying magnetic field.
  • the object is also achieved by an inventive method for the production of TiAI components with a device described above.
  • the method has the following steps:
  • the compacted starting material is preferably melted down in a plasma furnace so that the melting energy is generated via a plasma.
  • the compacted starting material can also be used in a cold wall Induction furnace are melted, wherein the melting energy is generated by means of an induction coil.
  • the compacted starting material can also be melted by means of an electron beam.
  • the molten ⁇ is poured off after melting advantageous directly in a, preferably made of copper, mold, vertically and thus in the effective direction of gravity.
  • the cooling of the melt to solidification within the arranged in the mold ceramic precision casting mold, which images the contours of the TiAI component to be produced, allows the near-net shape production or near net shape casting of ⁇ - ⁇ alloys.
  • the starting material is produced from feedstock in the form of primary raw materials or in the form of recycle material or in the form of powder metallurgical material.
  • compacted starting material is used as starting material for the melting either individually or as a compact.
  • a compact is to be understood as a type of briquette.
  • the starting materials such as titanium sponge, master alloys and aluminum, dosed and mixed and then pressed by means of a pressing device into briquettes.
  • Each compact thus contains the same defined composition and consistency in order to produce a homogeneous melt.
  • the starting material remains during the melting within the crucible and is not displaced by, for example, the physical force of a plasma jet from the crucible. Further remelting or further heat treatment of the solidified casting is not necessary since the mechanical material properties are already completely set by the generated structure. However, further heat treatment is possible if special mechanical properties are to be set.
  • the mechanical material properties of the component are optimally adjusted, so that no additional process steps of the heat treatment of the component are necessary, which leads to a significant saving of expended energy
  • the figure shows a device 1 for the production of TiAI components.
  • the device has a closed design to the atmosphere Melting chamber 2 on.
  • the melting chamber 2 is completely evacuated and provided for the construction of an inert gas atmosphere.
  • the inert gas flows in the flow direction 3 in the lower region of the melting chamber 2 and is discharged in the flow direction 4 in the upper region of the melting chamber 2.
  • a crucible 5 is arranged within the melting chamber 2, which is also referred to as a furnace chamber.
  • the crucible 5 is formed of a thermally conductive metal and serves to receive the to be melted ⁇ in the form of a compacted starting material.
  • the melting energy is transferred by means of a plasma jet generated by a plasma nozzle 6 to the TiAl located in the crucible and thus generated within the inert gas atmosphere.
  • a plasma jet generated by a plasma nozzle 6
  • argon or helium is used as the inert gas.
  • the crucible 5 can be manipulated in the x, y and z directions and can be tilted about an axis of rotation R.
  • the x-direction corresponds to the horizontal direction transverse to the axis of rotation R, which is aligned in the z-direction and also horizontally.
  • the y-direction is oriented vertically to the plane spanned by the x-direction and the z-direction.
  • the plasma nozzle 6 is movably arranged and vertically adjustable in the y-direction, about an aligned in the y-direction and pivotable about an aligned in the horizontal z-direction axis.
  • the plasma nozzle 6 is advantageously also in the x-direction and in the z-direction and thus horizontally displaceable.
  • a tilting of the upward, ie in the y-direction, open crucible 5 about the axis of rotation R causes a casting of the molten TiAl in a likewise disposed within the melting chamber 2 below the crucible 5 mold.
  • the TiAl melt flows into a casting mold 7 arranged inside the mold.
  • the precision casting mold 7 formed from a ceramic forms already the contours of the component to be produced.
  • the device 1 is advantageously designed for a near-net shape casting of ⁇ -TiAl alloys.
  • the mold comprises at least two zones Z1 and Z2.
  • the first zone Z1 is formed of copper and has a circulating induction coil 8.
  • the second zone Z2 is arranged in the y-direction, that is vertically, below the first zone Z1.
  • the mold is displaceable by means of a height adjustment device 9 within the two zones Z1, Z2.
  • the mold is positioned on a height adjustment device 9 in the upper area final level.
  • the outer layers are interspersed with electrically and thermally conductive materials, in particular iron powder. Also possible is the arrangement of electrical conductors in the outer layers of the investment casting mold 7.
  • the investment casting mold 7 can be moved by means of the height adjustment device 9 from the first zone Z1 into the second zone Z2 and can be removed from there from the melting chamber 2.
