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GEBIET DER ERFINDUNG
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Das Gebiet, auf das sich die Offenbarung im Allgemeinen bezieht, beinhaltet Titanlegierungen, Verfahren zum Bilden von Titanlegierungen und Produkte, die aus Titanlegierungen gebildet sind.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Titanlegierungen sind wegen ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und ihrer verhältnismäßig hohen Korrosionsbeständigkeit recht beliebt in der Verwendung für normale und anspruchsvolle Anwendungen geworden. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass Titanlegierungen in bearbeiteter Form - zum Beispiel solche, die aus Stangenmaterial geschmiedet oder gefräst sind - im Allgemeinen eine größere Ermüdungsfestigkeit aufweisen als wenn sie mit anderen Umformungstechnologien wie Gießen oder Pulvermetallurgie gebildet sind. Es kann deshalb vorteilhaft sein, Titanlegierungen zu bestimmen sowie Verfahren zum derartigen Gießen dieser Legierungen, dass der fertige gegossene Gegenstand das Ermüdungsverhalten des gleichen Gegenstandes in bearbeiteter Form nachbildet oder wenigstens mit diesem vergleichbar ist.
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Die
EP 1 632 581 A1 offenbart eine Titanlegierung und ein Verfahren zur Herstellung der Titanlegierung. Die Legierung umfasst ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Eisen und Mangan. Im gegossenen Zustand hat die Legierung eine Streckgrenze von mindestens etwa 135000 psi, eine Zugfestigkeit von mindestens etwa 155000 psi und eine prozentuale Dehnung von mindestens etwa 5,0 Prozent.
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In der
EP 1 772 528 A1 werden Titanlegierungen mit einer ausreichenden Kaltverformbarkeit und guten Superplastizitätseigenschaften offenbart. Eine Titanlegierung besteht aus, in Masse-%, Al von 2,0 bis 4,0 %, V von 4,0 bis 9,0 %, Zr von 0 bis 2,0 %, Sn von 0 bis 3,0 %, wobei der Rest aus Ti und Verunreinigungen besteht. Ein andere Titanlegierung besteht aus, in Masse-%, Al von 2,0 bis 4,0 %, V von 4,0 bis 9,0 %, Zr von 0 bis 2,0 %, Sn von 0 bis 3,0 %, und ferner aus einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus Fe von 0,20 bis 1,0 %, Cr von 0,01 bis 1,0 %, Cu von 0,01 bis 1,0 % und Ni von 0,01 bis 1,0 %, wobei der Rest aus Ti und Verunreinigungen besteht. Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung von Titanlegierungsmaterialien offenbart, wobei die beschriebenen Titanlegierungen einer Kaltverformung mit einer Querschnittsverringerungsrate von 40% oder mehr unterzogen werden.
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KURZDARSTELLUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Produkt nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts nach Patentanspruch 5, ein Produkt nach Patentanspruch 11 und ein Verfahren nach Patentanspruch 13. Die abhängigen Patentansprüche offenbaren vorteilhafte Ausgestaltungen der Produkte und der Verfahren.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung kann ein Produkt beinhalten, das ein Kompressorrad umfasst, welches für die Verwendung in einem Fahrzeugturbolader, der Luft komprimiert und sie zu einem Ansaugstutzen eines Verbrennungsmotors leitet, wärmebehandelt und schnell abgeschreckt wurde. Der Kompressor kann aus einer gegossenen Titanlegierung bestehen, die eine nominale Zusammensetzung aufweist, die 5,5 bis 6,63 Masseprozent Aluminium, 3,5 bis 4,5 Masseprozent Vanadium, 1,0 bis 2,5 Masseprozent Chrom, maximal 0,50 Masseprozent Eisen, 0,06 bis 0,12 Masseprozent Silizium, maximal 0,5 Gewichtsprozent N, maximal 0,015 Gewichtsprozent H, maximal 0,15 Gewichtsprozent C und mindestens 80 Masseprozent oder als restlichen Bestandteil Titan umfasst.