EP1341945A2 - Verfahren zur herstellung von hochbelastbaren bauteilen aus tiai-legierungen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von hochbelastbaren bauteilen aus tiai-legierungen

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EP1341945A2
EP1341945A2 EP01270635A EP01270635A EP1341945A2 EP 1341945 A2 EP1341945 A2 EP 1341945A2 EP 01270635 A EP01270635 A EP 01270635A EP 01270635 A EP01270635 A EP 01270635A EP 1341945 A2 EP1341945 A2 EP 1341945A2
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forming
isothermal
components
phase region
takes place
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Lothar Knippschild
Karl Schreiber
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Leistritz AG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
ThyssenKrupp Automotive AG
ThyssenKrupp Turbinenkomponenten GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a method for producing heavy-duty components made of ⁇ + ⁇ -TiAl alloys, in particular components for aircraft engines or stationary gas turbines.
  • Alloys based on TiAI belong to the group of intermetallic materials that were developed for applications in the area of the operating temperature of the superalloys. With a density of around 4g / cm 3 , this new alloy class offers considerable potential for saving weight and the associated reduction in the loads on moving components at temperatures up to 700 ° C. This reduction in weight and voltage also has a potent effect on blades and disks of gas turbines or, for example, components of piston engines.
  • the difficulty in processing TiAI alloys through forming processes is due to high yield stresses as well as low fracture toughness and ductility at low and medium temperatures. Forming processes must therefore be carried out at high temperatures in the area of the ⁇ + ⁇ or ⁇ phase area in a protective atmosphere.
  • US Pat. No. 6,1 10,302 shows ⁇ + ⁇ titanium alloys.
  • turbine disks for aircraft engines are dealt with. Alloys with approximately 70% titanium are preferably used, the forging temperature being between 815 ° C. and 885 ° C.
  • the forged part, which forms a turbine disk is said to have ß + ⁇ -ß regions of different microstructures. Practical examinations have shown that turbine disks produced by this method do not meet the actual requirements in the operating state, particularly with regard to the desired fatigue strength.
  • US-A 5,593,282 discloses a rotor which can be used in engines and which can preferably be formed from a lightweight construction material, in this example from a temperature-resistant ceramic material or alternatively from TiAl or NiAI materials.
  • DE-C 43 18 424 describes a process for the production of moldings from alloys based on titanium-aluminum.
  • a cast blank with a lamellar structure with a lamella thickness of up to 1 ⁇ m is produced. This is deformed in the temperature range from 1050 ° C to 1300 ° C with a high degree of deformation, so that dynamic recrystallization with grain sizes down to 5 ⁇ m takes place.
  • the blank is then cooled and superplastically formed in the temperature range from 900 ° C to 1,100 ° C at forming speeds of 10 "4 / s to 10 ⁇ 1 / s to give shaped articles close to their final dimensions.
  • the very fine-grained structure mentioned is achieved, among other things, by adding silicon to 0.3% by mass, however, this silicon content leads to undesirable side effects such as increased porosity and the formation of suicides, which severely impairs the required mechanical strength.
  • the fine-grained structure required for this superplastic forming is to be adjusted by extrusion However, the extent to which the finely crystalline equiaxial structure required for superplastic forming is not described. The extent to which mechanically highly stressable components can actually be produced using this method remains open, since it has not yet become established in practice Has.
  • the manufacturing processes mentioned in the prior art, including for TiAI components do not lead to the necessary quality properties, as are required for dynamically / thermally highly resilient components, due to the forming conditions shown here.
  • the object of the invention is to provide a method for producing lightweight and heavy-duty components for conventional and aviation technology from TiAI alloys, with which improved fatigue strength, reliability and increased service life compared to the prior art can be realized.