  • the finished TiAl component has high chemical and structural homogeneity and low porosity.
  • the structural homogeneity is, for example, by the melting by means of the plasma jet within the crucible 5 either by a stirring motion of the plasma jet and / or by means of another, below the Melting crucible 5 arranged induction coil generated time-varying magnetic field achieved.
  • the magnetic field is preferably controlled such that it rotates within the crucible 5.
  • the low porosity is achieved by the use of the induction coil 8 arranged in the first zone Z1 of the mold around the investment casting mold 7 and thus the controlled introduction of heat energy into the TiAl melt during solidification. With the arrangement and use of the induction coil 8, the solidification process of the component to be produced can be influenced in such a way that there is always sufficient liquid melt for the residual supply of occurring shrinkage porosities or voids.
  • the melt is not withdrawn in a cold wall induction crucible, but advantageously poured directly into the precision casting mold 7, which is surrounded by an induction coil 8.
  • the investment casting mold 7 is used instead of the cold wall induction crucible.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von TiAI-Bauteilen, insbesondere durch endkonturnahes Gießen von γ-TiAI-Legierungen. Die Vorrichtung weist eine zur Atmosphäre hin geschlossen ausgebildete Schmelzkammer (2) auf, welche vollständig evakuierbar und für den Aufbau einer Inertgas-Atmosphäre ausgebildet ist. Innerhalb der Schmelzkammer (2) ist ein Schmelztiegel (5) aus einem wärmeleitenden Metall angeordnet. Der Schmelztiegel (5) ist in x-, y-, z-Richtung manipulierbar sowie um eine Rotationsachse R kippbar. In Bezug auf den Schmelztiegel (5) ist eine Kokille derart angeordnet, dass im Schmelztiegel (5) aufgeschmolzenes TiAl direkt in die Kokille abgießbar ist. Innerhalb der Kokille ist eine Feingussform (7) angeordnet, welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung von TiAI-Bauteilen mit einer vorgenannten Vorrichtung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von
endkonturnahen TiAI-Bauteilen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von TiAI-Bauteilen, insbesondere durch endkonturnahes Gießen von γ-ΤΊΑΙ-Legierungen. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der TiAI-Bauteile mit dieser Vorrichtung.
Gattungsgemäße Hochtemperaturleichtbauwerkstoffe, welche bei einer geringen Dichte eine große spezifische Festigkeit aufweisen, finden insbesondere an Vorrichtungen zur Energieumwandlung zum Erreichen geforderter Effizienzsteigerungen verstärkte Anwendung. So werden zum Beispiel Titan-Aluminium-Basislegierungen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und ihrer zusätzlichen sehr guten Korrosionsbeständigkeit bei der Herstellung von Komponenten von Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken oder Turboladereinheiten moderner Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Die stetig ansteigende Anzahl an Kraftfahrzeugen und die Verknappung der Energieressourcen erfordert die Verringerung schädlicher Emissionen, des Lärms sowie des Kraftstoffverbrauches der Kraftfahrzeuge. Die Entwicklung von effizient betreibbaren Abgasturboladern stellt dabei eine mögliche Lösung dar.
Durch den Einsatz von Abgasturboladern können Verbrennungsmotoren bei gleichbleibender Leistung kleiner dimensioniert werden. Bei einem aus einer Turbine und einem Verdichter ausgebildeten Abgasturbolader wird das Turbinenlaufrad mit der Energie des Abgasstroms in Rotation versetzt. Eine Welle überträgt das Drehmoment auf das Verdichterrad, welches die in den Verbrennungsraum einströmende Luft komprimiert und in den Motor einleitet. Infolge des durch den verdichteten Luftstrom erzeugten Sauerstoffüberschusses werden der Kraftstoff im Motor nahezu vollständig verbrannt und schädliche Emissionen verringert. Die Abgase eines Dieselmotors erreichen Temperaturen bis etwa 850 °C, während die Abgase von Ottomotoren sogar Temperaturen von etwa 1050 °C aufweisen. Die hohen Temperaturen der Abgase führen zu einer großen thermischen Belastung der im Abgasstrom angeordneten Bauteile. Um die Anforderungen an die insbesondere im Abgasstrom rotierend ausgebildeten Bauteile, wie das Turbinenrad, zu erfüllen, werden die Entwicklung von Hochtemperatur- Leichtbauwerkstoffen sowie deren Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien vorangetrieben. Ein großes Einsatzpotenzial weisen dabei intermetallische Titanaluminium-Legierungen, auch als TiAI-Legierungen oder Titanaluminide bezeichnet, auf Basis der γ-TiAI-Phase mit einer geringen Dichte und einer großen spezifischen Festigkeit bei hoher Temperatur auf.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, γ-ΤίΑΙ-Legierungen durch mehrfaches Umschmelzen in einem Vakuum-Lichtbogenofen als Ingot herzustellen. Dabei wird eine gepresste Elektrode, welche alle Legierungsbestandteile, wie Ti- Schwamm, Aluminium und Vorlegierungen, aufweist, unter Vergrößerung ihres Durchmessers abgeschmolzen. Der Durchmesser liegt im Bereich von etwa 100 mm bis 200 mm.