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung kann ein Produkt beinhalten, das ein Kompressorrad für einen Fahrzeugturbolader umfasst, welches eine Nabe, eine Grundplatte und mehrere aerodynamisch konturierte Flügel umfasst. Das Kompressorrad wurde wärmebehandelt und schnell abgeschreckt und weist eine nominale Zusammensetzung von 5,5 bis 6,63 Masseprozent Aluminium, 3,5 bis 4,5 Masseprozent Vanadium, 1,0 bis 2,5 Masseprozent Chrom, 0,06 bis 0,12 Masseprozent Silizium und mindestens 80 Masseprozent oder als restlichen Bestandteil Titan auf. Das Kompressorrad kann außerdem eine Mikrostruktur aufweisen, die eine zweilamellige Verteilung von primären α-Blättchen und sekundären α-Blättchen in einer β-Lamellenmatrix umfasst.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts beinhalten, das mit den Schritten hergestellt wurde, die das Präzisionsgießen eines Gegenstandes von vorbestimmter Form unter Verwendung einer Titanlegierung, die eine nominale Zusammensetzung von 5,5 bis 6,63 Masseprozent Aluminium, 3,5 bis 4,5 Masseprozent Vanadium, 1,0 bis 2,5 Masseprozent Chrom, maximal 0,50 Masseprozent Eisen, 0,06 bis 0,12 Masseprozent Silizium und mindestens 80 Masseprozent oder als restlichen Bestandteil Titan aufweist, das heißisostatische Pressen des Gegenstandes, das Erhitzen des Gegenstandes, das schnelle Abschrecken des Gegenstandes und das Tempern des Gegenstandes umfassen.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren beinhalten, welches das Gießen eines Turbolader-Kompressorrades, das eine Nabe, eine Grundplatte und mehrere aerodynamisch konturierte Flügel umfasst, unter Verwendung einer Titanlegierung umfasst, die eine nominale Zusammensetzung aufweist, die 5,5 bis 6,63 oder 3,5 bis weniger als 6,0 Massseprozent Aluminium, 3,5 bis 4,5 Masseprozent Vanadium, 1,0 bis 2,5 Masseprozent Chrom, maximal 0,50 Masseprozent Eisen, 0,06 bis 0,12 Masseprozent Silizium und mindestens 80 Masseprozent oder als restlichen Bestandteil Titan umfasst. Das Verfahren kann außerdem das Erhitzen des gegossenen Kompressorrades auf eine Temperatur oberhalb der β-Übergangstemperatur der Titanlegierung beinhalten, sodass das Kompressorrad im Wesentlichen eine β-Phasen-Kristallmikrostruktur aufweist. Darüber hinaus kann das Verfahren das schnelle Abkühlen des Kompressorrades von einer Temperatur oberhalb der β-Übergangstemperatur der Titanlegierung auf eine Temperatur unterhalb der β-Übergangstemperatur mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit beinhalten, die ausreicht, um das Kompressorrad mit einer zweilamelligen Mikrostruktur zu versehen, die primäre α-Blättchen und sekundäre α-Blättchen in einer β-Lamellenmatrix umfasst.
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Weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der hierin im Weiteren bereitgestellten ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die beispielhafte(n) Ausführungsform(en) der Erfindung kenntlich machen, jedoch ausschließlich dem Zweck der Veranschaulichung dienen und den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen.
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Figurenliste
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen umfassender verständlich. Es zeigen:
- 1 ein Kompressorrad für einen Fahrzeugturbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Mikrofotografie, welche die Mikrostruktur eines Querschnittes der Nabe des Kompressorrades von 1 zeigt,
- 3 eine Mikrofotografie, welche die Mikrostruktur eines Querschnittes eines der Flügel des Kompressorrades aus 1 zeigt,
- 4 ein Ablaufdiagramm, das einige der Schritte zum Bilden des Kompressorrades aus 1 darstellt, und
- 5 eine schematische Darstellung des relevanten Abschnitts des Phasengleichgewichtsdiagramms einer Titanlegierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten keinesfalls beschränken.
