PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69935176T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001561830
Titel Verfahren zur Herstellung von Produkten aus Titanium-Legierungen durch Druckgiessen
Anmelder United Technologies Corporation, Hartford, Conn., US
Erfinder Schirra, John Joseph, Ellington, CT 06029, US;
Borg, Christopher Anthony, 3090 Overijse, BE;
Anderson, David William, Cromwell, CT, 06416-2418, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69935176
Vertragsstaaten AT, CH, DE, FR, GB, LI, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.12.1999
EP-Aktenzeichen 050098953
EP-Offenlegungsdatum 10.08.2005
EP date of grant 14.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse C22C 14/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 1/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG

Einige der in dieser Anmeldung offenbarten Materialien sind in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Method Of Making Die Cast Articles of High Melting Temperature Materials" (Verfahren zur Herstellung von druckgegossenen Gegenständen aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur), die am gleichen Datum eingereicht wurde und durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen wird, beschrieben und beansprucht.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines druckgegossenen Gasturbinenmaschinen-Bauteils, das aus Titanlegierung besteht.

Titan und Titanlegierungen werden bei Anwendungen verwendet, die geringes Gewicht und hohe Festigkeits-Gewicht-Verhältnisse erfordern. Diese Legierungen zeigen eine gute Korrosionsbeständigkeit und sind im Allgemeinen bis hinauf zu relativ hohen Temperaturen, z.B. bis zu etwa 1.200°F/650°C, brauchbar. Im weiten Sinn soll der Begriff „Titanlegierungen" Legierungen umfassen, die aus mindestens etwa 25 Atomprozent Titan bestehen.

In Gasturbinenmaschinen beispielsweise werden Titanlegierungen in der Kompressorsektion der Maschine verwendet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Strömungsprofile wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, sowie Strukturbauteile wie Zwischenstücke und Kompressorgehäuse und Kompressorscheiben. Eine Titanlegierung, die in Gasturbinenmaschinen in breitem Umfang verwendet wird, ist Ti 6-4, die etwa 6 Gew.-% (Gewichtsprozent) Aluminium, etwa 4 Gew.-% Vanadium, Rest im Wesentlichen Titan enthält und in Umgebungen bis zu etwa 600°F verwendet wird.

Für Anwendungen bei höherer Temperatur, z.B. in Umgebungen bis hin zu etwa 1200°F/650°C, und wo verbesserte Kriecheigenschaften und andere Hochtemperatureigenschaften gebraucht werden, kann Ti-6-2-4-2 verwendet werden, und es enthält etwa 6 Gew.-% Al, etwa 2 Gew.-% Sn (Zinn), etwa 4 Gew.-% Zr (Zirconium) und etwa 2 Gew.-% Mo (Molybdän), Rest im Wesentlichen Titan. Andere Legierungen auf Titanbasis können ebenfalls verwendet werden, wie Ti 8-1-1, die etwa 8 Gew.-% Al, 1 Gew.-% Mo und 1 Gew.-% V (Vanadium), Rest im Wesentlichen Titan enthält, sowie Titan-Aluminide, die im Allgemeinen aus Titan und Aluminium in stöchiometrischen Mengen bestehen, wie TiAl und TiAl3. Zusätzlich zu den oben diskutierten Eigenschaften müssen diese Materialien zumindest in der Lage sein, zu relativ komplexen, dreidimensionalen Gestaltungen wie Strömungsprofilen geformt zu werden, und sie müssen oxidationsbeständig sein – besonders bei erhöhten Temperaturen.

Titan und Titanlegierungen (ausgenommen Titan-Aluminide) wurden in der Vergangenheit typischerweise präzisionsgeschmiedet, um Teile mit einer feinen mittleren Korngröße und einer Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, niedrigem Gewicht und Haltbarkeit oder hoher Zyklus-Ermüdungsbeständigkeit herzustellen. In der Gasturbinenmaschinen-Industrie ist Schmieden ein bevorzugtes Verfahren, das zur Herstellung von Teilen mit komplexen dreidimensionalen Formen wie Laufschaufeln und Leitschaufeln verwendet wird. Wenn sie richtig hergestellt werden, weisen geschmiedete Teile eine Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, niedrigem Gewicht und Haltbarkeit auf.

In Kürze, zum Schmieden eines Teils wie eines Strömungsprofils wird ein Ingot aus einem Material in Barrenform, typischerweise eine zylindrische für Laufschaufeln und Leitschaufeln, umgewandelt, und wird dann thermomechanisch bearbeitet, wie durch mehrmaliges Erhitzen und Stanzen zwischen Gesenken und/oder Hämmern, die typischerweise der gewünschten Gestalt zunehmend ähnlich geformt sind, um das Material plastisch zu der gewünschten Bauteil-Gestalt zu verformen. Die Schmiedegesenke können typischerweise erhitzt werden. Jedes Bauteil wird typischerweise wärmebehandelt, um gewünschte Eigenschaften zu erhalten, z.B. Härtung/Festigung, Spannungsabbau, Beständigkeit gegen Risswachstum und ein bestimmter Grad an HCF-Beständigkeit, und wird auch nachbearbeitet, z.B. spanabhebend bearbeitet, formgeätzt und/oder lösungsmittelbearbeitet, wenn erforderlich, um das Bauteil mit der präzisen Gestalt, den Abmessungen und/oder Oberflächenmerkmalen auszustatten.

Die Herstellung von Bauteilen durch Schmieden ist ein teurer, zeitaufwändiger Prozess und ist daher typischerweise nur für Bauteile gerechtfertigt, die ein besonders harmonisches Verhältnis von Eigenschaften, z.B. hohe Festigkeit, geringes Gewicht und Haltbarkeit, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, erfordern. Was das Erhalten von Material zum Schmieden betrifft, benötigen bestimmte Materialien lange Vorlaufzeiten. Schmieden umfasst typischerweise eine Reihe von Vorgängen, von denen jeder separate Gesenke und zugehörige Gerätschaften erfordert. Die Nachbearbeitungsvorgänge nach dem Schmieden, z.B. spanabhebend Bearbeiten des Wurzelbereichs einer Laufschaufel und Schaffen der passenden Oberfläche-Beschaffenheit, machen einen signifikanten Teil der Gesamtkosten der Herstellung geschmiedeter Teile aus und weisen einen signifikanten Anteil an Teilen, die aussortiert werden müssen, auf.

Während des Schmiedens der Bauteile wird viel von dem ursprünglichen Material (bis zu etwa 85% in Abhängigkeit vom Umfang des Schmiedens) entfernt und bildet keinen Teil des fertigen Bauteils, z.B. ist es Abfall. Die Komplexität der Gestalt des hergestellten Bauteils trägt lediglich zu der Mühe und den Kosten bei, die zur Fertigung des Bauteils erforderlich sind, was eine noch wichtigere Überlegung für Gasturbinenmaschinen-Bauteile mit besonders komplexen Gestalten ist. Titanlegierungen können auch etwas zurückschnellen, z.B. ist das Material elastisch, und das Zurückschnellen muss während des Schmiedens berücksichtigt werden, d.h. die Teile müssen typischerweise „überschmiedet" werden. Wie oben angegeben, können fertiggestellte Bauteile noch eine umfassende Bearbeitung nach dem Schmieden erfordern. Darüber hinaus haben, da Computer-Software verwendet wird, um Computer-Fluiddynamik zum Analysieren und Erzeugen aerodynamisch effizienterer Strömungsprofil-Gestalten anzuwenden, derartige Strömungsprofile und Bauteile noch kompliziertere dreidimensionale Gestalten. Es ist schwieriger oder unmöglich, Titanlegierungen präzise zu diesen fortgeschrittenen, komplizierteren Gestalten zu schmieden, z.B. teilweise wegen der leicht elastischen Natur, die viele Materialien während des Schmiedens zeigen, was weiter zu den Kosten der Bauteile beiträgt oder die Bauteile so kostspielig macht, dass es wirtschaftlich nicht machbar ist, bestimmte Fortschritte in der Maschinentechnologie auszunutzen oder bestimmte Legierungen für manche Bauteile zu verwenden.