Die primär abgegossene Elektrode muss anschließend mehrmals, das heißt mindestens zweimal oder dreimal, umgeschmolzen werden, um in der Legierungszusammensetzung auftretende Inhomogenitäten zu beseitigen beziehungsweise den notwendigen Grad der Homogenität zu erreichen.
Im weiteren Verfahren wird die Gießelektrode beziehungsweise das Schmiedevormaterial gießtechnisch verarbeitet. Dabei wird die Gießelektrode in einer Lichtbogenschmelzanlage aufgeschmolzen. Die Schmelze wird nachfolgend mittels einer Zentrifugalgießanlage in permanente Gießformen abgegossen. Die derart hergestellten Halbzeuge mit einem Durchmesser im Bereich von 50 mm bis 90 mm werden in nachfolgenden Verfahrensschritten, wie Gießen und/oder Schmieden, weiterverwendet. Die große Anzahl an Schmelzvorgängen zur Herstellung der Ingots verursacht einen hohen Herstellungsaufwand und Kostenaufwand. Zudem bedingen die Schmelzvorgänge jeweils einen Materialverlust. Die Durchmesser der Ingots sind nicht frei wählbar.
In der DE 101 56 336 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von metallischen oder intermetallischen Legierungs-Ingots hoher Homogenität und geringer Porosität mit beliebig einstellbarem Durchmesser offenbart. Bei dem Verfahren werden durch Vermischen und Verpressen ausgewählter Ausgangsstoffe Elektroden hergestellt. Anschließend werden die Elektroden in einem schmelzmetallurgischen Verfahren mindestens einmal umgeschmolzen. Nachfolgend werden durch Vermischen und Verpressen hergestellte oder die im schmelzmetallurgischen Verfahren umgeschmolzenen Elektroden in einer Hochfrequenz-Spule induktiv abgeschmolzen und die derart erhaltene Schmelze in einem Kaltwandinduktionstiegel homogenisiert. Im abschließenden Verfahrensschritt wird die Schmelze unter Kühlung aus dem Kaltwandinduktionstiegel in Form von Blöcken mit frei einstellbarem Durchmesser abgezogen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dienen ausschließlich der Herstellung von Halbzeugen zur weiteren Verarbeitung. Die Halbzeuge werden entweder innerhalb von Gießverfahren, beispielsweise dem Feinguss- Verfahren, wieder aufgeschmolzen oder für den Einsatz als Schmiedevormaterial vorbereitet. Vor dieser abschließenden Endbearbeitung, wie dem Gießen und/oder dem Schmieden, durchlaufen die Werkstoffe jedoch stets ein mindestens zweistufiges Schmelzverfahren:
a) Herstellung des Primär-Ingots aus den Rohstoffen und
b) Abgießen beziehungsweise Abziehen der Halbzeuge. Die herkömmlichen Verfahren weisen sehr viele Verfahrensschritte, insbesondere das mehrfache Umschmelzen betreffend, auf. Dabei ist zudem die Bereitstellung von großen Energiemengen notwendig, welche das Verfahren kostenintensiv machen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von γ- TiAI-Bauteilen zur Verfügung zu stellen. Die Bauteile sollen direkt aus den Rohstoffen herstellbar sein, ohne dass das Verfahren die zusätzlichen Verfahrensschritte zur Herstellung von Halbzeugen aufweist. Damit sollen die Anzahl der Verfahrensschritte sowie der Einsatz an Prozessenergie und Schmelzenergie verringert werden.
