DE10150674A1 - Production of components with a high load capacity used in aircraft engines or stationary gas turbines comprises preforming encapsulated titanium-aluminum blanks, shaping, solution annealing and cooling off rapidly - Google Patents
Production of components with a high load capacity used in aircraft engines or stationary gas turbines comprises preforming encapsulated titanium-aluminum blanks, shaping, solution annealing and cooling off rapidlyInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus alpha + gamma TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAl-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im alpha + gamma- oder alpha-Phasengebiet vorgeformt, die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter dynamischer Rekristallisation im alpha + gamma- oder alpha-Phasengebiet zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt und zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im alpha-Phasengebiet lösungsgeglüht und anschließend schnell abgekühlt werden.Process for producing heavy-duty components made of alpha + gamma TiAl alloys, in particular components for aircraft engines or stationary gas turbines, by preforming encapsulated TiAl blanks with a globular structure by isothermal primary forming in the alpha + gamma or alpha phase area, and the preforms by at least one isothermal secondary forming process formed under dynamic recrystallization in the alpha + gamma or alpha phase region into components of a predetermined contour and solution-annealed to adjust the microstructure in the alpha phase region and then quickly cooled.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen.The invention relates to a method for producing heavy-duty components made of α + γ-TiAl alloys, especially components for aircraft engines or stationary gas turbines.
Legierungen auf TiAl-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, TiAl-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.Alloys based on TiAl belong to the group of intermetallic materials, which 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 an potentized effect on blades and disks of gas turbines or, for. B. components of piston engines. The difficulty in processing TiAl 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 α + γ or α phase area in a protective atmosphere.
Der US-A 6,110,302 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 und 885°C bewegt. Das unter anderem eine Turbinenscheibe bildende Schmiedeteil soll β + α-β-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.US Pat. No. 6,110,302 shows α + γ titanium alloys. Under other turbine disks for aircraft engines are dealt with. Prefers Alloys with about 70% titanium are used Forging temperature ranges between 815 and 885 ° C. That under Another forged part forming a turbine disk is said to have β + α-β regions have different microstructures. Practical examinations have shown that turbine disks manufactured by this process actual requirements in the operating state, especially with regard to the desired fatigue strength, do not do it justice.
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. NiAl-Materialien, gebildet sein kann.US-A 5,593,282 discloses a rotor which can be used in engines which preferably of a lightweight construction material, in this Example from a temperature-resistant ceramic material or alternatively from TiAl or NiAl materials can be formed.
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 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 bis 1100°C bei Umformgeschwindigkeiten von 10-4 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 Siliziden, 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. 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 µm is produced. This is deformed in the temperature range from 1050 to 1300 ° C with a high degree of deformation, so that dynamic recrystallization with grain sizes down to 5 µm takes place. The blank is then cooled and superplastically formed in the temperature range from 900 to 1100 ° C. at forming speeds of 10 -4 to 10 -1 / s to give shaped articles close to their final dimensions. The very fine-grained structure mentioned is generated, among other things, by adding silicon up to 0.3% by mass. However, this silicon content leads to undesirable side effects, such as increased porosity and the formation of silicides, as a result of which the required mechanical strength is very severely impaired. The fine-grained structure required for this superplastic forming should be set by extrusion, but this does not lead to the fine-crystalline equiaxial structure described elsewhere and required for superplastic forming. The extent to which mechanically heavy-duty components can actually be manufactured using this method remains open, since it has not yet become established in practice.
Die im Stand der Technik angesprochenen Herstellungsverfahren, unter anderem für TiAl-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.The manufacturing processes mentioned in the prior art, under other for TiAl components, lead due to the shown here forming conditions in technical terms not to the necessary quality properties as they are for dynamic / thermal heavy-duty components are required.
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 TiAl-Legierungen bereitzustellen, mit welchem gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Dauerfestigkeit, Zuverlässigkeit und erhöhte Betriebslebensdauer realisiert werden kann.Based on the disadvantages mentioned in the prior art, the Invention, the object of a method for producing lightweight and heavy-duty components for conventional and air traffic technology made of TiAl alloys, with which compared to the prior art Technology improved fatigue strength, reliability and increased Service life can be realized.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, indem gekapselte TiAl-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.This object is achieved by a method for producing heavy-duty Components made of α + γ-TiAl alloys, especially components for Aircraft engines or stationary gas turbines by encapsulated TiAl blanks globular structure through isothermal primary transformation in the α + γ- or α-phase area preformed, the preforms by at least one isothermal Secondary forming process under dynamic recrystallization in α + γ- or α- Phase area formed into components of predeterminable contour and for adjustment of the microstructure, the components in the α-phase region are solution annealed and then be cooled quickly.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the method according to the invention are the See subclaims.
Abweichend zum Stand der Technik gemäß US-A 6,110,302 und DE-C 43 18 424 werden TiAl-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.Deviating from the prior art according to US-A 6,110,302 and DE-C 43 18 424 become TiAl blanks in temperature ranges above that The specified temperatures are formed several times and achieve Structural properties that are increased compared to the prior art Bring operating life with it. In addition, the Performance characteristics, especially the fatigue strength, essential be improved.