Geschmiedete Bauteile können Schmiede-Unvollkommenheiten enthalten, die dazu neigen, schwierig zu prüfen zu sein. Darüber hinaus ist die präzise Reproduzierbarkeit ebenfalls ein Thema – Schmieden führt nicht zu Bauteilen mit Abmessungen, die von Teil zu Teil präzise dieselben sind. Nach der Prüfung müssen viele Teile noch erneut bearbeitet werden. Als eine allgemeine Regel müssen geschmiedete Teile zu etwa 20% der Zeit ausrangiert oder signifikant erneut bearbeitet werden. Darüber hinaus sind neuere, fortschrittlichere Legierungen auf Titanbasis zunehmend schwierig (wenn nicht unmöglich) und dementsprechend kostspieliger zu schmieden. Diese Bedenken verstärken sich nur, wenn komplexere dreidimensionale Strömungsprofil-Geometrien verwendet werden.

Gießen wurde in breitem Umfang verwendet, um Gegenstände einer Gestalt relativ nahe an der fertigen Gestalt herzustellen.

Investmentgießen, bei dem geschmolzenes Metall in eine Keramik-Gießmaske mit einem Hohlraum in der Gestalt des zu gießenden Gegenstands gegossen wird, kann zur Herstellung derartiger Gegenstände verwendet werden. Investmentgießen erzeugt jedoch extrem große Körner, z.B. ASTM1 oder größer (relativ zu der kleinen mittleren Korngröße, die durch Schmieden erreichbar ist), und in manchen Fällen umfasst das gesamte Teil ein einziges Korn. Darüber hinaus ist dieser Prozess teuer, da für jedes Teil eine individuelle Form hergestellt wird. Reproduzierbarkeit sehr präziser Abmessungen von Teil zu Teil ist schwierig zu erreichen. Zusätzlich wird das geschmolzene Material typischerweise in Luft oder einem anderen Gas geschmolzen, gegossen und/oder fest werden lassen, was zu Teilen mit unerwünschten Eigenschaften wie Einschlüssen und Porosität führen kann, besonders für Materialien, die reaktive Elemente wie Titan oder Aluminium enthalten.

Kokillenguss, bei dem geschmolzenes Material in eine mehrteilige, wiederverwendbare Form gegossen wird und nur unter der Kraft der Schwerkraft in die Form fließt, wurde ebenfalls allgemein zum Gießen von Teilen verwendet. Siehe z.B. das US-Patent Nr. 5 505 246 von Colvin. Kokillenguss hat jedoch mehrere Nachteile. Für dünne Gussteile wie Strömungsprofile kann die Kraft der Schwerkraft nicht ausreichend sein, um das Material in dünnere Abschnitte zu drängen, insbesondere dann, wenn Materialien mit hoher Schmelztemperatur und geringe Überhitzungen verwendet werden, und dementsprechend füllt sich die Form nicht durchweg, und die Teile müssen ausrangiert werden. Die Abmessungstoleranzen müssen relativ groß sein und erfordern dementsprechend mehr Bearbeitung nach dem Gießen, und Wiederholbarkeit ist schwierig zu erreichen. Kokillenguss führt auch zu einer relativ schlechten Oberflächen-Beschaffenheit, was auch mehr Bearbeitung nach dem Gießen erfordert.

Druckguss, bei dem geschmolzenes Metall unter Druck in eine wiederverwendbare Gießform eingespritzt wird, wurde in der Vergangenheit erfolgreich verwendet, um Gegenstände aus Materialien mit relativ niedrigen Schmelztemperaturen, z.B. unterhalb etwa 2000°F/1095°C, herzustellen. Wie beispielsweise in den US-Patenten Nr. 2 932 865, Nr. 3 106 002, Nr. 3 532 561 und Nr. 3 646 990 dargelegt, umfasst eine konventionelle Druckgussmaschine einen Schusskanal, der an eine (typischerweise fixierte) Platte einer mehrteiligen Gießform, z.B. einer zweiteiligen Gießform mit einer fixierten und einer beweglichen Platte, die zusammenwirken, um einen Gießform-Hohlraum zu definieren, montiert ist. Der Schusskanal ist horizontal, vertikal oder zwischen horizontal und vertikal geneigt ausgerichtet. Der Kanal steht mit einem Gießlauf der Gießform in Verbindung und weist eine Öffnung auf dem Kanal auf, durch die geschmolzenes Metall gegossen wird. Ein Kolben ist zur Bewegung in dem Kanal angeordnet, und ein Antriebsmechanismus bewegt den Kolben und zwingt geschmolzenes Metall aus dem Kanal in die Gießform. In einer Druckgussmaschine vom "Kaltkammer-"Typ ist der Schusskanal typischerweise horizontal ausgerichtet und wird nicht erwärmt. Das Gießen geschieht üblicherweise unter atmosphärischen Bedingungen, d.h. die Ausrüstung befindet sich nicht in einer nicht-reaktiven Umgebung wie einer Vakuumkammer oder in inerter Atmosphäre.

Die Nachteile derartiger Maschinen werden ebenfalls in den US-Patenten Nr. 3 646 990 und Nr. 3 791 440, beide von Cross, diskutiert, insbesondere in Verbindung mit der Unfähigkeit, derartige Maschinen zum Gießen von Materialien mit höherem Schmelzpunkt zu verwenden. In konventionellen Maschinen ist die Atmosphäre in dem Schusskanal nicht evakuiert, und der Kolben treibt auch jegliche Luft aus dem Kanal in die Gießform, was zur Porosität druckgegossener Gegenstände führt, ein Zustand, der sowohl unerwünscht als auch unzulässig ist, insbesondere wenn der Gegenstand in anspruchsvollen Anwendungen verwendet werden soll, wie Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt. Dementsprechend muss, um das Einspritzen von Blasen mit dem geschmolzenen Material zu vermeiden, der Schusskanal so vollständig wie möglich gefüllt sein, oder er ist geneigt, so dass jegliche Luft in dem geschmolzenen Material vor dem Einspritzen von der Gießform weg wandert. Drüber hinaus verfestigt sich, da der Schusskanal nicht erhitzt wird, eine Haut oder „Büchse" aus geschmolzenem Metall an der Innenseite des Schusskanals, und um den Kolben durch den Kanal zu bewegen, um das geschmolzene Metall in die Gießform einzuspritzen, muss der Kolben den Widerstand des fest gewordenen Metalls überwinden, wobei er die Haut von dem Kanal weg kratzt und dadurch „die Büchse zerdrückt". Die Büchse bildet jedoch ein strukturmäßig starkes Element, z.B. in der Form eines Zylinders, der von dem Kanal gestützt wird, der Kolben und/oder die zugehörige Anordnung zum Bewegen des Kolbens kann wegen des Widerstands gegen die Kolbenbewegung beschädigt oder zerstört werden. Wenn der Kolben thermisch verformt wird und der Gestalt des Kanals nicht angepasst ist, oder wenn der Kanal thermisch verformt wird, was den freien Raum zwischen dem Kanal und dem Kolben verändert, kann ein Durchtritt von Metall zwischen Kolben und Kanal („Zurückdrücken") auftreten und/oder den Kolben festfressen lassen, was alles die sich ergebenden Gegenstände nachteilig beeinflusst. Siehe auch US-Patent Nr. 3 533 464 von Parlanti et al.

Die Schrift Larsen D et al., „Vacuum-Die Casting Titanium for Aerospace and Commercial Components" Jom, The Society, TMS, Warrendale, PA, US, Vol. 51, Nr. 6, Juni 1999 (1999-06), Seiten 26-27, XP001026423 ISSN: 1047-4838, offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt durch Vakuum-Druckgießen von Titanlegierungen.

