DE10156336A1 - Process for the production of alloy ingots - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen oder intermetallischen Legierungs-Ingots hoher Homogenität und geringer Porosität mit beliebig einstellbarem Durchmesser, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen: DOLLAR A (i) Herstellung von Elektroden durch übliches Vermischen und Verpressen der ausgewählten Ausgangsstoffe, DOLLAR A (ii) mindestens einmaliges Umschmelzen der in Stufe (i) erhaltenen Elektroden durch ein übliches schmelzmetallurgisches Verfahren, DOLLAR A (iii) induktives Abschmelzen der in Stufe (i) oder (ii) erhaltenen Elektroden in einer Hochfrequenz-Spule, DOLLAR A (iv) Homogenisieren der in Stufe (iii) erhaltenen Schmelze in einem Kaltwandinduktionstiegel und DOLLAR A (v) Abziehen der Schmelze unter Kühlung aus dem Kaltwandinduktionstiegel von Stufe (iv) in Form von Blöcken mit frei einstellbarem Durchmesser.The invention relates to a method for producing metallic or intermetallic alloy ingots of high homogeneity and low porosity with an arbitrarily adjustable diameter, characterized by the following steps: DOLLAR A (i) Production of electrodes by customary mixing and pressing of the selected starting materials, DOLLAR A ( ii) remelting at least once the electrodes obtained in stage (i) by a conventional melt metallurgical process, DOLLAR A (iii) inductively melting the electrodes obtained in stage (i) or (ii) in a high-frequency coil, DOLLAR A (iv) homogenizing the melt obtained in stage (iii) in a cold wall induction crucible and DOLLAR A (v) withdrawing the melt with cooling from the cold wall induction crucible of stage (iv) in the form of blocks with a freely adjustable diameter.
Description
Die Erfindung betrifft ein neues schmelzmetallurgisches Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Blöcken aus metallischen oder intermetallischen Legierungen (Ingots) mit hoher chemischer und struktureller Homogenität, insbesondere Ingots aus γ-TiAl. The invention relates to a new melt metallurgical Process for the cost-effective production of blocks metallic or intermetallic alloys (ingots) with high chemical and structural homogeneity, in particular Γ-TiAl ingots.
Die intermetallischen Legierungen auf γ-TiAl-Basis haben im Jahr 2000 aufgrund ihrer in Kombination einzigartigen Materialeigenschaften mit Anwendungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilrennsport den Sprung vom Entwicklungslabor in die industrielle Anwendung vollzogen. Die vorteilhaften Hochtemperatureigenschaften in Kombination mit einem geringen Gewicht ermöglichen deren Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Die hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit macht den Werkstoff für schnell bewegliche Bauteile in Maschinen, z. B. für Ventile in Verbrennungsmotoren oder für Schaufeln in Gasturbinen, interessant. Die Eigenschaften dieses Werkstoffs hängen dabei in einem bisher bei Strukturwerkstoffen nicht bekanntem Maße von der chemischen und strukturellen Homogenität ab. Demzufolge ist die Herstellung von entsprechend hochqualitativen Ingots technisch sehr anspruchsvoll und teuer. Homogene Ingots werden für verschiedene Prozeßrouten zur Herstellung weiterer Halbzeuge oder Bauteile aus TiAl als Ausgangsmaterial benötigt (vgl. H. Clemens und H. Kestler (2000), Advanced Engineering Materials 9, 551; Y.-W. Kim (1994), JOM 46 (7), 30 sowie P. A. Bartolotta und D. L. Krause (1999) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, D. M. Dimiduk and M. H. Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999), 3-10). The γ-TiAl-based intermetallic alloys made the leap from development laboratory to industrial application in 2000 due to their combination of unique material properties with applications in aerospace and automotive racing. The advantageous high-temperature properties in combination with a low weight enable their use in the aerospace industry. The high temperature and corrosion resistance makes the material for fast moving components in machines, e.g. B. for valves in internal combustion engines or for blades in gas turbines, interesting. The properties of this material depend on the chemical and structural homogeneity to an extent not previously known for structural materials. As a result, the production of high-quality ingots is technically very demanding and expensive. Homogeneous ingots are required as starting material for various process routes for the production of further semi-finished products or components made of TiAl (cf. H. Clemens and H. Kestler ( 2000 ), Advanced Engineering Materials 9 , 551 ; Y.-W. Kim ( 1994 ), JOM 46 ( 7 ), 30 and PA Bartolotta and DL Krause ( 1999 ) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, DM Dimiduk and MH Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999 ), 3-10).
Die gegenwärtig verwendeten technischen Legierungen auf γ- TiAl-Basis sind mehrphasig aufgebaut und enthalten neben dem geordneten tetragonalen γ-TiAl als Hauptphase das geordnete hexagonale α2-Ti3Al, typischerweise mit einem Anteil von 5-15 Vol.-%. Refraktärmetalle als Legierungselemente können zur Ausbildung einer metastabilen krz-Phase führen, die entweder als β-Phase (ungeordnet) bzw. als B2-Phase (geordnet) auftritt. Diese Legierungszusätze verbessern die Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit. Si, B und C dienen in geringen Mengen zur Kornfeinung des Gußgefüges (vgl. B. Inkson und H. Clemens (1999), MRS Symp. Proc. 552, KK3.12; S. Huang, Hall E. Shuh D. (1991), ISIJ International 31 (10), 1100 und Y.-W. Kim und D. M. Dimiduk (1991), JOM 8, 40). Entsprechende C-Gehalte können zu Ausscheidungshärtungen führen (vgl. V. Güther, A. Otto, H. Kestler und H. Clemens, (1999) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, D. M. Dimiduk und M. H. Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999), 225-230). Die Legierungselemente Cr, Mn und V erhöhen die Raumtemperatur- Duktilität des ansonsten sehr spröden TiAl. Die Legierungsentwicklung hat je nach Anwendungsprofil zu einer Reihe unterschiedlicher Legierungsvarianten geführt, die weiter unten noch ausführlicher beschrieben werden. The currently used technical alloys based on γ-TiAl have a multi-phase structure and, in addition to the ordered tetragonal γ-TiAl, contain the ordered hexagonal α 2 -Ti 3 Al as the main phase, typically in a proportion of 5-15% by volume. Refractory metals as alloying elements can lead to the formation of a metastable krz phase, which occurs either as the β phase (unordered) or as the B2 phase (ordered). These alloy additives improve oxidation resistance and creep resistance. Si, B and C are used in small amounts for grain refinement of the cast structure (cf. B. Inkson and H. Clemens ( 1999 ), MRS Symp. Proc. 552, KK3.12; S. Huang, Hall E. Shuh D. ( 1991 ), ISIJ International 31 ( 10 ), 1100 and Y.-W. Kim and DM Dimiduk ( 1991 ), JOM 8 , 40 ). Corresponding C contents can lead to precipitation hardening (cf. V. Güther, A. Otto, H. Kestler and H. Clemens, ( 1999 ) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, DM Dimiduk and MH Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999 ), 225-230). The alloying elements Cr, Mn and V increase the room temperature ductility of the otherwise very brittle TiAl. Depending on the application profile, the development of alloys has led to a number of different alloy variants, which are described in more detail below.