Zum Einsatz gelangen sehr homogene TiAl-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.Very homogeneous TiAl blanks with globular are used Grain structure, corresponding to a primary and at least one subsequent secondary transformation in the α + γ or α phase area be subjected.
Die Primärumformung kann durch Schmieden oder Strangpressen erfolgen. Die Sekundärumformung erfolgt vorteilhafterweise durch Schmieden.The primary forming can be done by forging or extrusion. The Secondary forming is advantageously carried out by forging.
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.The forged blanks are in both the primary and the Encapsulated secondary forming, among which the expert includes can understand shaping tools with upper and lower part.
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.The suitable forged windows are characterized by a distinctive one Flow / stress maximum, which is contrary to the state of the art DE-C 43 18 424 (process window of superplasticity) stands. Characteristic of the forming process according to the invention is dynamic recrystallization, that goes with the high yield stress. To provide the The components in the α-phase region are solution annealed and microstructured then quickly cooled. This rapid cooling from the The α phase region then leads to the desired fine lamellar microstructure. Typical cooling rates for this are in the range of 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% Al
5-10% Nb
max. 8,0% B
max. 0,5% C
Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
eingesetzt.Advantageously, blanks of the composition (in atomic%) are used to produce the lightweight, heavy-duty components for conventional and aviation technology.
43-47%, especially 45-47% Al
5-10% Nb
Max. 8.0% B
Max. 0.5% C
Balance titanium and melting-related impurities
used.
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.Silicon is not included in these alloys, as silicon is known to be to the desired grain refinement, but on the other hand to the already mentioned undesirable side effects, such as porosity and Silicide formation.
Die isotherme Umformung (Primär- und/oder Sekundärumformung) findet vorteilhafterweise in beheizten Werkzeugen aus Molybdän oder Graphit statt.The isothermal transformation (primary and / or secondary transformation) takes place advantageously held in heated tools made of molybdenum or graphite.
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.The following example describes a process for the production of Rotor disks, can be used for aircraft gas turbines, including others heavy-duty components than for conventional and aviation technology, such as For example, components of internal combustion engines (e.g. valves) addressed could be.
Zur Anwendung kommt ein Rohling der chemischen Zusammensetzung (in
Atom-%)
46% Al
7,5% Nb
0,3% C
0,5% B
Rest TiA blank of chemical composition is used (in atomic%)
46% Al
7.5% Nb
0.3% C
0.5% B
Balance 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 1150°C sowie einer Umformgeschwindigkeit von 10-3/s statt.In a first step, the blank is subjected to isothermal primary forming at an α + γ 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. In a second isothermal forging process, the pancakes are forged into disks in a shaping forging tool with an upper and lower part. In this example, the isothermal secondary forming takes place at an α + γ temperature of 1150 ° C and a forming speed of 10 -3 / s.
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.To set the later usage properties of the so generated Rotor disks become the same at an α temperature of 1360 ° C solution annealed and then rapidly in oil at a cooling rate of 10 ° C / s cooled. The finishing is conventional and is not the subject of this invention.
Das folgende Beispiel zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, einsetzbar in stationären Gasturbinen.The following example shows a process for producing Turbine blades, can be used in stationary gas turbines.
Zur Anwendung kommt ein Rohling der Zusammensetzung (in Atom-%)
45% Al
8%Nb
0,2% C
Rest TiA blank of the composition is used (in atomic%)
45% Al
8% Nb
0.2% C
Balance Ti
Der erste Schmiedevorgang eines Grundmaterials für α + γ-TiAl-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 1150°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.The first forging process of a base material for α + γ-TiAl blanks is said to be in this example 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 α + γ phase area at about 1150 ° C is carried out. The separation of the blanks is in this example in high temperature range can be brought about by a cutting tool. By this measure, the blanks are cooled with subsequent Reheating unnecessary for the subsequent forming process.
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 1150°C sowie einer Umformgeschwindigkeit von 103s-1 statt.In a second isothermal forging process, the blanks are forged into blades using a shaping forging tool with an upper and lower part. In this example, this secondary deformation takes place in the α + γ phase region at approximately 1150 ° C. and a deformation speed of 10 3 s -1 .
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.To set the later usage properties of the so generated Turbine blades become the same at an α temperature of 1360 ° C solution annealed and then rapidly cooled in oil.
Herstellprozesse weiterer Bauteile unterscheiden sich von diesem Beispiel lediglich in ihrer geometrischen Ausbildung.Manufacturing processes of other components differ from this example only in their geometric training.
Die vorab beschriebene Legierungszusammensetzung sowie die gewählten Temperaturbereiche für die primäre und sekundäre isotherme Umformung stellen lediglich Beispiele dar.The alloy composition described above and the selected ones Temperature ranges for primary and secondary isothermal forming are only examples.
Claims (8)
43-47% Al
5-10%Nb
max. 1,0% B
max. 0,5% C
Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that blanks made of a Ti-Al base alloy of the composition (in atomic%) are used for primary and secondary forming:
43-47% Al
5-10% Nb
Max. 1.0% B
Max. 0.5% C
Balance titanium and melting-related impurities
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