Trotz umfangreicher Bemühungen wurden die konventionellen "Kaltkammer-"Druckgussvorrichtungen nicht erfolgreich verwendet, um aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur, wie Titanlegierungen und Superlegierungen, bestehende Gegenstände herzustellen. Wie hierin verwendet, beziehen sich Superlegierungen allgemein auf jene Materialien, die durch hohe Festigkeit gekennzeichnet sind und die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit beibehalten. Derartige Materialien sind auch durch relativ hohe Schmelzpunkte gekennzeichnet. Versuche in der Vergangenheit, Materialien mit hoher Schmelztemperatur wie Titanlegierungen und Superlegierungen druckzugießen, führten zu nicht betriebsfähigen Druckgussmaschinen sowie zu Gegenständen, die durch mindere Qualität wie Verunreinigungen, übermäßige Porosität und relativ schlechte Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften gekennzeichnet waren.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, druckgegossene Gegenstände, die aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur wie Titanlegierungen bestehen, bereitzustellen.

Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gegenstände hoher Qualität bereitzustellen, die aus Legierungen mit einem beträchtlichen Gehalt an reaktiven Elementen wie Titan und Aluminium bestehen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, druckgegossene Gegenstände aus Titanlegierung mit Eigenschaften, die denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind, bereitzustellen.

Es ist eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gegenstände aus Titanlegierung, die eine Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit haben, die mit derjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände aus Titanlegierung vergleichbar ist, bereitzustellen.

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Gegenstände mit komplexen, dreidimensionalen Gestalten (wie Gasturbinenmaschinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln), die schwierig, wenn nicht unmöglich, zu schmieden sind, bereitzustellen.

Zusätzliche Aufgaben werden für Fachleute auf der Basis der folgenden Offenbarung und der Zeichnungen deutlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines druckgegossenen Gegenstands aus Titanlegierung offenbart. Der Gegenstand, beispielsweise ein Strömungsprofil für eine Gasturbinenmaschine, hat eine inverse beta-Mikrostruktur und hat bevorzugt auch eine für einen gegossenen Gegenstand feine mittlere Korngröße, z.B. ASTM1 oder kleiner, und ein Fehlen von Fließlinien. Zu beispielhaften Titanlegierungen gehören Ti 6Al-4V (Zusammensetzung aufweisend etwa 4 bis 8 Gew.-% Al und 3 bis 5 Gew.-% V, Rest im Wesentlichen Titan) oder Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Zusammensetzung aufweisend etwa 5,5 bis 6,5 Gew.-% Al, etwa 1,75 bis 2,25 Gew.-% Sn (Zinn), etwa 3,5 bis 4,5 Gew.-% Zr, etwa 1,8 bis 2,2 Gew.-% Mo, Rest im Wesentlichen Titan). Andere Titanlegierungen wurden ebenfalls erfolgreich druckgegossen, wie Ti 8Al-1Mo-1V und Titan-Aluminide.

Die Gegenstände haben sowohl eine Streckgrenze als auch eine Zugfestigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur, die denen geschmiedeter Teile, die aus demselben Material bestehen, zumindest vergleichbar sind, und sie haben auch ähnliche Ermüdungseigenschaften.

Die vorliegende Erfindung ist insofern vorteilhaft, als sie jegliches Erfordernis, speziell zugeschnittene Materialbarren herzustellen, beseitigt. Dementsprechend wird die Zeit, die zur Herstellung eines Teils, vom Ingot bis zum fertiggestellten Teil, erforderlich ist, beträchtlich verringert. Druckgießen kann weitgehend in einem einzigen Vorgang durchgeführt werden, im Gegensatz zu mehreren Schmiedevorgängen. Beim Druckgießen können mehrere Teile bei einem einzigen Guss hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexeren dreidimensionalen Gestalten als Schmieden, wodurch es ermöglicht, dass neue Software-Designtechnologie auf Gebieten wie Gasturbinenmaschinen angewendet und ausgenutzt wird, und die Herstellung aerodynamisch wirkungsvollerer Strömungsprofile und anderer Bauteile ermöglicht. Druckgießen ermöglicht die Herstellung derartiger Gegenstände unter Verwendung von Materialien, die schwierig oder unmöglich zu solchen Gestalten schmiedbar sind. Druckgegossene Teile werden mit einer Gestalt, die ihrer fertigen Gestalt näher ist, und mit einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit hergestellt, wodurch Nachbearbeitungsvorgänge nach der Herstellung minimiert werden und die Kosten der Herstellung derartiger Teile verringert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Ansicht eines druckgegossenen Gegenstands aus Titanlegierung, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.

2 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehenden Strömungsprofils, das nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, veranschaulicht.

3 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehenden Prüfstabs, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, veranschaulicht.

4 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus geschmiedetem Ti 6-4 bestehenden Strömungsprofils veranschaulicht.

5 und 6 veranschaulichen einen Vergleich von Eigenschaften für druckgegossenes Ti 6-4, das nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und geschmiedetes Ti 6-4.

7 und 8 veranschaulichen Ermüdungseigenschaften von druckgegossenem Ti 6-4 und entsprechenden geschmiedeten Gegenständen.

9 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehenden Strömungsprofils, das nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, veranschaulicht.

10 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehenden Prüfstabs, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, veranschaulicht.

11 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus geschmiedetem Ti 6-2-4-2 bestehenden Strömungsprofils veranschaulicht.

12 veranschaulicht einen Vergleich von Eigenschaften für druckgegossenes Ti 6-2-4-2, das nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und geschmiedetes Ti 6-2-4-2.

13 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines Gegenstands, der aus druckgegossenem Ti 8-1-1 besteht, veranschaulicht.

14 und 15 sind schematische Ansichten einer Druckgussmaschine, die in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist.

16 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Druckgießen von Materialien mit hoher Schmelztemperatur gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wendet man sich nun 1 zu, wird ein druckgegossener Gegenstand aus Titanlegierung, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Gegenstand eine Kompressor-Laufschaufel 10 für eine Gasturbinenmaschine und umfasst ein Strömungsprofil 12, eine Plattform 14 und eine Wurzel 16.

Eine Titanlegierung, die in breitem Umfang für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird (und auch bei vielen anderen Anwendungen verwendet wird), ist Ti-6Al-4V („Ti 6-4"), die im Allgemeinen etwa 4 bis 8 Gew.-% (Gewichtsprozent) Al, 3 bis 5 Gew.-% V, enthält. Ti 6-4 enthält typischerweise auch einige Verunreinigungen und kann beispielsweise auch bis zu 0,5 Gew.-% Fe, bis zu 0,25 Gew.-% O, bis zu 0,20 Gew.-% C, bis zu 0,1 Gew.-% N, bis zu 0,02 Gew.-% H, bis zu 0,01 Gew.-% Y, bis zu 0,4 Gew.-% andere Elemente enthalten.

Für Anwendungen bei höherer Temperatur, wo verbesserte Eigenschaften bei höherer Temperatur erforderlich sind, wird Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo („Ti 6-2-4-2") verwendet, und enthält im Allgemeinen etwa 5 bis 7 Gew.-% Al, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Sn (Zinn), 3,0 bis 5,0 Gew.-% Zr, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mo. Ti 6-2-4-2 enthält typischerweise auch einige Verunreinigungen und kann beispielsweise auch 0,05 bis 0,15 Gew.-% Si, bis zu 0,2 Gew.-% Fe, bis zu 0,25 Gew.-% O, bis zu 0,15 Gew.-% Cu, bis zu 0,1 Gew.-% N, bis zu 0,02 Gew.-% H, bis zu 0,010 Y, bis zu 0,4 Gew.-% andere Elemente enthalten.

Zu anderen Ti-Legierungen gehören Ti 8-1-1 und Titan-Aluminide, die aus stöchiometrischen Mengen an Titan und Aluminium bestehen. Ti 8-1-1 enthält im Allgemeinen etwa 7 bis 8,5 Gew.-% Al, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mo und 0,5 bis 1,5 Gew.-% V, Rest im Wesentlichen Titan. Ti 8-1-1 enthält typischerweise auch einige Verunreinigungen und kann beispielsweise auch bis zu 0,22 Gew.-% Si, bis zu 0,4 Gew.-% Fe, bis zu 0,15 Gew.-% O, bis zu 0,1 Gew.-% C, bis zu 0,25 Gew.-% Sn, bis zu 0,15 Gew.-% Cu, bis zu 750 ppm N, bis zu 200 ppm H, bis zu 50 ppm B, bis zu 75 ppm Y enthalten.