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Die Ermüdungsfestigkeit bestimmter bearbeiteter Titanlegierungsgegenstände erlaubt es, selbige für viele anspruchsvolle Anwendungen zu verwenden, wie beispielsweise solche, die unter anderem hohen Belastungen, extremen Umgebungsbedingungen und erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Manchmal sind jedoch Gegenstände, die verhältnismäßig komplexe Formen oder Oberflächenkonturen aufweisen, nicht für das Bilden in einer bearbeiteten Form geeignet. Dies ist gewöhnlich deshalb der Fall, weil die komplizierte Form des Gegenstandes nicht innerhalb vertretbarer Toleranzen präzise hergestellt werden kann oder weil die dafür erforderlichen zeitlichen und finanziellen Investitionen unvertretbar hoch sind. Die Anwendung von Gießtechniken kann jedoch einige der Härten mildern, die mit dem Bilden von Gegenständen mit komplizierten Formen verbunden sind. Doch wie bereits kurz erwähnt wurde, ist die Ermüdungsfestigkeit von gegossenen Titanlegierungsgegenständen im Allgemeinen nicht so hervorragend wie die ihrer bearbeiteten Gegenstücke.
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Es wurde eine konkrete Titanlegierung bestimmt, die diese und andere damit zusammenhängende Probleme überwinden kann. Diese Titanlegierung (im Weiteren kurz als TiAI6V4Cr2 bezeichnet) weist mit Ausnahme einiger zulässiger Verunreinigungen eine nominale Zusammensetzung von etwa 5,5 bis etwa 6,63 Massseprozent Aluminium (Al), etwa 3,5 bis etwa 4,5 Masseprozent Vanadium (V), etwa 1,0 bis etwa 2,5 Masseprozent Chrom (Cr), etwa maximal 0,50 Masseprozent Eisen (Fe), etwa 0,15 bis etwa 0,25 Masseprozent Sauerstoff (O), etwa 0,06 bis etwa 0,12 Masseprozent Silizium (Si) und mindestens 80 Masseprozent oder als restlichen Bestandteil Titan (Ti) auf. Insbesondere können diese Verunreinigungen ein Maximum von 0,08 Masseprozent Kohlenstoff (C), ein Maximum von 0,04 Masseprozent Mangan (Mn), ein Maximum von 0,04 Masseprozent Stickstoff (N) und ein Maximum von 0,015 Masseprozent Wasserstoff (H) beinhalten. Bei einer Ausführungsform kann die Menge Ti in der Legierung 85,405 bis 89,79 Masseprozent betragen. Diese Titanlegierung wird wegen der beta-stabilisierenden Wirkungen von Vanadium (β-isomorphes Element) und Chrom (träges β-Eutektiodelement) als verhältnismäßig betareiche α+β-Titanlegierung im Bereich von Umgebungstemperaturen bis mindestens 370 °C betrachtet. Eine schematische Darstellung des relevanten Abschnitts des Phasengleichgewichtsdiagramms von TiAI6V4Cr2 ist in 5 dargestellt. Prüfungen und Analysen zeigen außerdem, dass TiAI6V4Cr2 zu Gegenständen - von entweder einfacher oder komplexer Form - gegossen werden kann, die eine verhältnismäßig hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Zum Beispiel können diese gegossenen TiAI6V4Cr2-Gegenstände das Ermüdungsverhalten von ähnlichen bearbeiteten TiAI6V4-Gegenständen dahingehend nachbilden, dass beide Arten von Gegenständen viele Anforderungsgrenzwerte an die Ermüdungsresistenz bei hochzyklischer Belastung übersteigen.
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Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass eine bestimmte Mikrostruktur dafür verantwortlich ist, dass die gegossenen TiAI6V4Cr2-Gegenstände mit solch verhältnismäßig hoher Ermüdungsfestigkeit versehen sind. Diese Mikrostruktur kann als zweilamellige Verteilung von primären und sekundären α-Blättchen (hexagonale, dicht gepackte Kristallphase) in einer β-Lamellenmatrix (kubisch-raumzentrierte Kristallphase) beschrieben werden. Die primären α-Blättchen ähneln verhältnismäßig großen und länglichen „nadelähnlichen“ Körnern. Die sekundären α-Blättchen sind hingegen kleinere feinere Körner, die über die β-Lamellenmatrix willkürlich zwischen den größeren α-Blättchen verteilt sind. Diese sekundären α-Blättchen können eine Anzahl nützlicher Funktionen erfüllen. Zum Beispiel können sie die β-Lamellenmatrix härten, was wiederum die effektive Gleitlänge über die α-Kolonien reduzieren kann und außerdem verhältnismäßig wirksame Barrieren gegen die Mikrorissfortpflanzung erzeugen kann. Damit kann es möglich sein, Gegenstände, die mit bekannten Gießtechniken aus TiAI6V4Cr2 gegossen wurden, in Anwendungen einzusetzen, die oft für Ti6AI4V und andere im Wesentlichen ermüdungsresistente, bearbeitete Titanlegierungsgegenstände vorbehalten sind.