  • This object is achieved by a process for the production of heavy-duty components made from ⁇ + ⁇ -TiAI alloys, in particular components for aircraft engines or stationary gas turbines, in that encapsulated TiAI blanks are preformed with a globular structure by isothermal primary forming in the ⁇ + ⁇ or ⁇ -phase region, the preforms are formed by at least one isothermal secondary forming process with dynamic recrystallization in the ⁇ + ⁇ or ⁇ phase region to give components of a definable contour and the components in the ⁇ phase region are solution-annealed and then quickly cooled in order to adjust the microstructure.
  • Very homogeneous TiAI blanks with globular grain structure are used, which are correspondingly subjected to a primary and at least one subsequent secondary forming in the ⁇ + ⁇ or ⁇ phase area.
  • the primary forming can be done by forging or extrusion.
  • the secondary forming is advantageously carried out by forging.
  • the forged blanks are encapsulated in both primary and secondary forming, which a person skilled in the art can understand by, among other things, a shaping tool with an upper and lower part.
  • the suitable forged windows are characterized by a pronounced flow / stress maximum, which is contrary to the prior art according to DE-C 43 18 424 (process window of superplasticity).
  • Dynamic recrystallization which is associated with the high yield stress, is characteristic of the forming process according to the invention.
  • the components are solution-annealed in the ⁇ -phase region and then quickly cooled. This rapid cooling from the ⁇ phase area then leads to the desired fine lamellar microstructure. Typical cooling rates for this are in the range of 10 ° C / s.
  • blanks of the composition are used to produce the lightweight, heavy-duty components for conventional and aviation technology. 43% - 47%, especially 45% - 47% AI
  • Silicon is not contained in these alloys, since silicon is known to have the desired grain refinement, but on the other hand it leads to the undesirable side effects already mentioned, such as porosity and silicide formation.
  • the isothermal forming (primary and / or secondary forming) advantageously takes place in heated tools made of molybdenum or graphite.
  • rotor disks which can be used for aircraft gas turbines, whereby other heavy-duty components than for conventional and air traffic technology, such as components of internal combustion engines (e.g. valves), can also be addressed.
  • a blank of chemical composition is used (in atomic%)
  • the blank is subjected to isothermal primary forming at an ⁇ + ⁇ temperature of 1200 ° C.
  • a flat web die is used to produce so-called pancakes.
  • the isothermal primary forming takes place with a forming speed of 10 ⁇ 4 / s.
  • the pancakes are forged into disks in a shaping forging tool with an upper and lower part.
  • the isothermal secondary forming takes place at an ⁇ + ⁇ temperature of 1,150 ° C. and a forming speed of 10 "3 / s.
  • the rotor disks produced in this way are solution-annealed at an ⁇ temperature of 1360 ° C. and then rapidly cooled in oil at a cooling rate of 10 ° C./s. Finishing is conventional and is not the subject of this invention.
  • the following example shows a process for the manufacture of turbine blades, which can be used in stationary gas turbines.
  • a blank of the composition is used (in atomic%)
  • the first forging process of a base material for ⁇ + ⁇ -TiAl blanks is to take place in that in a forging die with a disk-shaped engraving the volume distribution for a larger number of blanks (here 10 pieces) in the ⁇ + ⁇ phase area is carried out at about 1 150 ° C.
  • the blanks are to be separated in the high temperature range by a cutting tool. This measure makes it unnecessary to cool the blanks with subsequent reheating for the subsequent forming process.
  • the blanks are forged into blades in a shaping forging tool with an upper and lower part.
  • This secondary shaping takes place in this example in the ⁇ + ⁇ - phase region at about 1 150 ° C and a strain rate of 10 3 s "1 instead.
  • alloy composition described above and the selected temperature ranges for the primary and secondary isothermal forming are only examples.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + η TiAI-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAI-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + η- oder α-Phasengebiet vorgeformt, die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter dynamischer Rekristallisation im α + η- oder α-Phasengebiet zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt und zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen aus TiAI-Legierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAI-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen.