Im Allgemeinen bestehen Titan-Aluminide hauptsächlich aus Titan und Aluminium in stöchiometrischen Mengen, die Zusammensetzungen wie TiAl und TiAl3 haben. Titan-Aluminide werden beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4 294 615 und Nr. 4 292 077, beide von Blackburn et al., die hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden, diskutiert.

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Gegenstände sind durch eine stabile, vorwiegend inverse beta-Mikrostruktur gekennzeichnet, im Gegensatz zu der alpha + beta-Mikrostruktur, die bisher typischerweise in geschmiedeten Titan-Gegenstanden erzeugt wird. Zwar zeigen auch investmentgegossene Gegenstände typischerweise eine inverse beta-Mikrostruktur, aber eine solche Mikrostruktur besteht typischerweise sowohl aus größeren Körnern als auch gröberen alpha/beta-Bezirken (laths) als der druckgegossene Gegenstand, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Die jeweilige bevorzugte mittlere Korngröße und die maximale zulässige Korngröße hängen von der Anwendung und der Querschnittsdicke des Teils ab, z.B. davon, ob der Gegenstand zum Gebrauch in einer Gasturbinenmaschine gegenüber einer anderen Anwendung, bei drehenden gegenüber nicht-drehenden Teilen, die in Umgebungen niedrigerer Temperatur gegenüber Umgebungen höherer Temperatur arbeiten, gedacht ist. Für Gasturbinenmaschinen-Bauteile, wie Kompressor-Laufschaufeln und -Leitschaufeln, sollte die mittlere Korngröße ASTM1 oder kleiner, bevorzugter ASTM3 oder kleiner, sein.

Die Gegenstände aus Titanlegierung, wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, sind bevorzugt durch ein Fehlen von Fließlinien gekennzeichnet. Es sollte angemerkt werden, dass die Gegenstände nach dem Gießen thermomechanisch bearbeitet werden können, falls gewünscht. Mit anderen Worten, die druckgegossenen Gegenstände können danach als Vorformen zur Verwendung in einem Schmiedevorgang dienen. Um die Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zu maximieren, bevorzugen wir, dass die druckgegossenen Gegenstände nahezu zu ihrer Nettoform gegossen werden, um die Arbeit nach dem Gießen, die an den Gegenständen durchgeführt wird, und die zugehörigen Ausgaben zu minimieren.

Zusätzlich können die druckgegossenen Gegenstände bearbeitet werden, um eine etwaige Rest-Gießporosität, die vorhanden sein mag, zu erhitzen, wie durch isostatische Pressvorgänge wie heißisostatisches Pressen (HIP – hot isostatic pressing). Eine sorgfältige Auswahl der HIP-Parameter, wie Temperatur, Druck und Zeit, ist erforderlich, um irgendeine Porosität ohne Veränderung der feinkörnigen, inversen beta-Mikrostruktur auszuheilen. Die Temperatur muss ausreichend hoch sein, um ein Schließen der Porosität unter Druck zu ermöglichen, z.B. ein Kriechen zu ermöglichen, aber nicht so hoch, um ein Rekristallisieren des Materials zu ermöglichen, z.B. unterhalb der beta-Transustemperatur der Titanlegierung.

Im Fall von Ti 6-4 sollte die HIP-Temperatur bevorzugt 1750°F/950°C nicht überschreiten, und sie liegt bevorzugt er zwischen etwa 1550 bis 1650°F/845 bis 900°C. Ti 6-4 kann auch nach dem HIPen bei etwa 1550 F in einer nicht-reaktiven Umgebung, bevorzugt Argon oder Vakuum, für mindestens 2 h geglüht werden. Im Falle von Ti 6-2-4-2 sollte die HIP-Temperatur 1850°F/1010°C nicht überschreiten, und sie liegt bevorzugter zwischen 1650 bis 1750°F/9900 950°C. Ti 6-2-4-2 kann bei etwa 1100 F/595°C in einer nichtreaktiven Umgebung, bevorzugt Argon oder Vakuum, für mindestens 8 h hitzebehandelt werden. Eine zusätzliche Bearbeitung nach dem Gießen kann ebenfalls durchgeführt werden, wie Formatzen der Oberfläche, um Oberflächen-Verunreinigungen zu entfernen, eine Lösungsmittel-Behandlung zur Verbesserung der Oberflächen-Beschaffenheit, und zusätzliche thermische Zyklen, um eine besondere Ausgewogenheit der mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Eine solche zusätzliche Bearbeitung variiert in Abhängigkeit von Faktoren wie der Legierungszusammensetzung und den gewünschten Eigenschaften.

Aus Ti 6-4 bestehende druckgegossene Gegenstände wurden gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt, wie unten genauer diskutiert wird. Die Gegenstände umfassten Kompressor-Strömungsprofile und Prüfstäbe, und sie beinhalteten auch die obige Bearbeitung nach dem Gießen. Beispielhafte Mikrostrukturen eines Prüfstabs und eines Strömungsprofils sind in den 2 und 3 veranschaulicht. Die Mikrostruktur eines entsprechenden Strömungsprofils, das aus geschmiedetem Ti 6-4 besteht, ist in 4 veranschaulicht.

Ein Testen der Gegenstände bestätigte, dass die Eigenschaften denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar waren. Die jeweiligen erforderlichen Eigenschaften hängen zwar von der Verwendung, der irgendein bestimmter druckgegossener Gegenstand zugeführt wird, ab, aber druckgegossene Gegenstände, die anstelle von geschmiedeten Gegenständen verwendet werden sollen, müssen Eigenschaften haben, die denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände zumindest vergleichbar sind.

Die folgenden Werte wurden durch Testen von Standardproben, die aus Obergroßen Prüfstäben durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt wurden, erhalten. Ergebnisse von den druckgegossenen Gegenständen wurden mit Ergebnissen von Proben, die aus entsprechenden geschmiedeten Gegenständen durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt wurden, verglichen, und die Ergebnisse sind in den 5, 6, 7 und 8 gezeigt. Wie durch die 5 und 6 angegeben, sind druckgegossene Gegenstände bei Raumtemperatur und bei etwa 300°F/150°C durch vergleichbare 0,2%-Streckgrenzen, Zugfestigkeiten, Reißdehnungen und Schlagfestigkeiten gekennzeichnet.

Im Fall von Kompressor-Strömungsprofilen haben druckgegossene Strömungsprofile zumindest Festigkeitseigenschaften und Stoßeigenschaften, die denjenigen äquivalent sind, die entsprechende geschmiedete Gegenstände zeigen. Aus Ti 6-4 bestehende Kompressor-Strömungsprofile sollten bei Raumtemperatur eine 0,2%-Streckgrenze von mindestens 100 ksi/700 MPa, und bevorzugter mindestens 110 ksi/770 MPa, und am meisten bevorzugt mindestens 125 ksi/875 MPa, haben; und eine Streckgrenze bei 300°F/150°C von mindestens 90 ksi/630 MPa, und bevorzugter 100 ksi/700 MPa, und am meisten bevorzugt mindestens 105 ksi/735 MPa, haben. Derartige Gegenstände haben eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 110 ksi/770 MPa, und bevorzugter mindestens 125 ksi/875 MPa, und am meisten bevorzugt mindestens 135 ksi/945 MPa; und eine Zugfestigkeit bei 300°F/150°C von mindestens 100 ksi/700 MPa, und bevorzugter 110 ksi/770 MPa, und am meisten bevorzugt mindestens 120 ksi/840 MPa. Die Reißdehnung (in 4D) bei Raumtemperatur ist bevorzugt mindestens 10%, und bevorzugter mindestens 15%; und bei 300°F/150°C ist sie bevorzugt mindestens 13%, und bevorzugter mindestens 15%. Die Schlagfestigkeit bei Raumtemperatur ist bevorzugt mindestens 15 ft-lbs/2,1 mg-m, und bevorzugter mindestens 17 ft-lbs/2,35 kg-m; und bei 300 F/150°C ist sie bevorzugt mindestens 15 ft-lbs/2,1 kg-m, und bevorzugter mindestens 22 ft-lbs/3,04 kg-m.

