DE10150674B4

DE10150674B4 - Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen aus TiAl-Legierungen

Info

Publication number: DE10150674B4
Application number: DE10150674A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Janschek; Lothar Dr. Knippschild; Karl Schreiber; Dan Roth-Fagarasesnu
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Leistritz AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Leistritz Turbinentechnik GmbH
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: DE10150674A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung hochbelasteter Bauteile aus α + γ-Titanaluminium-Legierungen, insbesondere für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, wobei
– gekapselte TiAl-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C oder im α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1340 bis 1360°C durch Schmieden oder Strangpressen vorgeformt,
– die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter gleichzeitiger dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C durch Schmieden zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt,
– zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht, und
– anschließend schnell abgekühlt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen.
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.
Der US 6,110,302 A 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.
Die US 5,593,282 A 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.
In der DE 43 18 424 C2 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.
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.
Aus EP 0 965 412 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Tellerventils aus γ-TiAl-Basislegierung bekannt. Als Ausgangsmaterialien werden dort solche mit sehr inhomogener Korngrößenverteilung und vergleichsweise grob lamellarem Kornaufbau verwendet. Die Herstellung des Tellersventils erfolgt durch Primär- und Sekundärumformung, wobei die Primärumformung vorzugsweise durch Strangpressen aber auch durch Rundwalzen oder Rundhämmern erfolgen kann, während die Sekundärumformung ausschließlich durch Strangpressen erfolgt.
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.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, bei dem

– gekapselte TiAl-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C oder im α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1340 bis 1360°C durch Schmieden oder Strangpressen vorgeformt,
– die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter gleichzeitiger dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C durch Schmieden zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt,
– 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 6,110,302 A und DE 43 18 424 C2 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.
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.
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 43 18 424 C2 (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% Al
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% Al
7,5% Nb
0,3% C
0,5% B
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 1150°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% Al
8% Nb
0,2% C
Rest 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.
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.
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

Verfahren zur Herstellung hochbelasteter Bauteile aus α + γ-Titanaluminium-Legierungen, insbesondere für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, wobei – gekapselte TiAl-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α + γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C oder im α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1340 bis 1360°C durch Schmieden oder Strangpressen vorgeformt, – die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter gleichzeitiger dynamischer Rekristallisation im α + γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000°C bis 1340°C durch Schmieden zu Bauteilen vorgebbarer Kontur ausgeformt, – zur Einstellung des Mikrogefüges die Bauteile im α-Phasengebiet lösungsgeglüht, und – anschließend schnell abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformprozess in einem insbesondere beheizten Werkzeug, aus Molybdän oder Graphit, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Rohlinge aus einer Ti-Al-Basislegierung der Zusammensetzung (in Atom-%) für die Primär- und Sekundärumformung eingesetzt werden: 43–47% Al 5–10% Nb max. 1,0% B max. 0,5% C Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umform- und Lösungsglühprozess in inerter Atmosphäre stattfindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mit 10–20°C/s in Öl erfolgt.
Bauteil aus einer α + γ-Titanaluminium-Legierung, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, hergestellt nach einem der vorangehenden Ansprüche.