Legierungen auf TiAI-Basis gehören zur Gruppe der intermetallischen Werkstoffe, die für Anwendungen im Bereich der Einsatztemperatur der Superlegierungen entwickelt wurden. Mit einer Dichte von etwa 4g/cm3 bietet diese neue Legierungsklasse ein erhebliches Potential zur Gewichtseinssparung und damit verbundene Reduzierung der Belastungen bewegter Bauteile bei Temperaturen bis oberhalb 700°C. Diese Gewichts- und Spannungsreduzierung wirkt sich potenziert auch auf Schaufeln und Scheiben von Gasturbinen oder z.B. Bauteilen von Kolbenmotoren aus. Die Schwierigkeit, TiAI-Legierungen durch Umformprozesse zu bearbeiten, beruht auf hohen Fließspannungen sowie niedriger Bruchzähigkeit und Duktilität bei geringen und mittleren Temperaturen. Umformprozesse müssen deshalb bei hohen Temperaturen im Bereich des α + γ- oder α-Phasengebietes in schützender Atmosphäre durchgeführt werden.
Der US-A 6,1 10,302 sind α + γ-Titanlegierungen zu entnehmen. Unter anderem werden Turbinenscheiben für Flugtriebwerke abgehandelt. Bevorzugt zum Einsatz kommen Legierungen mit etwa 70 % Titan, wobei die Schmiedetemperatur sich zwischen 815°C und 885 °C bewegt. Das unter anderem eine Turbinenscheibe bildende Schmiedeteil soll ß + α-ß-Bereiche unterschiedlicher MikroStrukturen aufweisen. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, daß nach diesem Verfahren hergestellte Turbinenscheiben den tatsächlichen Anforderungen im Betriebszustand, insbesondere im Hinblick auf die gewünschte Dauerfestigkeit, nicht gerecht werden.
Die US-A 5,593,282 offenbart einen Rotor, einsetzbar in Triebwerken, der vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen Konstruktionsmaterial, in diesem Beispiel aus einem temperaturbeständigen Keramikmaterial oder alternativ aus TiAl- bzw. NiAI-Materialien, gebildet sein kann.
In der DE-C 43 18 424 wird ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Legierungen auf Titan-Aluminium-Basis beschrieben. Ein Gußrohling mit lamellar ausgebildetem Gefüge mit einer Lamellendicke von bis zu 1 μm wird erzeugt. Dieser wird im Temperaturbereich von 1050°C bis 1300°C mit einem hohen Umformgrad verformt, so daß eine dynamische Rekristallisation mit Korngrößen bis 5 μm stattfindet. Anschließend wird der Rohling abgekühlt und im Temperaturbereich von 900°C bis 1 100°C bei Umformgeschwindigkeiten von 10"4/s bis 10~1/s zu endabmessungsnahen Formkörpern superplastisch umgeformt. Das angesprochene sehr feinkörnige Gefüge wird unter anderem durch Zugabe von Silizium bis zu 0,3 Masse-% erzeugt. Dieser Silizium-Anteil führt allerdings zu unerwünschten Nebenerscheinungen, wie erhöhter Porosität und der Bildung von Suiziden, wodurch die erforderliche mechanische Beanspruchbarkeit sehr stark beeinträchtigt wird. Das für diese superplastische Umformung erforderliche feinkörnige Gefüge soll durch Strangpressen eingestellt werden, welches jedoch nicht zu dem an anderer Stelle beschriebenen und für superplastische Umformung erforderliche feinkristalline äquiaxialem Gefüge führt. Inwieweit nach diesem Verfahren tatsächlich mechanisch hochbelastbare Bauteile hergestellt werden können, bleibt offen, da es sich in der Praxis bis dato noch nicht durchgesetzt hat. Die im Stand der Technik angesprochenen Herstellungsverfahren, unter anderem für TiAI-Bauteile, führen aufgrund der hier gezeigten umformtechnischen Gegebenheiten in technischer Hinsicht nicht zu den notwendigen Qualitätseigenschaften, wie sie für dynamisch/thermisch hochbelastbare Bauteile erforderlich sind.