TiAl-Legierungen werden üblicherweise durch mehrfaches Umschmelzen in einem Vakuum-Lichtbogenofen (s. Fig. 1) als Ingots hergestellt (VAR - Vaccum Arc Remelting). Dabei wird eine gepreßte Elektrode, die alle Legierungsbestandteile (Ti- Schwamm, Al-Granalien, Vorlegierungsgranalien) enthält, unter Vergrößerung des Durchmessers abgeschmolzen. Eine grundsätzliche Problematik ergibt sich durch auftretende Inhomogenitäten in der Legierungszusammensetzung von γ-TiAl Ingots. Ein Vergleich des Al-Gehalts in zweifach und dreifach umgeschmolzenen γ-TiAl-Ingotmaterial zeigt, daß noch in zweifach umgeschmolzenen γ-TiAl-Ingots lokale Schwankungen des Al-Gehaltes von ±2 at.-% beobachtet werden (s. Fig. 2). Zur Einstellung einer ausreichenden Legierungshomogenität ist ein dreifaches Umschmelzen in der VAR-Anlage notwendig (vgl. V. Güther, A. Otto, H. Kestler und H. Clemens, (1999) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, D. M. Dimiduk und M. H. Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999), 225-230; V. Güther, Properties, processing and applications of gamma-based TiAl, Proc. 9th Ti World Conference, 08.-11.06.1999, Saint Petersburg und V. Güther, H. Kestler, H. Clemens und R. Gerling, Recent Improvements in γ-TiAl Ingot Metallurgy, Proc. of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, (Seattle, WA, June 2000). TiAl alloys are usually manufactured as ingots by multiple remelting in a vacuum arc furnace (see Fig. 1) (VAR - Vaccum Arc Remelting). A pressed electrode, which contains all alloy components (Ti sponge, Al granules, pre-alloy granules), is melted off while increasing the diameter. A fundamental problem arises from inhomogeneities in the alloy composition of γ-TiAl ingots. A comparison of the Al content in twice and three times remelted γ-TiAl ingot material shows that local fluctuations in the Al content of ± 2 at .-% are still observed in twice remelted γ-TiAl ingots (see FIG. 2). , In order to achieve sufficient alloy homogeneity, a triple remelting in the VAR system is necessary (cf. V. Güther, A. Otto, H. Kestler and H. Clemens, ( 1999 ) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim , DM Dimiduk and MH Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999 ), 225-230; V. Güther, Properties, processing and applications of gamma-based TiAl, Proc. 9th Ti World Conference, 08.-11.06.1999, Saint Petersburg and V. Güther, H. Kestler, H. Clemens and R. Gerling, Recent Improvements in γ-TiAl Ingot Metallurgy, Proc. Of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, (Seattle, WA, June 2000 ).
Im Gegensatz zu Titanlegierungen (Ingot-Durchmesser bis ca. 1,5 m) sind die verarbeitbaren Durchmesser bei γ-TiAl aufgrund der limitierten Umformbarkeit auf deutlich kleinere Werte begrenzt. Gegenwärtig werden vom Markt sogar hauptsächlich Ingots mit lediglich ca. 200 mm Durchmesser angefragt. In contrast to titanium alloys (ingot diameter up to approx. 1.5 m) are the processable diameters for γ-TiAl the limited formability to significantly smaller values limited. Currently, the market is even mainly Ingots with a diameter of only approx. 200 mm requested.
Pro Schmelze findet unter Anwendung der VAR-Technik eine Durchmesservergrößerung von ca. 40 mm statt. Das bedeutet für einen Enddurchmesser von ca. 200 mm, daß von Preßelektroden mit maximal ca. 60 mm Durchmesser ausgegangen werden muß, deren Porosität bei ca. 40% liegt. Der kleine Durchmesser limitiert die Festigkeit der Preßelektrode und damit die mögliche einsetzbare Länge auf ca. 1,5 m (entspricht einer Gesamtmasse von ca. 18 kg). Je kleiner die Durchmesser der ersten Preßelektrode sind, um so höher sind die Herstellungskosten, da pro Schmelzzyklus weniger Material erschmolzen werden kann. Für einen dreifach geschmolzenen VAR-Ingot mit einem Durchmesser von 180 mm und einer Länge von 1000 mm sind - entsprechend einer industriellen Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik - insgesamt 10 Einzelschmelzen erforderlich (6 Erstschmelzen, 3 Zweitschmelzen, 1 Drittschmelze), die einen hohen Kostenaufwand verursachen. Der Materialverlust (Lunker, etc.) pro Ingot beträgt derzeit 35%. Zudem bietet das herkömmliche Herstellungsverfahren keine Flexibilität in der Wahl des Ingot-Durchmessers. There is one for each melt using the VAR technique Diameter increase of approx. 40 mm instead. That means for a final diameter of about 200 mm that of press electrodes must be assumed with a maximum of approx. 60 mm diameter, whose porosity is around 40%. The small diameter limits the strength of the press electrode and thus the Possible usable length to approx. 1.5 m (corresponds to one Total mass of approx. 18 kg). The smaller the diameter of the first press electrode, the higher the Manufacturing costs, since less material melted per melting cycle can be. For a triple melted VAR ingot with are 180 mm in diameter and 1000 mm in length - According to an industrial design according to the State of the art - a total of 10 individual melts required (6 first melts, 3 secondary melts, 1 third melt), the cause a high cost. The loss of material (Blowholes, etc.) per ingot is currently 35%. Also offers the conventional manufacturing process has no flexibility in the choice of the ingot diameter.