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Der Legierungsgegenstand kann aus verhältnismäßig reinen Metallkomponenten hergestellt werden, oder Ti6AI4V-Altmetall kann unter Zugabe von Chrom und Silizium und anderen gewünschten Elementen erneut erhitzt werden. Die Metalle, Altmaterialien und zusätzlichen Elemente können auf viele verschiedene Arten erhitzt werden, unter anderem in Gas- oder Elektroöfen oder durch Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen. Die gegossenen Gegenstände können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden, unter anderem im Vakuum mit Zentrifugalunterstützung oder durch Gravitationsgießen in einem Vakuum.
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Die eben beschriebene zweilamellige Mikrostruktur kann durch schnelles Abkühlen des gegossenen TiAI6V4Cr2-Gegenstandes von einer Temperatur oberhalb seiner β-Übergangstemperatur auf eine Temperatur in seinem α+β-Phasenfeld gebildet werden. Geeignete Techniken zum schnellen Abkühlen beinhalten unter anderem das Abschrecken mit Wasser und das Kühlen mit Argon unter Hochdruck. Es ist zu beachten, dass der gegossene Gegenstand sowohl vor als auch nach seinem schnellen Abkühlen verschiedenen Behandlungen unterzogen werden kann. Zum Beispiel kann der gegossene Gegenstand vor dem schnellen Abkühlen heißisostatischem Pressen unterzogen werden, um den gegossenen Gegenstand durch Reduzieren seiner inneren Porosität zu härten. Außerdem kann der gegossene Gegenstand nach dem schnellen Abkühlen getempert werden, um etwaige innere Spannungen zu beseitigen, die durch Kristallfehler wie etwa Versetzung verursacht werden. Der Fachmann auf dem Gebiet der Gießtechnik wird die verschiedenen Verfahren, die mit dem Gießen einer breiten Auswahl von Gegenständen verbunden sind, sowie auch die Prozessparameter für diese Verfahren oder wie diese Parameter abzuleiten sind, kennen und verstehen, sodass eine ausführliche Erklärung der vielen verschiedenen Gießtechniken und der vielen verschiedenen Behandlungsmethoden, die vor oder nach dem schnellen Abkühlungsverfahren ausgeführt werden können, hier nicht notwendig ist.
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In 1 bis 4 ist eine spezifische und beispielhafte Ausführungsform eines aus TiAI6V4Cr2 gegossenen Gegenstandes dargestellt, der die bereits erwähnte zweilamellige Mikrostruktur aufweist. Wie zum Beispiel in 1 dargestellt kann der gegossene Gegenstand ein Kompressorrad 10 zur Verwendung in einem Fahrzeugturbolader sein, um die Komprimierung von Frischluft zu unterstützen und sie mit erhöhtem Druck zu einem Ansaugstutzen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs zu leiten. Dieser erhöhte Luftdruck im Ansaugstutzen ermöglicht das Ansaugen größerer Luftvolumen in die Zylinder des Motors durch dazugehörige Einlassventile zur Verbrennung mit einer entsprechend erhöhten Kraftstoffmenge; das Ergebnis dessen ist eine Erhöhung der Leistungs- und Drehmomentausgabe des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs.