Das mit dem Verfahren hergestellte Bauteil soll aus einem Werkstoff mit homogenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Kriechbeständigkeit bei hoher Festigkeit, speziell bei Hochtemperaturanwendungen, ausgebildet sein. Das Verfahren soll weniger kostenintensiv und weniger zeitaufwändig als die im Stand der Technik bekannten Verfahren sein, wobei das Bauteil mit endabmessungsnahen Dimensionen wirtschaftlich fertigbar sein soll.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von TiAI-Bauteilen, insbesondere durch endkonturnahes Gießen von γ-ΤϊΑΙ- Legierungen, mit den Merkmalen des 1 . Anspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 8 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Nach der Konzeption der Erfindung weist die Vorrichtung eine zur Atmosphäre hin geschlossen ausgebildete Schmelzkammer auf. Die Schmelzkammer ist vollständig evakuierbar und für den Aufbau einer Inertgas-Atmosphäre vorgesehen.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen aus einem wärmeleitenden Metall, bevorzugt aus Kupfer, ausgebildeten Schmelztiegel, insbesondere in Form einer wassergekühlten Kupferschale, auf. Der innerhalb der Schmelzkammer angeordnete Schmelztiegel ist in x-, y-, z-Richtung manipulierbar sowie um eine Rotationsachse R kippbar.
Weiterhin ist eine bevorzugt aus Kupfer ausgebildete Kokille innerhalb der Schmelzkammer und in Bezug zum Schmelztiegel derart angeordnet, dass im Schmelztiegel aufgeschmolzenes TiAl direkt in die Kokille abgießbar ist. Von Vorteil ist, dass das aufgeschmolzene TiAl nach dem Aufschmelzen direkt vertikal in die Kokille abgegossen werden kann.
Innerhalb der Kokille ist erfindungsgemäß eine Feingussform angeordnet, welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet.
Der Schmelztiegel ist derart kippbar angeordnet, dass die nach der Verflüssigung und der Vermischung der Einsatzmaterialien vorliegende TiAl als Inhalt des Schmelztiegels in Richtung der Schwerkraft in die innerhalb der Kokille angeordnete Feingussform eingießbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kokille aus mindestens zwei Zonen ausgebildet, wobei die erste Zone, welche bevorzugt aus Kupfer ausgebildet ist, mindestens eine Induktionsspule aufweist
Um die zweite Zone ist vorteilhaft keine Induktionsspule angeordnet. Eine Kombination und/oder eine Erweiterung der Kokille mit weiteren Induktionsspulen ist möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Feingussform aus einer Keramik ausgebildet.
Die keramische Feingussform ist dabei bevorzugt aus Schichten ausgebildet, wobei die äußeren Schichten mit elektrisch- und wärmeleitenden Materialien durchsetzt sind, um durch ein Ankoppeln eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes einen steuerbaren Wärmeeintrag in die keramische Feingussform zu ermöglichen. Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die äußeren Schichten der keramischen Feingussform mit Eisen-Pulver durchsetzt.
Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind in den äußeren Schichten der keramischen Feingussform elektrische Leiterbahnen aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet.
Nach alternativen Ausgestaltungen der Erfindung weist die Vorrichtung eine Plasmadüse oder eine Elektronenstrahleinrichtung oder eine Induktionsspule auf, um die in den Schmelztiegel einzutragende Schmelzenergie entweder mittels eines Plasmastrahls oder mittels eines Elektronenstrahls oder mittels eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes zu erzeugen.
Die Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von TiAI-Bauteilen mit einer vorbeschriebenen Vorrichtung gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung weist das Verfahren folgende Schritte auf:
- Herstellen von kompaktiertem TiAI-Vormaterial,
- Einschmelzen des kompaktierten TiAI-Vormaterials innerhalb eines Schmelztiegels und
- Abgießen des im Schmelztiegel aufgeschmolzenen TiAl in eine in einer Kokille angeordnete keramische Feingussform sowie
- Abkühlen der Schmelze bis zur Erstarrung in der Feingussform (7), welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet, wobei durch eine um die Kokille und die Feingussform (7) angeordnete Induktionsspule (8) eingetragene Wärmeenergie die Erstarrung des TiAl derart beeinflusst, dass ausreichend flüssige Schmelze zur Restspeisung von auftretenden Schrumpfungsporositäten oder Lunker vorhanden ist.