Die alternative Herstellungsroute über das Erschmelzen von Ingots im Kaltwand-Plasma-Ofen hat bislang zu unzureichender Legierungshomogenität geführt, was auf die Grenzen des Verfahrens zurückgeführt werden kann (vgl. M. Loretto, Titanium 95, Science and Technologies und M. Volas, Industrial initiatives in wrought orthorhombic and gamma TiAl mill products; Proc. of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, (Seattle, WA, June 2000). Darüber hinaus ist die Herstellung von γ-TiAl-Basislegierungen mittels Kokillenguß aus einem Kaltwand-Induktions- bzw. Plasmaofen oder mittels Inertgas- Verdüsung aus einem Kaltwandtiegel zu γ-TiAl-Pulver und pulvermetallurgischer Weiterverarbeitung technisch realisiert. Diese Alternativen führten bislang zu einer unzureichenden Mikrostruktur (Porosität beim Kokillenguß) bzw. zu hohen Kosten (Pulvermetallurgie). The alternative manufacturing route for melting ingots in the cold-wall plasma furnace has so far led to insufficient alloy homogeneity, which can be attributed to the limitations of the process (see M. Loretto, Titanium 95 , Science and Technologies and M. Volas, Industrial initiatives in wrought orthorhombic and gamma TiAl mill products; Proc. of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, (Seattle, WA, June 2000 ) In addition, the production of γ-TiAl base alloys by means of mold casting from a cold-wall induction or plasma furnace or technically realized by means of inert gas atomization from a cold wall crucible to γ-TiAl powder and powder metallurgical further processing.These alternatives have so far led to inadequate microstructure (porosity in mold casting) or high costs (powder metallurgy).
Stellvertretend für den Stand der VAR-Technik wird auf die US- Patentschriften 5 846 351, 5 823 243, 5 746 846 und 5 492 574 verwiesen. Representing the state of the VAR technology, the US Patents 5 846 351, 5 823 243, 5 746 846 and 5 492 574 directed.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung von γ-TiAl-Ingots hoher Homogenität und geringer Porosität zur Verfügung zu stellen, welches einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden kann als das oben beschriebene VAR-Verfahren, bei welchem zahlreiche Schmelzschritte notwendig sind, um die gewünschte hohe Homogenität und geringe Porosität zu erreichen. Darüber hinaus soll das Verfahren die Möglichkeit bieten, die Durchmesser der Legierungs-Ingots unter Umgehung der oben beschriebenen Beschränkungen des VAR-Verfahrens beliebig einzustellen. The object of the present invention is a Process for the reproducible production of γ-TiAl ingots high homogeneity and low porosity make which is carried out more easily and cost-effectively can be considered as the VAR method described above, at which numerous melting steps are necessary to achieve the to achieve the desired high homogeneity and low porosity. In addition, the process should offer the possibility of Diameter of the alloy ingots bypassing the above any restrictions of the VAR procedure described adjust.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein in Fig. 3 dargestelltes
Verfahren zur Herstellung von metallischen oder
intermetallischen Legierungs-Ingots hoher Homogenität und geringer
Porosität und mit beliebig einstellbaren Durchmessern, welches durch
die folgenden Stufen gekennzeichnet ist:
- a) Herstellung von Elektroden durch übliches Vermischen und Verpressen der ausgewählten Ausgangsstoffe,
- b) mindestens einmaliges Umschmelzen der in Stufe (i) erhaltenen Elektroden durch ein übliches schmelzmetallurgisches Verfahren,
- c) induktives Abschmelzen der in Stufe (i) oder (ii) erhaltenen Elektroden in einer Hochfrequenz-Spule,
- d) Homogenisieren der in Stufe (iii) erhaltenen Schmelze in einem Kaltwandinduktionstiegel, und
- e) Abziehen der Schmelze unter Kühlung aus dem Kaltwandinduktionstiegel von Stufe (iv) in Form von Blöcken mit frei einstellbarem Durchmessser.
- a) production of electrodes by customary mixing and pressing of the selected starting materials,
- b) remelting the electrodes obtained in step (i) at least once by a conventional melt metallurgical process,
- c) inductive melting of the electrodes obtained in stage (i) or (ii) in a high-frequency coil,
- d) homogenizing the melt obtained in step (iii) in a cold wall induction crucible, and
- e) withdrawing the melt with cooling from the cold wall induction crucible of stage (iv) in the form of blocks with freely adjustable diameters.
Das Verfahren wird vorzugsweise zur Herstellung von
intermetallischen Legierungs-Ingots auf γ-TiAl-Basis verwendet,
wobei sich die Legierungen allgemein durch die folgende
Summenformel beschreiben lassen:
TixAly(Cr,Mn,V)u(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)v(Si,B,C,Y)w
wobei die Konzentrationen der Legierungsbestandteile innerhalb
folgender Grenzen liegen (angegeben in at.-%):
x = 100 - y - u - v - w
y = 44 bis 48
u = 0,5 bis 5
v = 0,1 bis 10 und
w = 0,05 bis 1.
The method is preferably used for the production of intermetallic alloy ingots based on γ-TiAl, the alloys generally being described by the following empirical formula:
Ti x Al y (Cr, Mn, V) u (Zr, Cu, Nb, Ta, Mo, W, Ni) v (Si, B, C, Y) w
the concentrations of the alloy components are within the following limits (given in at .-%):
x = 100 - y - u - v - w
y = 44 to 48
u = 0.5 to 5
v = 0.1 to 10 and
w = 0.05 to 1.
Das induktive Abschmelzen der Elektroden in Stufe (iii) erfolgt in einem Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz von vorzugsweise 70 bis 200 kHz und vorzugsweise bei Temperaturen von 1400°C bis 1700°C. Um ein gleichmäßiges Abtropfen zu erzielen, wird die Elektrode rotiert, wobei eine Geschwindigkeit von 4 UpM bevorzugt wird. Die Absenkgeschwindigkeit der Elektrode ist von 0 bis 200 mm/min kontinuierlich variierbar. The inductive melting of the electrodes in stage (iii) takes place in a radio frequency field with a frequency of preferably 70 to 200 kHz and preferably at temperatures of 1400 ° C to 1700 ° C. To achieve an even drip, the electrode is rotated with a speed of 4 rpm is preferred. The lowering speed of the electrode is continuously variable from 0 to 200 mm / min.
Das Verfahren wird vorzugsweise quasi-kontinuierlich durchgeführt, indem eine oder mehrere Elektroden kontinuierlich nachgeführt werden. The process is preferably quasi-continuous performed by one or more electrodes continuously be tracked.