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In einer typischen Turboladeranordnung ist das Kompressorrad
10 in ein Kompressorgehäuse eingeschlossen und an ein Ende einer drehbaren Welle (nicht dargestellt) montiert. Das in
1 dargestellte Kompressorrad beinhaltet im Allgemeinen eine Nabe
12, eine Grundplatte
14 und mehrere aerodynamisch konturierte Flügel
16. Die Nabe
12 kann ringförmig sein, sodass sie eine axiale Öffnung
18 zur Aufnahme der drehbaren Welle definiert, die letztlich das Kompressorrad
10 antreibt. Die Grundplatte
14 kann axial gegenüber der Nabe
12 angeordnet sein und kann scheibenförmig und im Durchmesser größer sein. Die Nabe
12 und die Grundplatte
14 können einstückig gebildet sein, das heißt, die Nabe
12 geht in die Grundplatte
14 über, indem sie sich entlang der axialen Länge des Kompressorrades
10 in gerillter oder angewinkelter Weise radial auswärts aufweitet. Die mehreren aerodynamisch konturierten Flügel
16 können auswärts ragen und sich leicht umlaufend um den Übergang zwischen der Nabe
12 und der Grundplatte
14 winden. Sie können außerdem eine genaue und komplexe Wölbung aufweisen, die im Allgemeinen einer s-förmigen Kontur folgt, die nahe der Nabe
12 beginnt und nahe der Grundplatte
14 endet. Diese Wölbung ist dafür gestaltet, mindestens mehrere Aufgaben zu erfüllen, wenn sich das Kompressorrad
10 dreht. Erstens erfasst eine Anströmkante
20 jedes Flügels
16 einströmende Luft und bewegt diese axial zur Grundplatte
14 des Kompressorrades
10 hin. Zweitens ändert ein Mittelabschnitt
22 jedes Flügels
16 die Richtung des Luftstromes von axial zu radial und beschleunigt gleichzeitig diese um das Kompressorrad
10 umlaufende Luft auf hohe Geschwindigkeiten. Schließlich treibt eine Abströmkante
24 jedes Flügels
16 die Luft mit erhöhtem Druck aus dem Kompressorrad
10 hinaus. Diese Druckluft wird dann direkt oder indirekt zum Ansaugstutzen geleitet, je nachdem, ob die Luft durch einen Ladeluftkühler läuft oder nicht. Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten, dass für das in
1 dargestellte Kompressorrad
10 viele Gestaltungsmodifikationen vorbehalten sind, die durch Fachleute vorgenommen werden können, und somit sind alternative Gestaltungsformen möglich. Zum Beispiel ist das in
1 dargestellte Kompressorrad, wie im gemeinsam erteilten
US-Patent Nr. 6,904,949 ausgeführt, teilweise dafür gestaltet, die Gießbarkeit zu verbessern. Jedoch sind auch viele andere Kompressorradgestaltungen zum Bilden mit verschiedenen bekannten Gießtechniken geeignet.
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Um das Kompressorrad so zu drehen, dass es auf diese Weise funktionieren kann, kann am entgegengesetzten Ende der Rotationswelle ein in einem Turbinengehäuse enthaltenes Turbinenrad montiert sein. Ein Motorabgasstrom kann dem Turbinengehäuse steuerbar zugeführt werden, wo er vom Turbinenrad aufgefangen wird und dessen Rotation mit Geschwindigkeiten von etwa 80.000 bis 250.000 rpm bewirkt, damit das heiße Abgas aus dem Turbinengehäuse abgeleitet wird und weiter durch das Fahrzeugabgassystem strömt. Die Geschwindigkeit des Turbinenrades kann durch ein Bypassventil-Stellglied gesteuert werden, das ermöglicht, dass ein Teil des Abgases das Turbinengehäuse umgeht, wenn der Luftdruck im Ansaugstutzen ein voreingestelltes Maximum erreicht. Darüber hinaus kann die drehbare Welle, die das Kompressorrad 10 und die Turbine verbindet, in einem Lagersystem wie etwa einem Lagersystem mit Fluidschmierung aufgehängt sein, um die Rotation der Welle mit diesen verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten mit minimalen Energieverlusten durch Reibung zu ermöglichen.