Das kompaktierte Vormaterial wird bevorzugt in einem Plasmaofen eingeschmolzen, sodass die Schmelzenergie über ein Plasma erzeugt wird. Alternativ kann das kompaktierte Vormaterial auch in einem Kaltwand- Induktionsofen eingeschmolzen werden, wobei die Schmelzenergie mittels einer Induktionsspule erzeugt wird. Nach einer weiteren Alternative ist das kompaktierte Vormaterial auch mittels eines Elektronenstrahls einschmelzbar. Das aufgeschmolzene ΤΊΑΙ wird nach dem Aufschmelzen vorteilhaft direkt in eine, bevorzugt aus Kupfer, ausgebildete Kokille, vertikal und damit in Wirkrichtung der Schwerkraft abgegossen.
Die Abkühlung der Schmelze bis zur Erstarrung innerhalb der in der Kokille angeordneten keramischen Feingussform, welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet, ermöglicht die endkonturnahe Fertigung beziehungsweise das endkonturnahe Gießen von γ-ΤΊΑΙ-Legierungen.
Nach alternativen Ausgestaltungen der Erfindung wird das Vormaterial aus Einsatzmaterial in Form von Primärrohstoffen oder in Form von Recycle- Material oder in Form von pulvermetallurgischem Material hergestellt.
Als Einsatzmaterial können vorteilhaft sämtliche TiAI-Legierungen verwendet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird kompaktiertes Vormaterial als Ausgangsmaterial für das Einschmelzen entweder einzeln oder als Compact gattiert. Unter einem Compact ist dabei eine Art von Brikett zu verstehen. Bei der Herstellung des Compacts werden die Vormaterialien, wie Titanschwamm, Vorlegierungen und Aluminium, dosiert und vermischt sowie anschließend mittels einer Pressvorrichtung zu Briketts verpresst. Jeder Compact enthält damit die gleiche definierte Zusammensetzung und Konsistenz, um zum einen eine homogene Schmelze zu erzeugen. Zum anderen wird erreicht, dass das Vormaterial während des Einschmelzens innerhalb des Schmelztiegels verbleibt und nicht durch zum Beispiel die physisches Kraft eines Plasmastrahls aus dem Schmelztiegel verdrängt wird. Ein weiteres Umschmelzen oder eine weitere Wärmebehandlung des erstarrten Gussteils ist nicht notwendig, da die mechanischen Werkstoffeigenschaften durch das generierte Gefüge schon vollständig eingestellt sind. Eine weiterführende Wärmebehandlung ist jedoch möglich, wenn spezielle mechanische Eigenschaften eingestellt werden sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist zusammenfassend folgende Vorteile auf:
- direktes endkonturnahes Gießen von γ-ΤΊΑΙ-Legierungen, auch als direkter Feinguss bezeichnet, und damit verbunden eine direkte Herstellung von γ-
TiAI-Bauteilen aus den Legierungsbestandteilen ohne zusätzliche Verfahrensschritte des Umschmelzens oder der Herstellung von Halbzeugen,
- nach dem Verfahren sind die mechanischen Werkstoffeigenschaften des Bauteils optimal eingestellt, sodass keine zusätzlichen Verfahrensschritte der Wärmebehandlung des Bauteils notwendig sind, was zu einer deutlichen Einsparung von aufzuwendender Energie führt,
- das sehr kurze und kompakte Verfahren weist nur eine geringe Anzahl an Verfahrensschritten auf, was zu deutlich geringeren Anfälligkeiten in Bezug auf Schwankungen innerhalb des Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik führt,
- die sehr kurze Verfahrenskette ist zudem kostengünstig und wenig anfällig in Bezug auf Störungen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
Die Fig. zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von TiAI-Bauteilen. Die Vorrichtung weist eine zur Atmosphäre hin geschlossen ausgebildete Schmelzkammer 2 auf. Die Schmelzkammer 2 ist vollständig evakuierbar und für den Aufbau einer Inertgas-Atmosphäre vorgesehen.
Das Inertgas strömt in Strömungsrichtung 3 im unteren Bereich der Schmelzkammer 2 ein und wird in Strömungsrichtung 4 im oberen Bereich der Schmelzkammer 2 abgeleitet.