Die Homogenisierung der Schmelze im Kaltwandinduktionstiegel in Stufe (iv) erfolgt vorzugsweise bei einer Überhitzung von 10 bis 100 K, vorzugsweise von 40 bis 60 K. Dies entspricht Temperaturen von 1450°C bis 1750°C je nach Legierungszusammensetzung. Der Frequenzbereich der Spule liegt bei 4 bis 12 kHz. The homogenization of the melt in the cold wall induction crucible in stage (iv) preferably takes place in the event of an overheating of 10 to 100 K, preferably from 40 to 60 K. This corresponds to Temperatures from 1450 ° C to 1750 ° C depending on Alloy composition. The frequency range of the coil is 4 to 12 kHz.
Die Kühlung der Schmelze beim Abziehen der Blöcke in Stufe (v) erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von wassergekühlten Cu-Segmenten, und die Durchmesser der Blöcke liegen vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 350 mm, insbesondere 140 bis 220 mm. Die Abzugsgeschwindigkeiten sind zwischen 5 bis 10 mm/min einstellbar. Dabei muß die Abzugsrate auf die Abtropfrate (Stufe iii) abgestimmt sein. Diese kann bei ca. 50 kg/h liegen. Cooling the melt when removing the blocks in stage (v) is preferably done with the help of water-cooled Cu segments, and the diameter of the blocks are preferably in a range of 100 to 350 mm, in particular 140 to 220 mm. The take-off speeds are between 5 and 10 mm / min adjustable. The withdrawal rate must be equal to the dripping rate (level iii) be coordinated. This can be around 50 kg / h.
Durch das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ist es
möglich, neue intermetallische Legierungs-Ingots auf γ-TiAl-Basis
herzustellen, die sich durch eine neue Kombination von
Dimensionsabmessungen einerseits und Homogenität andererseits
auszeichnen. Die Erfindung betrifft daher auch intermetallische
Legierungs-Ingots auf γ-TiAl-Basis, die gekennzeichnet sind
durch
- a) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von > 12,
- b) eine Homogenität, bezogen auf lokale Schwankungen des Aluminiums und Titans von < ±0,5 at.-%; weitere metallische Legierungsbestandteile: ±0,2 at.-% Kornfeinungselemente (Bor, Kohlenstoff, Silizium) ±0,05 at.-%.
- a) a ratio of length to diameter of> 12,
- b) a homogeneity, based on local fluctuations of aluminum and titanium, of <± 0.5 at .-%; Further metallic alloy components: ± 0.2 at .-% grain refining elements (boron, carbon, silicon) ± 0.05 at .-%.
In den Zeichnungen zeigen Show in the drawings
Fig. 1 den VAR-Prozeß für mehrfach umgeschmolzene γ-TiAl- Ingots: (1) Elektrodenvorschub, (2) Ofenkammer, (3) luftgekühlte Stromversorgung, (4) Sammelschiene für Kabel, (5) Elektrodenführung, (6) Tiegel mit Wassermantel, (7) Teil der Vakuumeinrichtung, (8) XY-Anpassung, (9) Druckmeßdose, Fig. 1 shows the VAR process for multiply remelted γ-TiAl ingots: ( 1 ) electrode feed, ( 2 ) furnace chamber, ( 3 ) air-cooled power supply, ( 4 ) busbar for cables, ( 5 ) electrode guide, ( 6 ) crucible with a water jacket , ( 7 ) part of the vacuum device, ( 8 ) XY adjustment, ( 9 ) load cell,
Fig. 2 Abweichungen des Al-Gehaltes in Längsrichtung des Ingots nach zweifachem (schwarze Symbole) und dreifachem (graue Symbole) VAR-Umschmelzvorgang, und Fig. 2 deviations of the Al content in the longitudinal direction of the ingot after double (black symbols) and triple (gray symbols) VAR remelting process, and
Fig. 3 das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung chemisch homogener γ-TiAl-Blöcke mit variablen Durchmessern: (1) rotierende Elektrode, (2) induktive HF-Spule, (3) Kaltwandinduktionstiegel und (4) Kühlvorrichtung und Blockabzug. 3 shows the inventive method for manufacturing chemically homogeneous γ-TiAl-blocks with variable diameters. (1) rotating electrode, (2) inductive RF coil, (3) the cold wall induction crucible, and (4) cooling device and block trigger.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Kombination von induktivem Elektrodenabschmelzen in einen Kaltwandinduktionstiegel (KIT) und einem Blockabzug aus dem KIT. Bei dem ersten Schritt, dem induktiven Abschmelzen sollen einmal VAR-geschmolzene (siehe Stand der Technik) Stäbe, die über eine geringe chemische Homogenität und eine gewisse Porosität verfügen, mit Hilfe einer HF-Spule induktiv abgeschmolzen werden. Dabei wird die Elektrodenoberfläche in dem Bereich, in dem sie in die Induktionsspule eintaucht, flüssig und tropft in den darunter positionierten Kaltwandinduktionstiegel ab. Durch das Abtropfen der Schmelze wird neue Oberfläche frei, die dann ebenfalls verflüssigt wird und abtropft. Dadurch verzehrt sich das untere Ende der Elektrode, und bei Nachführung der Elektrode kann so die gesamte Elektrode umgeschmolzen werden. Die Ausgangselektrode ist chemisch inhomogen. Beim Verflüssigen der Oberfläche und dem nachfolgenden Abtropfen findet bereits eine gewisse Homogenisierung statt. Im zweiten Schritt wird im KIT in einem größeren konstant schmelzflüssigen Volumen durch die Rührwirkung des elektromagnetischen Feldes die Homogenität weiter verbessert. Die vorzugsweise quasi-kontinuierliche Speisung des KIT's mit Schmelzgut wird durch das angeschlossene Elektrodenmagazin ermöglicht, das mehrere Elektroden gleichzeitig aufnehmen kann, die dann nacheinander abgeschmolzen werden. Durch den Blockabzug aus dem KIT soll ein möglichst homogener weitestgehend porenfreier Ingot hergestellt werden. Bei diesem Verfahren ist der Durchmesser des KIT in großen Bereichen frei wählbar, so daß damit eine freie Wahl für den Ingot-Durchmesser besteht. The method according to the invention includes the combination of inductive electrode melting into one Cold wall induction crucible (KIT) and a block extractor from KIT. The first Step, the inductive melting should be done once VAR-melted (see prior art) rods that have a low chemical homogeneity and a certain porosity be inductively melted with the help of an HF coil. The electrode surface is in the area where it immersed in the induction coil, liquid and drips into the cold wall induction crucibles positioned below. By the Draining the melt will free up new surface, which then is also liquefied and drained. This consumes itself the lower end of the electrode, and when tracking the The entire electrode can be remelted. The The output electrode is chemically inhomogeneous. When liquefying the surface and the subsequent dripping already takes place a certain homogenization takes place. The second step is in KIT in a larger, constantly molten volume the stirring effect of the electromagnetic field the homogeneity further improved. The preferably quasi-continuous The KIT is supplied with melting material by the connected electrode magazine enables multiple electrodes can record simultaneously, then one after the other be melted. The block deduction from the KIT should as homogeneous as possible largely non-porous ingot getting produced. In this process, the diameter of the KIT freely selectable in large areas, so that a free There is a choice for the ingot diameter.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende schmelzmetallurgische Technologie zur Herstellung von TiAl-Legierungshalbzeugen gibt es bislang noch nicht. Teilschritte dieser Technologie, wie das induktive Elektrodenabschmelzen und das Schmelzen im Kaltwandinduktionstiegel, sowie der Blockabzug aus keramischen Induktionstiegeln sind jedoch schon mit anderen Randbedingungen und Materialien zum Einsatz gekommen. The basis of the present invention metallurgical technology for the production of So far, there are no TiAl alloy semi-finished products. partial steps this technology, like inductive electrode melting and melting in the cold wall induction crucible, as well as the Block deduction from ceramic induction crucibles are, however with different boundary conditions and materials came.