Zusätzlich haben derartige Bauteile äquivalente Haltbarkeitseigenschaften, wie Ermüdungsfestigkeit, und insbesondere eine hohe Zyklus-Ermüdungstauglichkeit. Ermüdungstests verglichen auch druckgegossene Ti 6-4-Teile und entsprechende geschmiedete Teile, und die druckgegossenen Gegenstände zeigen Ermüdungslebensdauern, glatt und gekerbt, die geschmiedeten Gegenständen vergleichbar sind, wie in den 7 und 8 angegeben. Die obigen Werte sind entsprechenden geschmiedeten Gegenständen, die AMS 4928 (Rev. N, Apr. 1993) erfüllen, zumindest vergleichbar. Zu anderen relevanten Spezifizierungen gehören AMS 4967, 4965 und 4930, die alle durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden. Wiederum werden die spezifischen erforderlichen Werte in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung, der die Gegenstände zugeführt werden, variieren.

Aus Ti 6-2-4-2 bestehende druckgegossene Gegenstände wurden ebenfalls nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt, wie unten genauer diskutiert wird. Die Gegenstände umfassten Kompressor-Strömungsprofile und Prüfstäbe, und sie umfassten auch die obige Bearbeitung nach dem Gießen. Beispielhafte Mikrostrukturen eines Prüfstabs und eines Strömungsprofils sind in den 9 und 10 veranschaulicht. Die Mikrostruktur eines entsprechenden Strömungsprofils, das aus geschmiedetem Ti 6-2-4-2 besteht, ist in 11 veranschaulicht.

Wendet man sich nun allgemein 12 zu, haben aus Ti 6-2-4-2 bestehende druckgegossene Gegenstände, die als Kompressor-Strömungsprofile zu verwenden sind, Festigkeitseigenschaften und Stoßeigenschaften, die denjenigen, die entsprechende geschmiedete Gegenstände zeigen, die für diese Anwendung hergestellt werden, zumindest äquivalent sind. Aus Ti 6-2-4-2 bestehende Kompressor-Strömungsprofile sollten eine Streckgrenze bei 900 F/480°C von mindestens 55 ksi/385 MPa, und bevorzugter 65 ksi/455 MPa, und am meisten bevorzugt mindestens 72 ksi/504 MPa haben. Derartige Gegenstände sollten eine Zugfestigkeit bei 900°F/480°C von mindestens 75 ksi/525 MPa, und bevorzugter 85 ksi/595 MPa, und am meisten bevorzugt mindestens 95 ksi/665 MPa, haben. Die Reißdehnung (in 4D) bei 900 F/480°C ist bevorzugt mindestens 10%, und bevorzugter mindestens 13%.

Zusätzlich müssen derartige Bauteile äquivalente Haltbarkeitseigenschaften, wie Ermüdungsfestigkeit, und insbesondere eine hohe Zyklus-Ermüdungstauglichkeit haben. Ermüdungsversuche verglichen auch druckgegossene Ti 6-2-4-2-Teile und entsprechende geschmiedete Teile, und die druckgegossenen Gegenstände zeigen Eigenschaften, die denjenigen geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind, wie in 12 angegeben. Die obigen Werte sind entsprechenden geschmiedeten Gegenständen, die AMS 4976 (Rev. E, Juli 1994) erfüllen, vergleichbar; zu anderen relevanten Spezifizierungen gehört AMS 4975, die alle hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden.

Die obigen Beispiele stützen und veranschaulichen, dass Druckgießen verwendet werden kann, um Gegenstände herzustellen, die aus einem breiten Bereich von Titanlegierungszusammensetzungen bestehen. Zur weiteren Stützung wurden auch Gegenstände aus Ti 8-1-1 druckgegossen. Eine beispielhafte Mikrostruktur von druckgegossenem Ti 8-1-1 ist in 13 veranschaulicht. Es wird erwartet, dass Ermüdungsversuche, die druckgegossene Ti 8-1-1-Teile und entsprechende geschmiedete Teile vergleichen, zeigen, dass die druckgegossenen Gegenstände mit geschmiedeten Gegenständen vergleichbare Eigenschaften aufweisen. Die obigen Werte werden sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung, der die Gegenstände zugeführt werden, unterscheiden. Die obigen Werte sind mit entsprechenden geschmiedeten Gegenständen, die AMS 4973 (Rev. D, Okt. 1990) erfüllen, vergleichbar; zu anderen relevanten Spezifizierungen gehört AMS 4972, die alle hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden.

Wendet man sich den 14, 15 und 16 zu, bevorzugen wir, eine Druckgussmaschine (14 bis 15) des Typs mit einem nicht erhitzten Schusskanal („Kaltkammer") zu verwenden, um Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Allgemein wird eine Materialcharge hergestellt (16, Schritt 44), und das Material, das druckgegossen werden soll, wird in der Vorrichtung 18 geschmolzen (Schritt 4616). Wie allgemein bekannt ist, ist geschmolzenes Titan ein aggressives Material und greift das Material, in dem es geschmolzen wird, an. Dementsprechend bevorzugen wir, das Titan durch Induktions-Schalenerschmelzen oder Induktions-Schalenschmelzen (ISR – induction skull remelting or melting) 24 zu schmelzen, beispielsweise in einer Einheit des Typs, die von Consarc Corporation aus Rancocas, NJ, hergestellt wird, die in der Lage ist, eine einzige zu gießende Materialcharge, z.B. bis zu etwa 25 pound Material, schnell, sauber zu schmelzen. Beim ISR wird Material in einem Tiegel geschmolzen, der durch eine Mehrzahl von Metall (typischerweise Kupfer)-Fingern, die in einer Stellung nebeneinander gehalten werden, definiert wird. Der Tiegel ist von einer Induktionsspule umgeben, die an eine Stromquelle 26 gekoppelt ist. Die Finger enthalten Durchgänge für die Zirkulation von Kühlwasser von und zu einer Wasserquelle (nicht gezeigt), um ein Schmelzen der Finger zu verhindern. Das von der Spule erzeugte Feld erhitzt und schmilzt Material, das sich in dem Tiegel befindet. Das Feld dient auch dazu, das geschmolzene Metall zu bewegen oder zu rühren. Eine dünne Schicht des Materials, z.B. des Titans, gefriert an der Tiegelwand und bildet die Schale, wodurch es die Fähigkeit des geschmolzenen Titans, den Tiegel anzugreifen, minimiert. Durch geeignete Wahl des Tiegels und der Spule, und der an die Spule angelegten Stromstärke und -frequenz, ist es möglich, das geschmolzene Material von dem Tiegel weg zu drängen, was das Angreifen der Tiegelwand durch das geschmolzene Material weiter verringert. Durch Schmelzen von nur einer einzigen Charge, anstatt einen großen Behälter mit geschmolzener Legierung zu unterhalten, stellen wir sicher, dass Komponenten mit relativ niedrigen Schmelzpunkten relativ zu der Legierung insgesamt vor dem Gießen nicht verdampft werden und verloren gehen.

Wenn reaktive Materialien, wie Titan und Aluminium und Legierungen, die diese Materialien enthalten, zu gießen sind, ist es wichtig, diese Materialien in einer nichtreaktiven Umgebung zu schmelzen, um eine Reaktion, eine Verunreinigung oder einen anderen Zustand, der die Qualität der sich ergebenden Gegenstände nachteilig beeinflussen könnte, zu verhindern. Da irgendwelche Gase in der Schmelz-Umgebung in dem geschmolzenen Material eingeschlossen werden können und zu einer übermäßigen Porosität in druckgegossenen Gegenständen führen, bevorzugen wir, das Material in einer Vakuum-Umgebung anstatt in einer inerten Umgebung, z.B. Argon, zu schmelzen. Bevorzugter wird das Material in einer Schmelzkammer 20, die an eine Vakuumquelle 22 gekoppelt ist, geschmolzen, wobei die Kammer bei einem Druck von weniger als 100 &mgr;m, bevorzugt weniger als 50 &mgr;m, gehalten wird.