Ausgehend von den im Stand der Technik angeführten Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung leichtbauender und hochbelastbarer Bauteile für die konventionelle und Luftverkehrstechnik aus TiAI-Legierungen bereitzustellen, mit welchem gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Dauerfestigkeit, Zuverlässigkeit und erhöhte Betriebslebensdauer realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAI-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAI-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α- Phasengebiet vorgeformt, die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α- Phasengebiet zu Bauteilen yorgebbarer Kontur ausgeformt und zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Abweichend zum Stand der Technik gemäß US-A 6,1 10,302 und DE-C 43 18 424 werden TiAI-Rohlinge nunmehr in Temperaturbereichen oberhalb der dort angegebenen Temperaturen mehrfach umgeformt und erzielen Gefügeeigenschaften, die gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Betriebslebensdauer mit sich bringen. Darüber hinaus können die Gebrauchseigenschaften, insbesondere die Dauerfestigkeit, wesentlich verbessert werden.
Zum Einsatz gelangen sehr homogene TiAI-Rohlinge mit globularer Kornstruktur, die in entsprechender Weise einer Primär- sowie mindestens einer sich daran anschließenden Sekundärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet unterzogen werden.
Die Primärumformung kann durch Schmieden oder Strangpressen erfolgen. Die Sekundärumformung erfolgt vorteilhafterweise durch Schmieden.
Die Schmiederohlinge sind sowohl bei der Primär- als auch bei der Sekundärumformung gekapselt, worunter der Fachmann unter anderem ein formgebendes Werkzeug mit Ober- und Unterteil verstehen kann.
Die geeigneten Schmiedefenster sind gekennzeichnet durch ein ausgeprägtes Fließ-/Spannungsmaximum, was im Gegenteil zum Stand der Technik gemäß DE-C 43 18 424 (Prozeßfenster der Superplastizität) steht. Charakteristisch für den erfindungsgemäßen Umformprozess ist die dynamische Rekristallisation, die mit der hohen Fließspannung einhergeht. Zur Bereitstellung des Mikrogefüges werden die Bauteile, im α-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt. Diese schnelle Abkühlung aus dem α- Phasengebiet führt dann zu der gewünschten feinlamellaren MikroStruktur. Typische Abkühlraten liegen hierfür im Bereich von 10°C/s.
Vorteilhafterweise werden zur Erzeugung der leichtbauenden hochbelastbaren Bauteile für die konventionelle und Luftverkehrstechnik Rohlinge der Zusammensetzung (in Atom-%) 43 % - 47 %, insbesondere 45 % - 47 % AI
5 % - 10 % Nb max. 8,0 % B max. 0,5 % C
Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
eingesetzt.
Silizium ist in diesen Legierungen nicht enthalten, da Silizium bekanntermaßen zwar zur gewünschten Kornfeinung beträgt, andererseits aber zu den bereits angesprochenen unerwünschten Begleiteffekten, wie Porosität und Silizidbildung, führt.
Die isotherme Umformung (Primär- und/oder Sekundärumformung) findet vorteilhafterweise in beheizten Werkzeugen aus Molybdän oder Graphit statt.
Das folgende Beispiel beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Rotorscheiben, einsetzbar für Fluggasturbinen, wobei auch andere hochbelastbare Bauteile als für die konventionelle und Luftverkehrstechnik, wie beispielsweise Bauteile von Brennkraftmaschinen (z.B. Ventilen) angesprochen sein können.