Das induktive Schmelzen von Metallen ist beispielsweise in den US-Patentschriften 4 923 508, 5 003 551 und 5 014 769 beschrieben. Darüber hinaus ist das induktive Abschmelzen von Elektroden auch im Zusammenhang mit der Herstellung von Titanlegierungspulver durch das sogenannte EIGA (Electrode Induction Melting Gas Atomization)-Verfahren beschrieben worden (vgl. DE-A-41 02 101). Bei diesem Verfahren taucht eine Legierungselektrode in eine gegen Überschläge mit Keramik isolierte HF-Spule. Die Elektrode wird durch einen Oberflächenschmelzprozeß komplett aufgeschmolzen und die Tropfen fallen in eine Gasdüse, in der die Tropfen zerstäubt werden. Dieses Verfahren dient ausschließlich zur Pulverherstellung und nicht zur Herstellung von Ingots. The inductive melting of metals is, for example, in the U.S. Patents 4,923,508, 5,003,551 and 5,014,769 described. In addition, the inductive melting of Electrodes also in connection with the production of Titanium alloy powder by the so-called EIGA (Electrode Induction Melting Gas Atomization) process (see DE-A-41 02 101). With this procedure, one dives Alloy electrode in a ceramic insulated against flashover RF coil. The electrode is replaced by a Surface melting process melted completely and the drops fall into one Gas nozzle in which the drops are atomized. This method is used only for powder production and not for Production of ingots.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, daß es beim Aufschmelzen des zur Herstellung von metallischen und intermetallischen Legierungs-Ingots dienenden Elektrodenmaterials zu einer beträchtlichen Homogenisierung des Materials kommt, so daß ein einzelner anschließender Homogenisierungsschritt im Kaltwandinduktionstiegel ausreicht, um mittels dieser beiden Schritte eine so weitgehende Homogenisierung zu erreichen, wie sie beim VAR-Verfahren vergleichsweise nur mit sehr vielen Umschmelzstufen erreicht werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit im Vergleich zu dem bislang verwendeten VAR-Verfahren wesentlich einfacher und kostengünstiger. In the context of the present invention, surprisingly found that when melting the to produce serving metallic and intermetallic alloy ingots Electrode material for considerable homogenization of the material comes so that a single subsequent one Homogenization step in the cold wall induction crucible is sufficient to by means of these two steps a so far To achieve homogenization, as in the VAR process can be achieved comparatively only with a very large number of remelting stages can. The method according to the invention is thus compared to the previously used VAR method much easier and cheaper.
Die Herstellung der Elektroden erfolgt vorzugsweise durch Pressen und/oder Sintern der pulverförmigen oder granulatförmigen Legierungskomponenten (vgl. DE-A-196 31 582 bis -584). The electrodes are preferably produced by Pressing and / or sintering the powder or granular alloy components (see. DE-A-196 31 582 bis -584).
Bezüglich des Standes der Technik zum Aufschmelzen und Abgießen von Materialien im Kaltwandinduktionstiegel sei auf die beiden US-Patentschriften 5 892 790 und 6 144 690 verwiesen. Beide Patente befassen sich allerdings nicht mit der Ingot- Herstellung. Regarding the prior art for melting and Pouring of materials in the cold wall induction crucible is on the both U.S. Patents 5,892,790 and 6,144,690. However, both patents are not concerned with the ingot Production.
Der Blockabzug ist gleichfalls aus dem Stand der Technik bekannt, allerdings aus dem keramischen Tiegel und nicht aus dem Kaltwandinduktionstiegel. Die mit diesem Stand der Technik befaßten Patente betreffen überwiegend den Blockabzug von Buntmetallen (Cu, Messing). The block deduction is also from the prior art known, but from the ceramic crucible and not from the cold wall induction crucible. Those with this state of the art The patents concerned mainly concern the block deduction of Non-ferrous metals (Cu, brass).
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die frei wählbaren Dimensionen des Kaltwandinduktionstiegels alle möglichen Dimensionen der Legierungs-Ingots frei gewählt werden können. A particular advantage of the method according to the invention consists in the fact that the freely selectable dimensions of the Cold wall induction bars of all possible dimensions Alloy ingots can be chosen freely.
Das Verfahren wird vorzugsweise im Vakuum oder unter Schutzgas ausgeführt, und nicht verunreinigte Produktionsabfälle können in das Verfahren zurückgeführt werden. Der Materialverlust beträgt nunmehr bei einer erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung noch 12% im Vergleich zu 35% mit der herkömmlichen Methode. The process is preferably carried out in a vacuum or under protective gas run, and can not contaminate production waste be returned to the proceedings. The loss of material is now in a technical invention Design still 12% compared to 35% with the conventional Method.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Realisierung von lokalen (makroskopischen) Schwankungen der Hauptlegierungselemente Aluminium und Titan von < ±0,5 at.-%; weitere metallische Legierungsbestandteile: ±0,2 at.-%; Kornfeinungselemente (Bor, Kohlenstoff, Silizium): ±0,05 at.-%; über den gesamten Ingot hinweg möglich. With the method according to the invention, a realization of local (macroscopic) fluctuations in the Main alloy elements aluminum and titanium of <± 0.5 at .-%; Further metallic alloy components: ± 0.2 at .-%; Grain refining elements (boron, carbon, silicon): ± 0.05 at .-%; on the entire ingot possible.