Innerhalb der Schmelzkammer 2, welche auch als Ofenraum bezeichnet wird, ist ein Schmelztiegel 5 angeordnet. Der Schmelztiegel 5 ist aus einem wärmeleitenden Metall ausgebildet und dient der Aufnahme des zu schmelzenden ΤΊΑΙ in Form eines kompaktierten Vormaterials.
Die Schmelzenergie wird mittels eines von einer Plasmadüse 6 erzeugten Plasmastrahls an das sich im Schmelztiegel befindliche TiAl übertragen und damit innerhalb der Inertgasatmosphäre erzeugt. Als Inertgas wird beispielsweise Argon oder Helium verwendet. Der Schmelztiegel 5 ist in x-, y- und z-Richtung manipulierbar sowie um eine Rotationsachse R kippbar. Die x-Richtung entspricht dabei der horizontalen Richtung quer zur Rotationsachse R, welche in z-Richtung und ebenfalls horizontal ausgerichtet ist. Die y-Richtung ist vertikal zu der von der x-Richtung und der z-Richtung aufgespannten Ebene ausgerichtet.
Die Plasmadüse 6 ist beweglich angeordnet und in y-Richtung höhenverstellbar, um eine in y-Richtung ausgerichtete sowie um eine in horizontaler z-Richtung ausgerichtete Achse schwenkbar. Die Plasmadüse 6 ist vorteilhaft auch in x-Richtung sowie in z-Richtung und damit horizontal verschiebbar.
Ein Kippen des nach oben, das heißt in y-Richtung, offenen Schmelztiegels 5 um die Rotationsachse R bewirkt ein Abgießen des aufgeschmolzenen TiAl in eine ebenfalls innerhalb der Schmelzkammer 2 unterhalb des Schmelztiegels 5 angeordnete Kokille.
Die TiAI-Schmelze strömt in eine innerhalb der Kokille angeordnete Feingussform 7. Die aus einer Keramik ausgebildete Feingussform 7 bildet bereits die Konturen des herzustellenden Bauteils ab. Damit ist die Vorrichtung 1 vorteilhaft für ein endkonturnahes Gießen von γ-TiAI-Legierungen ausgebildet.
Die Kokille umfasst mindestens zwei Zonen Z1 und Z2. Die erste Zone Z1 ist dabei aus Kupfer ausgebildet und weist eine umlaufende Induktionsspule 8 auf. Die zweite Zone Z2 ist in y-Richtung, das heißt vertikal, unterhalb der ersten Zone Z1 angeordnet. Die Kokille ist mittels einer Höhenverstellvorrichtung 9 innerhalb der beiden Zonen Z1 , Z2 verschiebbar. Die Kokille ist auf einer die Höhenverstellvorrichtung 9 im oberen Bereich abschließenden Ebene positioniert.
Die innerhalb der Kokille, welche sich in dem von der Induktionsspule 8 erzeugten zeitlich veränderlichen Magnetfeld befindet, angeordnete keramische Feingussform 7 ist aus Schichten ausgebildet. Die äußeren Schichten sind mit elektrisch- und wärmeleitenden Materialien, insbesondere Eisen-Pulver, durchsetzt. Möglich ist auch die Anordnung von elektrischen Leiterbahnen in den äußeren Schichten der Feingussform 7. Damit werden das Ankoppeln des von der Induktionsspule 8 erzeugten zeitlich veränderlichen Magnetfeldes an die keramische Feingussform 7 und der Wärmeeintrag in den zu formenden Werkstoff verbessert.
Zum Abkühlen des Bauteils kann die Feingussform 7 mit Hilfe der Höhenverstellvorrichtung 9 von der ersten Zone Z1 in die zweite Zone Z2 verbracht werden und kann von dort aus der Schmelzkammer 2 entnommen werden.
Das fertige Bauteil aus TiAl weist eine hohe chemische und strukturelle Homogenität sowie eine geringe Porosität auf. Die strukturelle Homogenität wird dabei beispielsweise durch das Schmelzen mittels des Plasmastrahls innerhalb des Schmelztiegels 5 entweder durch eine Rührbewegung des Plasmastrahls oder/und durch ein mittels einer weiteren, unterhalb des Schmelztiegels 5 angeordneten Induktionspule erzeugtes zeitlich veränderliches Magnetfeld erreicht. Das Magnetfeld wird dabei bevorzugt derart gesteuert, dass es innerhalb des Schmelztiegels 5 rotiert. Die geringe Porosität wird durch den Einsatz der in der ersten Zone Z1 der Kokille um die Feingussform 7 angeordneten Induktionsspule 8 und damit den gesteuerten Eintrag von Wärmeenergie in die TiAI-Schmelze während der Erstarrung erreicht. Mit der Anordnung und dem Einsatz der Induktionsspule 8 kann der Erstarrungsprozess des herzustellenden Bauteils derart beeinflusst werden, dass stets ausreichend flüssige Schmelze zur Restspeisung von auftretenden Schrumpfungsporositäten oder Lunkern vorhanden ist.
Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren wird die Schmelze nicht in einem Kaltwandinduktionstiegel abgezogen, sondern vorteilhaft direkt in die Feingussform 7 abgegossen, welche von einer Induktionspule 8 umgeben ist. Die Feingussform 7 wird dabei anstelle des Kaltwandinduktionstiegels verwendet.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Vorrichtung
2 Schmelzkammer
3 Strömungsrichtung Inertgas
4 Strömungsrichtung Abgas
5 Schmelztiegel
6 Plasmadüse
7 Feingussform
8 Induktionsspule
9 Höhenverstellvorrichtung
Z1 erste Zone der Feingussform
Z2 zweite Zone der Feingussform x Richtung, Bewegungsrichtung des Schmelztiegels 5 y Richtung, Bewegungsrichtung des Schmelztiegels 5 z Richtung, Bewegungsrichtung des Schmelztiegels 5
R Rotationsachse des Schmelztiegels 5

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zur Herstellung von TiAI-Bauteilen, insbesondere durch endkonturnahes Gießen von γ-TiAI-Legierungen, aufweisend:
- eine zur Atmosphäre hin geschlossen ausgebildete Schmelzkammer (2), welche vollständig evakuierbar und für den Aufbau einer Inertgas- Atmosphäre ausgebildet ist,
- einen Schmelztiegel (5) aus einem wärmeleitenden Metall, wobei der Schmelztiegel (5)
- innerhalb der Schmelzkammer (2) angeordnet ist und
- in x-, y-, z-Richtung manipulierbar sowie um eine Rotationsachse R kippbar angeordnet ist,
- eine Kokille, welche innerhalb der Schmelzkammer (2) und derart zum Schmelztiegel (5) angeordnet ist, dass im Schmelztiegel (5) aufgeschmolzenes TiAl direkt in die Kokille abgießbar ist, sowie
- eine Feingussform (7), welche innerhalb der Kokille angeordnet ist und die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille aus mindestens zwei Zonen (Z1 , Z2) ausgebildet ist, wobei die erste Zone (Z1) aus Kupfer ausgebildet ist und mindestens eine Induktionsspule (8) aufweist.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feingussform (7) aus einer Keramik ausgebildet ist.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Feingussform (7) aus Schichten ausgebildet ist, wobei die äußeren Schichten mit elektrisch- und wärmeleitenden Materialien durchsetzt sind.
5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Schichten der keramischen Feingussform (7) mit Eisen-Pulver und/oder elektrischen Leiterbahnen aus elektrisch leitfähigem Material durchsetzt sind.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmadüse (6) ausgebildet ist, um die in den Schmelztiegel (5) einzutragende Schmelzenergie zu erzeugen.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenstrahleinrichtung ausgebildet ist, um die in den Schmelztiegel (5) einzutragende Schmelzenergie zu erzeugen.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktionsspule ausgebildet ist, um die in den Schmelztiegel (5) einzutragende Schmelzenergie zu erzeugen.
9. Verfahren zur Herstellung von TiAI-Bauteilen mit einer Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte:
- Herstellen von kompaktiertem TiAI-Vormaterial,
- Einschmelzen des kompaktierten TiAI-Vormaterials innerhalb eines Schmelztiegels (5) und
- Abgießen des im Schmelztiegel (5) aufgeschmolzenen TiAl in eine in einer Kokille angeordneten Feingussform (7) sowie
- Abkühlen der Schmelze bis zur Erstarrung in der Feingussform (7), welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet, wobei durch eine um die Kokille und die Feingussform (7) angeordnete Induktionsspule (8) eingetragene Wärmeenergie die Erstarrung des TiAl derart beeinflusst, dass ausreichend flüssige Schmelze zur Restspeisung von auftretenden Schrumpfungsporositäten oder Lunker vorhanden ist.
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