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In 2 und 3 ist die zweilamellige Mikrostruktur des gegossenen TiAI6V4Cr2-Kompressorrades 10 zu sehen. 2, die eine Mikrofotografie der Nabe 12 im Querschnitt mit 500facher Vergrößerung ist, zeigt die β-Lamellen (die dunkler gefärbte Matrix), die primären α-Blättchen (die heller gefärbten und längeren nadelähnlichen Stücke) und die sekundären α-Blättchen (die kleineren, heller gefärbten Flecken oder Fragmente), die zwischen den primären α-Blättchen verteilt sind. 3, die eine Mikrofotografie eines der aerodynamisch konturierten Flügel 16 im Querschnitt und ebenfalls mit 500facher Vergrößerung ist, zeigt eine zweilamellige Mikrostruktur, die der in der Nabe 12 vorhandenen ähnelt. Falls keine Mikroskopiebilder der Mikrostruktur des Rades 10 angefertigt werden können, können auch bestimmte mechanische und Ermüdungsfestigkeitseigenschaften anzeigen, dass das Kompressorrad 10 die in 2 und 3 dargestellte Mikrostruktur erreicht hat.
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Die mit der zweilamelligen Mikrostruktur von
2 und
3 verbundenen mechanischen Eigenschaften sind unten in Tabelle 1 dargestellt. Diese Eigenschaften entsprechen dem Verfahren ASTM E 8 (Standard Test Methods of Tension Testing of Metallic Materials), das an einem runden Prüfstück mit zwei Inch Zuglänge ausgeführt wurde.
TABELLE 1
| Mechanische Eigenschaften |
| Zugfestigkeit | | Rm [MPa]1) | mind. 980 |
| Ersatzstreckgrenze (0,2 % plast. Dehnung) | | Rp0,2 [MPa]1) | mind. 890 |
| Dehnung | | A [%] | mind. 10 |
| 1) 1 MPa = N/mm2 |
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Ähnlich sollten die in Tabelle 2 dargestellten Ermüdungsfestigkeitseigenschaften erzielbar sein, wenn das Kompressorrad
10 die zweilamellige Mikrostruktur von
2 und
3 besitzt. Diese Eigenschaften entsprechen einem Verfahren, bei dem repräsentative gegossene Stangen zufällig zur axialen Ermüdung ausgewählt und bei 150 °C bis zu einem Maximum von 670.723 MPa (R=0.1) zyklisch belastet werden und dann die Ermüdung gemäß ASTM E 466 (Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials) geprüft wird. Die mittlere Lebensdauer wird aus einer Probe von mindestens
10 Stangen berechnet und die B1-Lebensdauer wird durch Hochrechnung mit Hilfe einer Weibullkurve bestimmt.
TABELLE 2
| Ermüdungsfestigkeit |
| Mittlere Lebensdauer | Zyklen | 50.000 |
| Hochgerechnete B1-Lebensdauer | Zyklen | mind. 12.500 |
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In 4 ist diagrammartig eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens dargestellt, das zum Herstellen des Kompressorrades 10 angewandt werden kann. Dieses Verfahren kann einen Präzisionsgießschritt 30 beinhalten, einen Schritt des heißisostatischen Pressens (HIP) 32, einen Schritt des schnellen Abkühlens 34 und einen Temperschritt 36.
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Der Präzisionsgießschritt 30 kann ein herkömmliches Titanlegierungs-Präzisionsgießverfahren sein. Solch ein Verfahren beinhaltet im Allgemeinen zu Beginn das Bauen eines positiven Wachsmodells, das in Größe und Oberflächengeometrie mit dem Kompressorrad 10 identisch oder nahezu identisch ist. Dies kann durch Spritzgießen einer geeigneten geschmolzenen oder halbfesten Wachszusammensetzung in den Hohlraum einer Metallmatrize ausgeführt werden, die einen oder mehrere Matrizeneinsätze beinhalten kann, welche die präzise Form und die Oberflächendetails des Wachsmodells und jeglicher Angussanschlüsse definieren. Der Hohlraum kann außerdem einen oder mehrere vorgefertigte Keramikkerne beinhalten, die das Bilden etwaig notwendiger innerer Durchgänge ermöglichen, wie beispielsweise den der axialen Öffnung 18. Nach dem Verfestigen des Wachses werden die Matrizeneinsätze aus dem Matrizenhohlraum entnommen und das gehärtete positive Wachsmodell wird entfernt. Ein positives Wachsmodell dieser Art kann auch durch das individuelle Bilden einzelner Teile des Wachsmodells und das nachfolgende Zusammensetzen und Verschmelzen derselben konstruiert werden. Das gehärtete Wachsmodell kann nun mit einer Beschickungseinrichtung - wie einem Angussverteiler, einem Eingusstrichter oder einer kundenspezifisch gestalteten Beschickung - verbunden werden, die ein Gießbecken und ein geeignetes Angusssystem für die nachfolgende Zufuhr von geschmolzenem TiAI5V4Cr2 beinhaltet, wie im Weiteren beschrieben wird. Mit dem Beschickungssystem kann auf Wunsch mehr als ein positives Wachsmodell des Kompressorrades verbunden werden.