Zusammenfassend handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren um eine schmelzmetallurgische Technologie zur
Herstellung chemisch und strukturell homogener Legierungs-Ingots,
insbesondere von γ-TiAl-Blöcken als Ingot-Material für die
Umformroute oder für Master-Heats für die Gußroute. Die
Technologie umfaßt die Kombination aus:
- - dem induktiven Abschmelzen einer Elektrode, die in Summe alle Legierungsbestandteile enthält, die aber nur unzureichend homogen verteilt sind, mittels einer Hochfrequenz-Induktionsspule,
- - der Homogenisierung des flüssigen (abgeschmolzenen) Materials im Kaltwand-Induktions-Tiegel (KIT), und
- - dem vorzugsweise kontinuierlichen Blockabzug aus dem KIT.
- the inductive melting of an electrode, which contains all alloy components in total, but which are only insufficiently homogeneously distributed, by means of a high-frequency induction coil,
- - the homogenization of the liquid (melted) material in the cold wall induction crucible (KIT), and
- - The preferably continuous block withdrawal from the KIT.
Die einzelnen Verfahrensschritte sollen nachfolgend noch einmal ausführlich beschrieben werden. The individual process steps should follow below be described in detail once.
Zunächst erfolgt die Herstellung der Elektroden. Mit Hilfe eines üblichen schmelzmetallurgischen Verfahrens werden gepreßte Elektroden, die alle Legierungsbestandteile (Ti- Schwamm, Al-Granalien, Vorlegierungsgranalien) enthalten, unter Vergrößerung des Durchmessers auf beispielsweise 150 mm abgeschmolzen. Es handelt sich dabei um Stäbe, die über eine geringe chemische Homogenität und eine gewisse Porosität verfügen. Diese dienen als Elektroden für den nachfolgenden Strangabzug. The electrodes are first produced. With help a common smelting metallurgical process pressed electrodes that contain all alloy components (titanium Sponge, Al granules, master alloy granules), while increasing the diameter to, for example, 150 mm melted. These are rods that have a low chemical homogeneity and a certain porosity feature. These serve as electrodes for the subsequent one Strand removal.
Bei dem ersten Schritt, dem induktiven Abschmelzen, wird die nach einem üblichen Verfahren erschmolzene Elektrode mit Hilfe einer HF-Spule (gemäß EIGA-Verfahren, siehe DE-A-41 02 101) in einen KIT induktiv abgeschmolzen. Das System Spule/Abtropfmaterial und die Form der Spule stehen in enger Wechselwirkung. Gemäß den Mindestanforderungen an Abschmelzraten und Blockdurchmesser beträgt der Frequenzbereich am Außenschwingkreis 70 bis 200 kHz. Beim Einsatz von hochfrequenten Induktionsfeldern ist in der Abschmelzelektrode mit dem Auftreten eines ausgeprägten Skineffektes zu rechnen. Dieser Effekt, in Kombination mit der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit der Titanaluminide führt in der Randschicht zu lokalen Überhitzungen und in der Folge zu quantitativ nicht erfaßbaren Aluminiumabdampfungen. Da der ausgeprägte Stromfluß im Skinlayer ein Wesensmerkmal der hochfrequenten Wechselstromfelder darstellt und somit nicht vermeidbar ist, besteht die einzige Möglichkeit zur Reduzierung der Aluminiumverdampfungen in einer Verkürzung der Verweilzeit des Materials im elektromagnetischen Feld. Durch gleichmäßiges Vorheizen der Abtropfelektrode, mittels induktiver Erwärmung (Mittelfrequenz ca. 500 Hz bis 1 kHz) auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Legierung, wird die im Feld zum Schmelzen notwendige Energie bzw. Leistung um den Betrag der bereits eingebrachten Energie reduziert. Damit verkürzt sich für ein einzelnes Volumenelement und in der Summe für die gesamte Abtropfelektrode entweder die Verweilzeit im Wechselstromfeld und daraus resultierend erhöht sich die Abschmelzleistung, oder aber es kann insgesamt mit geringeren Leistungen in der HF-Spule gefahren werden. Aus den dargelegten Forderungen und Folgerungen ergibt sich, daß die Auslegung bzw. Leistungsdimensionierung des Außenschwingkreises und der HF-Frequenz nur im engen Wechselspiel mit der Auslegung der Elektrodenvorheizung sinnvoll ist. Die Vorschubgeschwindigkeiten für die Elektroden sollen in einem solchen Bereich regelbar sein, daß für Elektrodendurchmesser von 150 mm Abtropfgeschwindigkeiten entsprechend Massenflußraten von mindestens 50 kg/h gefahren werden können. In the first step, inductive melting, the electrode melted by a conventional method with the help an RF coil (according to the EIGA method, see DE-A-41 02 101) in melted a KIT inductively. The system Coil / draining material and the shape of the coil interact closely. According to the minimum requirements for melting rates and Block diameter is the frequency range at the external resonant circuit 70 to 200 kHz. When using high-frequency Induction fields is in the consumable electrode with the appearance of a pronounced skin effect. This effect, in Combination with the relatively low thermal conductivity of the Titanium aluminides cause local overheating in the surface layer and subsequently too quantifiable Aluminiumabdampfungen. Because the pronounced current flow in the skin layer Characteristic of the high-frequency AC fields and therefore unavoidable, is the only one Possibility to reduce aluminum evaporation in one Shortening the dwell time of the material in the electromagnetic field. By evenly preheating the Drip-off electrode, by means of inductive heating (medium frequency approx. 500 Hz to 1 kHz) to temperatures below the melting point of the Alloy, is the energy necessary for melting in the field or power by the amount of energy already introduced reduced. This shortens for an individual Volume element and in total for the entire drain electrode either the dwell time in the AC field and from it as a result, the deposition rate increases, or else it does can overall with lower powers in the RF coil be driven. From the stated requirements and It follows that the interpretation or Power dimensioning of the external resonant circuit and the HF frequency only in a narrow range Interplay with the design of the electrode preheating makes sense. The feed speeds for the electrodes should be controllable in such a range that for Electrode diameter of 150 mm dripping speeds according to mass flow rates of at least 50 kg / h can be.