Wir bevorzugen zwar, einzelne oder kleinere Chargen von Titanmaterial unter Verwendung einer (SR-Einheit zu schmelzen, aber das Material kann auf andere Weise, wie durch Vakuum-Induktionsschmelzen (VIM – vakuum induction melting) und Elektronenstrahlschmelzen, geschmolzen werden, solange das Material, das geschmolzen wird, nicht signifikant verunreinigt wird. Darüber hinaus schließen wir nicht aus, Bulkmaterial, z.B. mehrere Materialchargen auf einmal, in einer Vakuum-Umgebung zu schmelzen und dann einzelne Chargen von geschmolzenem Material in den Schusskanal zum Einspritzen in die Gießform zu überführen. Da jedoch das Material in einem Vakuum geschmolzen wird, muss jegliche Vorrichtung, die verwendet wird, um das geschmolzene Material zu überführen, typischerweise in der Lage sein, hohe Temperaturen auszuhalten und in der Vakuumkammer angeordnet sein, und folglich muss die Kammer relativ groß sein. Die zusätzliche Ausrüstung trägt zu den Kosten bei, und die entsprechend große Vakuumkammer braucht zum Evakuieren länger, was die Zykluszeit beeinflusst.

Da notwendigerweise zwischen dem Schmelzen des Materials und dem Einspritzen des geschmolzenen Materials in die Gießform eine gewisse Zeit vergeht, wird das Material mit einer begrenzten Überhitzung geschmolzen – hoch genug, um sicherzustellen, dass das Material zumindest im Wesentlichen geschmolzen bleibt, bis es eingespritzt wird, aber niedrig genug, um sicherzustellen, dass beim Einspritzen ein schnelles Festwerden eintritt, was die Bildung kleiner Körner ermöglicht, und auch, um die thermische Belastung auf die Druckgussvorrichtung (insbesondere jene Bereiche der Vorrichtung, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommen) zu minimieren. Wir haben Titanlegierungen mit einer kontrollierten, begrenzten Überhitzung geschmolzen, z.B. haben wir erfolgreich Überhitzungen innerhalb von etwa 100°F bis 200°F/37 bis 95°C über der Schmelztemperatur der Legierung, und bevorzugter innerhalb von etwa 50°F bis 100°F/10 bis 37°C, verwendet, bevorzugt unter Verwendung eines keramikfreien Schmelzsystems wie einer Induktions-Schalenschmelzeinheit. Das Material wird genügend überhitzt, um sicherzustellen, dass es bis zum Einspritzen in die Form geschmolzen bleibt, aber der Betrag der Überhitzung ist niedrig genug, um ein schnelles Festwerden des geschmolzenen Materials nach dem Einspritzen zu ermöglichen.

Geschmolzene Legierung wird dann in einen horizontalen Schusskanal der Maschine, der sich bevorzugt in einer Vakuum-Umgebung befindet, überführt, und das geschmolzene Material wird dann unter Druck in eine wiederverwendbare Form eingespritzt. Wir haben gefunden, dass der Prozess des Gießens und Einspritzens des geschmolzenen Materials in einer oder zwei Sekunden bei einer Druckgussmaschine mit einem nicht erhitzten Schusskanal gut funktioniert.

Um geschmolzenes Material von dem Tiegel zu einem Schusskanal 30 der Vorrichtung (Schritt 4816) zu überführen, ist der Tiegel verschiebbar (Pfeil 31 in 15) und auch schwenkbar (Pfeil 33 von 14) um eine Gießachse montiert, und ist wiederum an einem Motor (nicht gezeigt) zum Drehen des Tiegels montiert, um geschmolzenes Material aus dem Tiegel durch ein Gießloch 32 des Schusskanals 30 zu gießen. Die Verschiebung des Tiegels geschieht zwischen der Schmelzkammer 20, in der Material geschmolzen wird, und einer Position in einer separaten Vakuumkammer 34, in der sich der Schusskanal befindet. Die Gießkammer 34 wird auch als eine nichtreaktive Umgebung gehalten, bevorzugt eine Vakuum-Umgebung mit einem Druckniveau von weniger als 100 &mgr;m, und bevorzugter weniger als 50 &mgr;m. Die Schmelzkammer 20 und die Gießkammer 34 werden durch ein Absperrventil oder ein anderes geeignetes Mittel (nicht gezeigt) getrennt, um den Verlust von Vakuum in dem Fall, dass eine Kammer der Atmosphäre ausgesetzt wird, z.B. um Zugang zu einem Bauteil in der jeweiligen Kammer zu erhalten, zu minimieren. Die veranschaulichte Ausführungsform umfasst zwar getrennte Schmelz- und Gießkammern, aber es ist auch möglich, Schmelzen und Gießen in einer einzigen Kammer durchzuführen. Wir bevorzugen, getrennte Kammern zu verwenden, um den Verlust von Vakuum-Umgebung in dem Fall, dass ein gegebenes Bauteil der Atmosphäre ausgesetzt werden muss, z.B. zum Warten der Schmelzeinheit oder des Schusskanals oder zum Entfernen eines Gussteils, zu minimieren.

Wie oben angegeben, wird das geschmolzene Material aus dem Tiegel 24 durch ein Gießloch 34 in den Schusskanal 30 überführt. Der Schusskanal 30 ist an eine mehrteilige, wiederverwendbare Gießform 36, die einen Gießform-Hohlraum 38 definiert, gekoppelt. Eine ausreichende Menge an geschmolzenem Material wird in den Schusskanal gegossen, um den Gießform-Hohlraum zu füllen, der ein Teil oder mehr als ein Teil enthalten kann. Wir haben erfolgreich bis zu zwölf Teile in einem einzigen Schuss gegossen, z.B. unter Verwendung einer Gießform mit zwölf Hohlräumen.

Die veranschaulichte Gießform 36 umfasst zwei Abschnitte, 36a, 36b (kann aber mehr Abschnitte umfassen), die zusammenwirken, um den Gießform-Hohlraum 38, beispielsweise in der Form einer Kompressor-Laufschaufel oder -Leitschaufel für eine Gasturbinenmaschine, zu definieren. Die Gießform 36 ist auch bevorzugt direkt an die Vakuumquelle und auch durch den Schusskanal gekoppelt, um ein Evakuieren der Gießform vor dem Einspritzen des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen. Die Gießform kann sich in einer Vakuumkammer befinden, anstelle direkt an eine Vakuumquelle gekoppelt zu sein, oder zusätzlich dazu. Ein Abschnitt der zwei Abschnitte 36a, 36b der Gießform ist typischerweise fixiert, während der andere Teil relativ zu dem einen Abschnitt, beispielsweise durch ein hydraulisches System (nicht gezeigt), beweglich ist. Die Gießform weist bevorzugt Ausstoßstifte (nicht gezeigt) auf, um das Ausstoßen von verfestigtem Material aus der Gießform zu erleichtern. Die Gießform kann auch einen Abstreifmechanismus (nicht gezeigt) zum Entfernen von Gießmaterial aus der Gießform, während das Material noch heiß ist, aufweisen, um die thermischen Belastungen der Gießform weiter zu verringern.

Die Gießform kann aus verschiedenen Materialien bestehen und sollte eine gute thermische Leitfähigkeit haben und relativ beständig gegen Erosion und chemischen Angriff durch das Einspritzen des geschmolzenen Materials sein. Eine umfassende Liste möglicher Materialien würde recht groß sein und umfasst Materialien wie Metalle, Keramiken, Graphit, Keramikmatrix-Verbundmaterialien und Metallmatrix-Verbundmaterialien. Jedes der verschiedenen Gussform-Materialien hat Attribute, z.B. Einfachheit der maschinellen Bearbeitung, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kompromisse der beiden, die es für unterschiedliche Anwendungen wünschenswert machen. Für Titan bevorzugen wir gegenwärtig die Verwendung von Gießformen, die aus weichem Kohlenstoffstahl bestehen, z.B. 1018, wegen seiner geringen Kosten und Einfachheit der maschinellen Bearbeitung. Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen können verwendet werden, um das Betriebsverhalten der Vorrichtung und die Qualität der sich ergebenden Teile zu verbessern. Die Gießform kann auch mit einer Kühlmittel-Quelle wie Wasser oder einer Wärmequelle wie Öl (nicht gezeigt) verbunden werden, um die Gießform-Temperatur während des Betriebs thermisch im Griff zu haben. Zusätzlich kann ein Gießform-Schmiermittel auf ein oder mehrere ausgewählte Teile der Gießform und der Druckgussvorrichtung aufgebracht werden. Ein Schmiermittel sollte im Allgemeinen die Qualität von sich ergebenden gegossenen Gegenständen verbessern, und spezieller sollte es gegen thermischen Abbau beständig sein, um das Material, das eingespritzt wird, nicht zu verunreinigen.

