DE10150674B4 - Process for the production of heavy-duty components made of TiAl alloys - Google Patents
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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.Process for producing highly stressed components from α + γ-titanium aluminum alloys, in particular for aircraft engines or stationary gas turbines, wherein
Encapsulated TiAl blanks of globular structure are preformed by isothermal primary deformation in the α + γ or α-phase region in the temperature range from 1000 ° C to 1340 ° C or in the α-phase region in the temperature range from 1340 to 1360 ° C by forging or extrusion,
- The preforms formed by at least one isothermal secondary forming process with simultaneous dynamic recrystallization in the α + γ or α-phase region in the temperature range of 1000 ° C to 1340 ° C by forging to components predeterminable contour,
- To adjust the microstructure solution-annealed the components in the α-phase region, and
- then cooled quickly.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α + γ-TiAl-Legierungen, insbesondere von Bauteilen für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen.The The invention relates to a process for producing highly resilient Components made of α + γ-TiAl alloys, in particular of components for Aero 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.TiAl-based alloys belong to the group of intermetallic materials which have been developed for applications in the area of the superalloy application temperature. With a density of about 4g / cm 3 , this new alloy class offers considerable potential for weight reduction and associated reduction of stresses on moving components at temperatures above 700 ° C. This weight and voltage reduction also has an effect on blades and disks of gas turbines or, for example, components of piston engines. The difficulty of working TiAl alloys by forming processes is due to high yield stresses and low fracture toughness and ductility at low and medium temperatures. Forming processes must therefore be carried out at high temperatures in the region of the α + γ or α-phase region in a protective atmosphere.
Der
Die
In
der
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 in the prior art addressed manufacturing method, under for other things TiAl components, lead due to the Umformtechnischen conditions shown here in technical Regards not to the necessary quality characteristics as they are for dynamic / thermal heavy-duty components are required.
Aus
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.outgoing Of the disadvantages mentioned in the prior art is the Invention, the object of a method for producing leichtbauender and heavy-duty components for the conventional and aviation technology made of TiAl alloys to provide, with which over the prior art a improved fatigue strength, reliability and increased operating life realized can be.
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.
- Encapsulated TiAl blanks of globular structure are preformed by isothermal primary deformation in the α + γ or α-phase region in the temperature range from 1000 ° C to 1340 ° C or in the α-phase region in the temperature range from 1340 to 1360 ° C by forging or extrusion,
- - the preforms by at least one isothermal secondary forming process with simultaneous dynamic recrystallization in the α + γ- or α-phase region in the temperature range of 1000 ° C to 1340 ° C formed by forging to components predeterminable contour,
- - To adjust the microstructure solution-annealed the components in the α-phase region, and
- - then cooled quickly.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.advantageous Further developments of the method according to the invention can be found in the dependent claims.
Abweichend
zum Stand der Technik gemäß
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.To the Use is made of very homogeneous TiAl blanks with globular grain structure, in a corresponding way a primary as well as at least one adjoining it secondary transformation in the α + γ or α-phase region be subjected.
Die Primärumformung kann durch Schmieden oder Strangpressen erfolgen. Die Sekundärumformung erfolgt vorteilhafterweise durch Schmieden.The primary shaping can be done by forging or extrusion. The secondary deformation takes place advantageously 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 Forging blanks are used in both primary and secondary forming encapsulated, among which the expert, inter alia, a shaping Tool with upper and lower part can understand.
Die
geeigneten Schmiedefenster sind gekennzeichnet durch ein ausgeprägtes Fließ-/Spannungsmaximum,
was im Gegenteil zum Stand der Technik gemäß
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 high-strength components for conventional and aviation technology
43-47%, especially 45-47% Al
5-10% Nb
Max. 8.0% B
Max. 0.5% C
Remaining titanium and impurities caused by melting
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, since silicon is known to be true to the desired Grain refining is, on the other hand, to the already mentioned undesirable Accompanying 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 forming) advantageously takes place in heated molybdenum or graphite tools.
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 The following example describes a method for the production of rotor disks, can be used for Aircraft gas turbines, although other heavy duty components than for the conventional and air traffic engineering, such as components of internal combustion engines (e.g., valves).
Zur
Anwendung kommt ein Rohling der chemischen Zusammensetzung (in Atom-%)
46%
Al
7,5% Nb
0,3% C
0,5% B
Rest TiFor use comes a blank of the chemical composition (in atomic%)
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.The blank is subjected in a first step to an isothermal primary forming at an α + γ temperature of 1200 ° C. A flat track system is used to generate so-called pancakes. The isothermal primary deformation takes place at a deformation rate of 10 -4 / s. In a second isothermal forging process, the pancakes are forged in a shaping forging tool with upper and lower parts ready to slices. The isothermal secondary deformation takes place in this example at an α + γ temperature of 1150 ° C and a forming rate of 10 -3 / s instead.
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 Setting the later Useful properties of the rotor disks thus produced become the same at an α-temperature of 1360 ° C solution annealed and then in oil with a Cooling rate of 10 ° C / s quickly cooled. The finishing is done conventionally and is not subject matter this invention.
Das folgende Beispiel zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, einsetzbar in stationären Gasturbinen.The The following example shows a method for the production of 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 TiFor use comes a blank of the composition (in atomic%)
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.Of the first forging process of a base material for α + γ-TiAl blanks in this Example take place in that in a forging with a disk-shaped Engrave the volume distribution for A larger number of blanks (here 10 pieces) in the α + γ phase region is carried out at about 1150 ° C. The separation of the blanks should in this example in the high temperature range a cutting tool brought about become. By this measure will be a cooling the blanks with subsequent resist heating for the subsequent forming process dispensable.
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 in a shaping forging tool with upper and lower parts to blades ready. This secondary transformation takes place in this example in the α + γ phase region at about 1150 ° C and a forming rate of 10 3 s -1 instead.
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 Setting the later Use properties of the turbine blades thus produced are the same at an α-temperature solution-annealed at 1360 ° C and then rapidly in oil cooled.
Herstellprozesse weiterer Bauteile unterscheiden sich von diesem Beispiel lediglich in ihrer geometrischen Ausbildung.manufacturing processes 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 previously described alloy composition and the selected temperature ranges for the primary and secondary Isothermal transformation are only examples.
Claims (6)
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- 2001-10-17 DE DE10150674A patent/DE10150674B4/en not_active Expired - Lifetime
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Owner name: ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG, 15827 DAHLEWI Owner name: THYSSENKRUPP TURBINENKOMPONENTEN GMBH, 42859 REMSC |
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Owner name: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN REMSCHEID GMBH, 4285 Owner name: ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG, 15827 DAHLEWI |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG, DE Free format text: FORMER OWNERS: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN REMSCHEID GMBH, 42859 REMSCHEID, DE; ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG, 15827 BLANKENFELDE, DE Effective date: 20130402 Owner name: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN REMSCHEID GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN REMSCHEID GMBH, 42859 REMSCHEID, DE; ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG, 15827 BLANKENFELDE, DE Effective date: 20130402 Owner name: ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG, DE Free format text: FORMER OWNER: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN R, ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & C, , DE Effective date: 20130402 Owner name: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN REMSCHEID GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: LEISTRITZ TURBINENKOMPONENTEN R, ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & C, , DE Effective date: 20130402 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: LINDNER / BLAUMEIER PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Effective date: 20130402 Representative=s name: LINDNER BLAUMEIER PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Effective date: 20130402 |
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R071 | Expiry of right |