Im zweiten Schritt wird im KIT, einem Kaltwandinduktionstiegel mit beweglichem Boden, in einem größeren konstant schmelzflüssigen Volumen durch die Rührwirkung des elektromagnetischen Feldes die Homogenität weiter verbessert. Die Verweilzeit der Schmelze im Tiegel beträgt etwa 30 min bis 45 min. Das Skull- Schmelzen im Kaltwandinduktionstiegel (KIT) ist eine seit Jahren industriell etablierte Technik. Dabei wird durch elektromagnetische Induktion in einem wassergekühlten Kupfertiegel ein Feld erzeugt, das zur Erwärmung bzw. zum Schmelzen der Materialien genutzt wird. Gleichzeitig drücken die auftretenden Lorentzkräfte das Schmelzmaterial teilweise von den Tiegelwänden ab und etablieren eine Umlaufströmung in der Schmelze, die in der Konsequenz zu einer guten Durchmischung der Schmelzphase führt. Im Bereich des Tiegelbodens und im unteren Teil der Tiegelwand kommt es, bedingt durch die Form des elektromagnetischen Feldes zur Ausbildung einer arteigenen festen Randschale (Skull). Dieser Skull, in Kombination mit der durch die Lorentzkräfte erzeugten freien Oberfläche, verhindert den direkten Kontakt des Schmelzmaterials mit dem Tiegel, so daß für die gesamte Schmelzphase die Kontaminationsgefahr beseitigt und die Anlagensicherheit gewährleistet sind. The second step is at KIT, a cold wall induction crucible with movable floor, constant in a larger one molten volume due to the stirring effect of the electromagnetic Field further improves homogeneity. The dwell time of the The melt in the crucible is about 30 minutes to 45 minutes. The skull Melting in the cold wall induction crucible (KIT) has been one since Years of industrially established technology. This is done by electromagnetic induction in a water-cooled Copper crucible creates a field that is used for heating or melting the materials are used. Simultaneously press the occurring Lorentz forces the melting material partially from the Crucible walls and establish a circulating flow in the Melt, which consequently leads to thorough mixing leads to the melting phase. In the area of the crucible bottom and in the lower part of the crucible wall occurs due to the shape of the electromagnetic field to form a species-specific fixed edge shell (skull). This skull, in combination with the free surface created by the Lorentz forces, prevents direct contact of the melting material with the Crucible, so that for the entire melting phase Contamination risk eliminated and system safety guaranteed are.
Die kontinuierliche Speisung des KIT's mit Schmelzgut wird durch das angeschlossene Elektrodenmagazin ermöglicht, das mehrere Elektroden gleichzeitig aufnehmen kann, die dann nacheinander abgeschmolzen werden. Der Bodenskull, der in seiner Dicke und seinem Habitus direkt von der Form des Induktionsfeldes abhängt, bietet den Ansatzpunkt für eine mögliche Halbzeugherstellung. Wenn nämlich während des Prozesses der Boden abgesenkt wird, reagiert das System in der Weise, daß sich ein neuer Gleichgewichtszustand ausbildet und somit auf den alten Bodenskull eine neue Schicht aufwächst. Die kontinuierliche Absenkung des Bodens führt damit zu einem System sich ständig anpassender Gleichgewichtszustände und in Folge zu einer nahezu kontinuierlich aufwachsenden Bodenschicht. Da die Grundfläche des Bodenskulls über den Tiegelboden festgelegt ist, führt das Aufwachsen neuer Schichten in der Konsequenz zur Entstehung eines Halbzeuges (Block). Allerdings bedingt der ständige Masseaustrag aus dem KIT auch die Zufuhr neuen Schmelzmaterials. The continuous feeding of the KIT with melting material is made possible by the connected electrode magazine that can hold several electrodes at the same time, which then be melted one after the other. The bottom skull that in its thickness and habit directly from the shape of the Induction field depends, offers the starting point for a possible Semi-finished products. If during the process of Soil is lowered, the system responds in such a way that a new state of equilibrium develops and thus on a new layer grows on the old soil skull. The continuous lowering of the soil leads to a system constantly adapting equilibrium states and in a row to an almost continuously growing soil layer. There the base of the bottom skull over the bottom of the crucible is defined, the growth of new layers in the leads Consequence for the creation of a semi-finished product (block). Indeed the constant mass discharge from the KIT also determines the supply new melting material.
Die Kühlung der Schmelze beim Abziehen der Blöcke erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von wassergekühlten Cu-Segmenten. The cooling of the melt takes place when the blocks are removed preferably with the help of water-cooled Cu segments.
Durch den Blockabzug aus dem KIT wird ein möglichst homogener weitestgehend porenfreier Ingot hergestellt. Bei diesem Verfahren ist der Durchmesser des KIT in großen Bereichen frei wählbar, so daß eine variable Wahl im Ingotdurchmesser besteht. Die Abzugsgeschwindigkeiten können dabei vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 10 mm/min liegen. The block deduction from the KIT makes it as homogeneous as possible largely non-porous ingot. With this Procedure, the diameter of the KIT is free in large areas selectable so that a variable choice in ingot diameter consists. The take-off speeds can are preferably in a range from 5 to 10 mm / min.
Die erfindungsgemäß hergestellten Produkte können zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden. In erster Linie werden aus ihnen in einem ersten Umformschritt (Strangpressen) Halbzeuge gefertigt, die zur Weiterverarbeitung in der Umformroute (Schmieden, Walzen) eingesetzt werden. Zur Herstellung von Bauteilen auf γ-TiAl-Basis über die Umformroute werden Ingots hoher struktureller und chemischer Qualität benötigt. Bei den Bauteilen handelt es sich zum Beispiel um Ventile und Turbinenschaufeln, die über ein ausgezeichnetes Eigenschaftsprofil verfügen und den höchsten Anforderungsbedingungen standhalten müssen. The products produced according to the invention can can be used for various purposes. In the first place from them in a first forming step (extrusion) Semi-finished products manufactured for further processing in the forming route (Forging, rolling) can be used. For production of Components based on γ-TiAl along the forming route become ingots high structural and chemical quality. Both Components are, for example, valves and Turbine blades that have an excellent property profile and withstand the highest requirements have to.