Geschmolzenes Metall wird dann aus dem Tiegel in den Schusskanal überführt. Eine ausreichende Menge an geschmolzenem Metall wird in den Schusskanal gegossen, um den Kanal teilweise zu füllen und danach die Gießform zu füllen. Bevorzugt ist der Kanal zu weniger als 50% gefüllt, bevorzugter zu weniger als etwa 40% gefüllt, und am meisten bevorzugt zu weniger als 30% gefüllt.

Eine Einspritzvorrichtung wie ein Kolben 40 wirkt mit dem Schusskanal 30 zusammen, und eine Hydraulik oder ein anderes geeignetes System (nicht gezeigt) treibt den Kolben in die Richtung des Pfeils 42, um den Kolben zwischen der Position, die durch die durchgezogenen Linien veranschaulicht wird, und der Position, die durch die gestrichelten Linien veranschaulicht wird, zu bewegen und dadurch das geschmolzene Material unter Druck aus dem Kanal 30 in den Gießform-Hohlraum 38 einzuspritzen (Schritt 5015). In der Position, die durch durchgezogene Linien veranschaulicht wird, wirken der Kolben und der Kanal zusammen, um ein Volumen zu definieren, das wesentlich größer ist als die Menge an geschmolzenem Material, die eingespritzt werden wird. Bevorzugt beträgt das Volumen mindestens das Doppelte des Volumens des einzuspritzenden Materials, bevorzugter mindestens das Dreifache. Dementsprechend füllt das Volumen des geschmolzenen Materials, das aus dem Tiegel in den Kanal überführt wird, weniger als die Hälfte, und am meisten bevorzugt weniger als etwa ein Drittel, des Kanalvolumens. Da der Kanal nur teilweise gefüllt ist, bildet irgendein Material oder irgendeine Haut, die an dem Kanal fest wird, nur einen Teilzylinder, z.B. eine offene gebogene Oberfläche, und wird während der Metall-Einspritzung leicht abgekratzt oder zerstoßen und wieder in das geschmolzene Material inkorporiert. Zum Einspritzen haben wir Kolbengeschwindigkeiten von zwischen etwa 30 inch/s (ips) und 300 ips (mit einem Schusskanal mit einem Innendurchmesser von etwa 3 inch) verwendet, und gegenwärtig bevorzugen wir, eine Kolbengeschwindigkeit von zwischen etwa 50 bis 175 inch/s (ips)/1,2 bis 4,5 m/s zu verwenden. Der Kolben wird typischerweise mit einem Druck von mindestens 1200 psi/8,4 MPa, und bevorzugter mindestens 1500 psi/10,5 MPa, bewegt.

Wenn sich der Kolben dem Ende seiner Hublänge nähert, wenn der Gießform-Hohlraum gefüllt ist, beginnt er, Druck auf das Metall zu übertragen. Es kann dann wünschenswert sein, den Druck zu steigern, um ein vollständiges Füllen des Form-Hohlraums sicherzustellen, die jeweiligen Steigerungsparameter hängen von dem gewünschten Ergebnis ab. Die Steigerung wird durchgeführt, um die Porosität zu minimieren und um irgendeine Materialschrumpfung während des Abkühlens zu verringern oder auszuschließen. Wie haben eine Steigerung über 1500 psi/10,5 MPa mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet. Nach dem Verstreichen einer ausreichenden Zeitspanne, um das Festwerden des Materials in der Gießform sicherzustellen, werden die Ausstoßstifte (nicht gezeigt) betätigt, um die Teile aus der Gießform auszustoßen (Schritt 5216).

Wie in der Technik bekannt ist, enthalten gegossene Gegenstände typischerweise eine gewisse Porosität, im Allgemeinen bis zu einigen wenigen Prozent. Dementsprechend, und insbesondere wenn derartige Gegenstände bei anspruchsvolleren Anwendungen wie Kompressor-Strömungsprofilen für Gasturbinenmaschinen verwendet werden, gibt es ein Bedürfnis, die Porosität zu verringern und bevorzugt zu beseitigen und in sonstiger Weise zu behandeln, wie erforderlich (Schritt 5416). Die Teile werden daher bevorzugt heißisostatisch gepresst (geHIPt), wie oben beschrieben, um die Porosität in den Teilen, wie gegossen, zu verringern und im Wesentlichen zu beseitigen. Für Gegenstände aus Titanlegierung bevorzugen wir im Allgemeinen, bei einer Temperatur von über etwa 1500 bis 1600°F/815 bis 870°C (und unterhalb der beta-Transustemperatur von etwa 1850 F/1010°C, wenn es erwünscht ist, die vorliegende beta-Phase beizubehalten), bei einem Druck von mindestens 14 ksi/98 MPa, bevorzugter über 14,5 ksi/101,5 MPa, und für mindestens 2 h zu HIPen.

Gewünschtenfalls können die Gegenstände dann wärmebehandelt werden. Wie oben angegeben, können die Gegenstände für Strömungsprofile, die aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehen, auf eine Temperatur von zwischen etwa 1500 bis 1600 F/815 bis 870°C in einer inerten Umgebung, z.B. Argon oder Vakuum, für mindestens 2 h erhitzt werden. Für Strömungsprofile, die aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehen, werden die Gegenstände bevorzugt auf eine Temperatur von zwischen etwa 1000 bis 1200 F, bevorzugter etwa 1100 F/590°C, in einer inerten Umgebung, z.B. Argon oder Vakuum, für mindestens 8 h erhitzt. Die tatsächlichen Wärmebehandlungs- und HIP-Parameter können in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung für den Gegenstand und der Ziel-Zykluszeit für den Prozess variiert werden, jedoch müssen die Temperatur, der Druck und die Zeit, die während des HIPens verwendet werden, ausreichend sein, um im Wesentlichen die gesamte Porosität in den gegossenen Gegenständen zu beseitigen, aber kein signifikantes Kornwachstum und keine Vergröberung irgendeiner alpha-Phase und der beta-Phase in der inversen beta-Mikrostruktur zu erlauben.

Die Teile werden unter Verwendung konventioneller Prüftechniken geprüft (Schritt 5616), z.B. durch Fluoreszenz-Eindringprüfung (FPI – fluorescent penetrant inspection), radiografisch, visuell, und nach dem Durchlaufen der Prüfung können sie verwendet werden oder weiter bearbeitet/erneut bearbeitet werden, falls erforderlich (Schritt 5816).

Als ein Ergebnis unserer Arbeit mit Titanlegierungen glauben wir, dass mehrere Bedingungen wichtig sind, um Gussteile guter Qualität herzustellen. Das Schmelzen, Gießen und Einspritzen von Material muss, insbesondere für reaktive Materialien wie Titanlegierungen, in einer nicht-reaktiven Umgebung durchgeführt werden, und wir bevorzugen, diese Vorgänge in einer Vakuum-Umgebung, die bei einem Druck von bevorzugt weniger als 100 &mgr;m, und bevorzugter weniger als 50 &mgr;m, gehalten wird, durchzuführen. Der Betrag der Überhitzung sollte ausreichend sein, um sicherzustellen, dass das Material von der Zeit, zu der es gegossen wird, bis es eingespritzt wird, im Wesentlichen und vollständig geschmolzen bleibt, aber auch, um ein schnelles Abkühlen und die Bildung kleiner Körner zu ermöglichen, sobald es eingespritzt ist. Wegen der relativ geringen Überhitzung muss die Überführung des geschmolzenen Metalls und das Einspritzen schnell genug sein, um vor dem Festwerden des Metalls zu geschehen. Die sich ergebende Mikrostruktur wie die Korngröße scheint der Abschnittsdicke des Teils, das gegossen wird, sowie den verwendeten Gießform-Materialien und der verwendeten Überhitzung zu entsprechen, d.h. dünnere Abschnitte neigen dazu, kleinere Körner zu enthalten, und dickere Abschnitte (insbesondere Innenbereiche dickerer Abschnitte) neigen dazu, größere Körner zu enthalten. Gießform-Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit führen zu Gegenständen mit kleineren Körnern, wie es die Verwendung geringerer Überhitzungen tut. Wir glauben, dass sich dies aus den relativen Kühlgeschwindigkeiten ergibt. Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben bewegt wird, und dementsprechend die Geschwindigkeit, mit der Material in die Form eingespritzt wird, scheint die Oberflächen-Beschaffenheit der Gegenstände, wie gegossen, zu beeinflussen, obwohl die Konstruktion des Einlaufsystems sowie das Gießform-Material in Kombination mit der Einspritzgeschwindigkeit ebenfalls eine Rolle spielen können.