Zur Anwendung kommt ein Rohling der chemischen Zusammensetzung (in Atom-%)
46 % AI 7,5 % Nb 0,3 % C Rest Ti
Der Rohling wird in einem ersten Schritt einer isothermen Primärumformung bei einer α + γ-Temperatur von 1200°C unterzogen. Zum Einsatz gelangt ein Flachbahngesenk, mit dem sogenannte Pancakes erzeugt werden. Die isotherme Primärumformung erfolgt mit einer Umformgeschwindigkeit von 10~4/s. In einem zweiten isothermen Schmiedeprozeß werden die Pancakes in einem formgebenden Schmiedewerkzeug mit Ober- und Unterteil zu Scheiben fertig geschmiedet. Die isotherme Sekundärumformung findet in diesem Beispiel bei einer α + γ-Temperatur von 1 150°C sowie einer Umformgeschwindigkeit von 10"3/s statt.
Zur Einstellung der späteren Gebrauchseigenschaften der so erzeugten Rotorscheiben werden selbige bei einer α-Temperatur von 1360°C lösungsgeglüht und anschließend in Öl mit einer Abkühlrate von 10°C/s rasch abgekühlt. Die Fertigbearbeitung erfolgt konventionell und ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.
Das folgende Beispiel zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, einsetzbar in stationären Gasturbinen.
Zur Anwendung kommt ein Rohling der Zusammensetzung (in Atom-%)
45 % AI 8 % Nb 0,2 % C Rest Ti
Der erste Schmiedevorgang eines Grundmaterials für α + γ-TiAI-Rohlinge soll in diesem Beispiel dadurch stattfinden, daß in einem Schmiedegesenk mit einer scheibenförmigen Gravur die Volumenverteilung für eine größere Anzahl von Rohlingen (hier 10 Stück) im α + γ-Phasengebiet bei etwa 1 150°C durchgeführt wird. Die Vereinzelung der Rohlinge soll in diesem Beispiel im hohen Temperaturbereich durch ein Schneidwerkzeug herbeigeführt werden. Durch diese Maßnahme wird ein Abkühlen der Rohlinge mit anschließendem Widererwärmen für den Folgeumformprozess entbehrlich.
In einem zweiten isothermen Schmiedeprozess werden die Rohlinge in einem formgebenden Schmiedewerkzeug mit Ober- und Unterteil zu Schaufeln fertig geschmiedet. Diese sekundäre Umformung findet in diesem Beispiel im α + γ- Phasengebiet bei etwa 1 150°C sowie einer Umformgeschwindigkeit von 103s"1 statt.
Zur Einstellung der späteren Gebrauchseigenschaften der so erzeugten Turbinenschaufeln werden selbige bei einer α-Temperatur von 1360°C lösungsgeglüht und anschließend in Öl rasch abgekühlt.
Herstellprozesse weiterer Bauteile unterscheiden sich von diesem Beispiel lediglich in ihrer geometrischen Ausbildung.
Die vorab beschriebene Legierungszusammensetzung sowie die gewählten Temperaturbereiche für die primäre und sekundäre isotherme Umformung stellen lediglich Beispiele dar.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ TiAI- Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAI-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α- Phasengebiet vorgeformt, die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α-Phasengebiet zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt und zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α- Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Primärumformung durch Schmieden oder Strangpressen im α + γ- Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C und 1340°C stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Primärumformung durch Schmieden oder Strangpressen im α- Phasengebiet zwischen 1340°C und 1360°C stattfindet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Sekundärumformung im α + γ-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C stattfindet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformprozess in einem insbesondere beheizten Werkzeug, aus Molybdän oder Graphit, durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Rohlinge aus einer Ti-Al-Basislegierung der Zusammensetzung (in Atom-%) für die Primär- und Sekundärumformung eingesetzt werden:
43 % - 47 % AI
5 % - 10 % Nb max. 1 ,0 % B max. 0,5 % C
Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umform- und Lösungsglühprozess in inerter Atmosphäre stattfindet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung zur abschließenden Gefügeeinstellung aus dem α- Phasengebiet oberhalb 1340°C sehr rasch, insbesondere mit 10°C/s - 20°C/s in Öl, erfolgt.
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