Des weiteren können die erfindungsgemäßen Produkte auch als Master-Heats zur Fertigung von Gußrohlingen über Feinguß oder Schleuderguß dienen. Master-Heats werden als Ausgangsmaterial für die Feinguß- und Schleudergußroute benötigt. Die chemische und strukturelle Qualität steht hier nicht im Vordergrund, da das Material - im Gegensatz zu den Ingots - nochmals erschmolzen wird. Deshalb kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Stufe (ii) verzichtet und die gepreßten Elektroden unmittelbar induktiv abgeschmolzen werden. Die Feingußroute dient zur Herstellung von Bauteilen mit anspruchsvollem Design und komplexen Anforderungsprofilen. Als Beispiel sei hier der bereits kommerzialisierte Turbolader auf Basis von γ-TiAl genannt. Beim Schleuderguß handelt es sich um ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Massenbauteilen (z. B. Ventilen) mit einfachem Design und Anforderungsprofilen. Die Herstellung von Master-Heats über das erfindungsgemäße Verfahren führt zu Produkten, die deutlich homogener sind als die entsprechenden Produkte des Standes der Technik, und können durch den Blockabzug in einer beliebigen zylindrischen Dimension hergestellt werden, während man bei dem bislang angewandten Verfahren auf die Abmessungen der vorhandenen Kokillen angewiesen war. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, den Durchmesser und die Länge der Master-Heats frei zu wählen und damit unmittelbar jeden Kundenwunsch auf einfache Weise berücksichtigen zu können. Furthermore, the products according to the invention can also be used as Master heats for the production of cast blanks via investment casting or Centrifugal casting. Master heats are used as the starting material needed for the investment casting and centrifugal casting route. The chemical and structural quality is not mentioned here Foreground, because the material - in contrast to the ingots - again is melted. Therefore, the inventive Process dispensed with stage (ii) and the pressed Electrodes are immediately melted away inductively. The Investment casting route is used to manufacture components with sophisticated design and complex requirement profiles. As One example is the already commercialized turbocharger Base called γ-TiAl. Centrifugal casting is an inexpensive method of manufacturing Mass components (e.g. valves) with a simple design and Requirement profiles. The production of master heats through that The inventive method leads to products that are clear are more homogeneous than the corresponding products of the prior art Technology, and can be done in any block cylindrical dimension can be made while at the previously used method on the dimensions of the existing molds was instructed. By the The inventive method, it is possible to change the diameter and length the master heats to choose freely and thus everyone immediately To be able to take customer requests into account in a simple way.
Das nachfolgende Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung und soll diese in keiner Weise beschränken. The following example serves to explain the invention and should not restrict it in any way.
Der erste Schritt besteht im Umschmelzen einer gepreßten Elektrode, die sämtliche Legierungsbestandteile (Ti-Schwamm, Al-Granalien, Vorlegierungsgranalien) enthält, durch Vakuum- Lichtbogenschmelzen und Vergrößerung des Durchmessers auf 150 mm. Der noch nicht homogene Stab dient als Elektrode für den nächsten Schritt, das induktive Abschmelzen. Dabei wird die Elektrode mit Hilfe einer kegelförmigen HF-Spule induktiv in einem Kaltwandinduktionstiegel abgeschmolzen. Die Frequenz am Außenschwingkreis beträgt 80,6 kHz. Durch gleichmäßiges Vorheizen der Abtropfelektrode durch induktive Erwärmung (Mittelfrequenz etwa 500 Hz bis 1 kHz) auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung (ca. 1400°C) wird eine erhöhte Abschmelzleistung erreicht. Die Elektrode wird mit einer Geschwindigkeit von 4 Upm gedreht; die Absenkgeschwindigkeit beträgt ca. 12 mm/min. The first step is to remelt a pressed one Electrode that contains all alloy components (Ti sponge, Al granules, pre-alloy granules) contains, by vacuum Arc melting and enlargement of the diameter 150 mm. The not yet homogeneous rod serves as an electrode for the next step, inductive melting. Doing so the electrode inductively using a conical RF coil melted in a cold wall induction crucible. The frequency on the external resonant circuit is 80.6 kHz. By even Preheat the drip electrode by induction heating (Medium frequency about 500 Hz to 1 kHz) at temperatures below the melting point of the alloy (approx. 1400 ° C) increased melting capacity achieved. The electrode is with rotated at a speed of 4 rpm; the Lowering speed is approx. 12 mm / min.
Das Abtropfmaterial fällt in einen Kaltwandinduktionstiegel mit beweglichem Boden. Der Durchmesser des Tiegels beträgt 220 mm. Die Verweilzeit der Schmelze im Kaltwandinduktionstiegel beträgt 40 min. Die Temperatur liegt zwischen 1450 und 1750°C und die Frequenz liegt zwischen 4 bis 12 kHz. The draining material falls into a cold wall induction crucible with movable floor. The diameter of the crucible is 220 mm. The residence time of the melt in Cold wall induction crucible is 40 min. The temperature is between 1450 and 1750 ° C and the frequency is between 4 to 12 kHz.
Am Boden des Kaltwandinduktionstiegels werden Blöcke mit einem Durchmesser von 220 mm und einer Länge von 2500 mm abgezogen. Die Abzugsgeschwindigkeit beträgt ca. 5,5 mm/min. Die Kühlung der Schmelze beim Abziehen der Blöcke erfolgt mit wassergekühlten Kupfer-Segmenten. At the bottom of the cold wall induction block, blocks with a Subtracted from a diameter of 220 mm and a length of 2500 mm. The take-off speed is approximately 5.5 mm / min. The cooling the melt occurs when the blocks are removed water-cooled copper segments.
Die erhaltenen Blöcke zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Homogenität aus, wobei die lokalen Schwankungen für Aluminium und Titan ±0,5 at.-%, für andere metallische Legierungsbestandteile ±0,2 at.-% und für Kornfeinungselemente (Bor, Kohlenstoff, Silizium) ±0,05 at.-% betragen. The blocks obtained are distinguished by an excellent one Homogeneity, with local variations for aluminum and titanium ± 0.5 at .-%, for other metallic Alloy components ± 0.2 at .-% and for grain refining elements (boron, Carbon, silicon) ± 0.05 at .-%.
Der große Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mit nur wenigen Schritten Produkte hoher Homogenität mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Länge von > 12 kostengünstig hergestellt werden können. The great advantage of the present invention is that that with just a few steps, products with high homogeneity a ratio of diameter to length of> 12 can be produced inexpensively.
Claims (12)
TixAly(Cr,Mn,V)u(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)v(Si,B,C,Y)w
wobei die Konzentrationen der Legierungsbestandteile innerhalb folgender Grenzen liegen (angegeben in at.-%):
x = 100 - y - u - v - w
y = 44 bis 48
u = 0,5 bis 5
v = 0,1 bis 10 und
w = 0,05 bis 1. 3. The method according to claim 2, characterized in that the alloys can generally be described by the following empirical formula:
Ti x Al y (Cr, Mn, V) u (Zr, Cu, Nb, Ta, Mo, W, Ni) v (Si, B, C, Y) w
the concentrations of the alloy components are within the following limits (given in at .-%):
x = 100 - y - u - v - w
y = 44 to 48
u = 0.5 to 5
v = 0.1 to 10 and
w = 0.05 to 1.
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