Druckgießen stellt gegenüber dem Schmieden andere signifikante Vorteile bereit. Vom Standpunkt der erforderlichen Ausrüstung her erfordert das Schmieden die Herstellung mehrerer Formen, um ein neues Teil herzustellen, mit signifikanten Kosten. Im Gegensatz dazu ist pro Teil nur ein einziger Gießform-Satz erforderlich, mit relativ zum Schmieden signifikant verringerten Ausgaben. Die Zeit, die zur Herstellung eines Teils, vom Ingot zum fertiggestellten Teil; erforderlich ist, wird signifikant verringert, da es kein Erfordernis gibt, speziell zugeschnittene Materialbarren herzustellen, und da das Gießen allgemein in einem einzigen Schritt durchgeführt wird, im Gegensatz zu mehreren Schmiedevorgängen. Beim Druckgießen können mehrere Teile bei einem einzigen Gießen hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexeren dreidimensionalen Formen, wodurch es ermöglicht, dass neue Software-Designtechnologie auf Gebieten wie Gasturbinenmaschinen angewendet und ausgenutzt wird, und die Herstellung effizienterer Strömungsprofile und anderer Bauteile ermöglicht. Wir glauben, dass das Druckgießen die Herstellung von Gegenständen mit komplexeren Formen ermöglichen wird, wobei Materialien verwendet werden, die schwierig oder unmöglich zu jenen Formen zu schmieden sind. Darüber hinaus können druckgegossene Teile mit einer Form näher an ihrer fertiggestellten Form hergestellt werden, und mit einer hervorragenden Oberflächen-Beschaffenheit, was Nachbearbeitungsvorgänge nach der Herstellung minimiert, was alles ebenfalls die Kosten der Herstellung derartiger Teile verringert.

Die vorliegende Erfindung wurde zwar oben recht genau beschrieben, aber es versteht sich, dass die Erfindung in veranschaulichender Weise und nicht in beschränkender Weise beschrieben wurde und in den folgenden Ansprüchen definiert wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines druckgegossenen Gasturbinenmaschinen-Bauteils, das aus Titanlegierung besteht, folgende Schritte aufweisend:

a) Vorbereiten einer Material-Charge;

b) Schmelzen der Material-Charge unter Verwendung einer Induktions-Schalenschmelzeinheit, die unter einer Vakuumumgebung von weniger als 100 &mgr;m arbeitet, und Erhitzen der Material-Charge auf eine Überhitzung innerhalb von 50°F bis 100°F/27,7 bis 55,5°C;

c) Gießen der geschmolzenen Material-Charge in einen nicht erwärmten horizontalen Schusskanal einer Druckgussmaschine unter der Vakuumumgebung, so dass das geschmolzene Material weniger als 50 % des Schusskanal-Volumens füllt; und

d) Einspritzen des geschmolzenen Materials unter Druck in eine wiederverwendbare Form;

wobei die Material-Charge ausgewählt wird aus:

i) 4 bis 8 Gew.-% Al und 3 bis 5 Gew.-% V, bis zu 0,5 Gew.-% Fe bis zu 0,25 Gew.-% O, bis zu 0,20 Gew.-% C, bis zu 0,1 Gew.-% N, bis zu 0,02 Gew.-% H, bis zu 0,01 Gew.-% Y, Rest Titan und Verunreinigungen;

ii) 5 bis 7 Gew.-%, Al, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Sn, 3,0 bis 5,0 Gew.-% Zr und 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mo, gewünschtenfalls 0,05 bis 0,15 Gew.-% Si, bis zu 0,2 Gew.-% Fe, bis zu 0,25 Gew.-% O, bis zu 0,15 Gew.-% Cu, bis zu 0,1 Gew.-% N, bis zu 0,02 Gew.-% H, bis zu 0,010 Y, Rest Titan und Verunreinigungen; oder

iii) 7 bis 8,5 Gew.-% Al, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mo und 0,5 bis 1,5 Gew.-% V, bis zu 0,22 Gew.-% Si, bis zu 0,4 Gew.-% Fe, bis zu 0,15 Gew.-% O, bis zu 0,1 Gew.-% C, bis zu 0,25 Gew.-% Sn, bis zu 0,15 Gew.-% Cu, bis zu 750 ppm N, bis zu 200 ppm H, bis zu 50 ppm B, bis zu 75 ppm Y, Rest Titan und Verunreinigungen.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem das Volumen an geschmolzenem Material, das in den Schusskanal überführt wird, weniger als 40 % des Schusskanal-Volumens beträgt. Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht, bei dem das Volumen an geschmolzenem Material, das in den Schusskanal überführt wird, weniger als 30 % des Schusskanal-Volumens beträgt. Verfahren wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei dem der Prozess des Gießens und Einspritzens des geschmolzenen Materials in weniger als 2 Sekunden durchgeführt wird. Verfahren wie in Anspruch 4 beansprucht, bei dem der Prozess des Gießens und Einspritzens des geschmolzenen Materials in weniger als einer Sekunde durchgeführt wird. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, bei dem die geschmolzene Charge mit einer Kolbengeschwindigkeit von 1,2 bis 4,5 m/s (50 bis 175 inch/s) in die Form eingespritzt wird. Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, bei dem die Material-Charge aus 5 bis 7 Gew.-% Al, 3,5 bis 4,5 Gew.-% V, bis zu 0,5 Gew.-% Fe, bis zu 0,25 Gew.-% O, bis zu 0,20 Gew.-% C, bis zu 0,1 Gew.-% N, bis zu 0,02 Gew.-% H, bis zu 0,01 Gew.-% Y, Rest Titan und Verunreinigungen besteht. Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, bei dem die Material-Charge aus 5,5 bis 6,5 Gew.-% Al, 1,75 bis 2,25 Gew.-% Sn, 3,5 bis 4,5 Gew.-% Zr, 1,8 bis 2,2 Gew.-% Mo, bis zu 0,2 Gew.-% Fe, bis zu 0,15 Gew.-% C, bis zu 0,25 Gew.-% O, bis zu 0,1 Gew.-% N, bis zu 0,02 Gew.-% H, und bis zu 0,01 Y, Rest Titan und Verunreinigungen besteht. Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, bei dem die Material-Charge aus 7,35 bis 8,35 Gew.-% Al, 0,75 bis 1,25 Gew.-% Mo und 0,75 bis 1,25 Gew.-% V, bis zu 0,15 Gew.-% Si, bis zu 0,4 Gew.-% Fe, bis zu 0,15 Gew.-% O, bis zu 0,1 Gew.-% C, bis zu 0,25 Gew.-% Sn, bis zu 0,15 Gew.-% Cu, bis zu 750 ppm N, bis zu 200 ppm h, bis zu 50 ppm, bis zu 75 ppm Y, Rest Titan und Verunreinigungen besteht. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, bei dem die Vakuum-Umgebung weniger als 50 &mgr;m beträgt. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, bei dem das Bauteil bei einer Temperatur über 1500°F/815°C und unter 1850°F/1010°C bei einem Druck von mindestens 14 ksi/98 MPa für mindestens zwei Stunden heißisostatisch gepresst wird. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, bei dem mehr als ein Teil in einem einzigen Schuss gegossen wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com