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Eine feuerfeste, durch Beschichtung gebildete Gussform (im Weiteren „durch Beschichtung gebildete Gussform“) kann nun um die äußere Oberflächenkontur des Wachsmodells gebildet werden. Dies kann zuerst durch Tauchen oder anderweitiges Inkontaktbringen des Wachsmodells und wahrscheinlich eines Abschnittes der Beschickungseinrichtung in eine geeignete Keramikaufschlämmung erfolgen. Das Wachsmodell kann dann aus der Keramikaufschlämmung entfernt und von überschüssiger Aufschlämmung befreit werden. Als nächstes kann die mit Keramikaufschlämmung benetzte Oberfläche des Wachsmodells durch Besprengen, Eintauchen in ein Fluidbett oder durch eine andere bekannte Technik mit einem granulierten feuerfesten Material stuckiert und dann luftgetrocknet oder gehärtet werden, um eine erste Schicht der durch Beschichtung gebildeten Gussform zu bilden. Dieses Verfahren des abwechselnden Eintauchens, Stuckierens und Trocknens/Härtens des Wachsmodells kann wiederholt werden, bis die durch Beschichtung gebildete Gussform, welche die Wachsstruktur überzieht, eine festgelegte Dicke erreicht hat. Das granulierte feuerfeste Material, das für jede aufgebrachte Beschichtung verwendet wird, kann auch derart von einem verhältnismäßig feinen Material in ein verhältnismäßig gröberes Material übergehen, dass die Innenfläche der durch Beschichtung gebildeten Gussform und somit die Außenfläche des gegossenen Kompressorrades 10 ausreichend glatt ist.
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Das positive Wachsmodell kann nun mit einem von vielen Entwachsungsverfahren aus seiner es überziehenden, durch Beschichtung gebildeten Gussform entfernt werden. Zum Beispiel kann ein Blitzentwachsungsverfahren angewandt werden, bei dem das Wachsmodell mit seiner es überziehenden, durch Beschichtung gebildeten Gussform in einen gasbefeuerten Brennofen eingeführt wird, der verhältnismäßig hohe Temperaturen erzeugen kann. Bei einem anderen Beispiel kann ein Dampfentwachsungsverfahren angewandt werden, bei dem das Wachsmodell mit seiner es überziehenden, durch Beschichtung gebildeten Gussform in eine Dampfkochervorrichtung eingeführt wird, die gleichzeitig Wärmeenergie und Außendruck auf das beschichtete Wachsmodell aufbringt. Die durch Beschichtung gebildete Gussform, die nach dem Entwachsen zurückbleibt, kann dann bei hoher Temperatur gebrannt werden, die ausreicht, um die durch Beschichtung gebildete Gussform zu einem Keramikmantel auszuhärten, der ein genaues oder nahezu genaues negatives Modell des Kompressorrades 10 ist und in der Lage ist, den Spannungen standzuhalten, die mit der Aufnahme einer Ladung von geschmolzenem TiAI6V4Cr2 verbunden sind. Das Brennen der durch Beschichtung gebildeten Gussform zu dem Keramikmantel verbrennt auch alle Wachsrückstände, die während des Entwachsens nicht entfernt wurden. Der Keramikmantel kann dann in Erwartung oder zur Aufnahme des geschmolzenen TiAI6V4Cr2 vorgewärmt werden. Ein solches Vorwärmen kann bei der Verhinderung von Wärmeschockschäden am Keramikmantel infolge hoher Temperaturunterschiede zwischen dem Mantel und dem geschmolzenen TiAI6V4Cr2 nützlich sein. Für die gerade beschriebenen Brenn- und Vorwärmverfahren kann ein gasbefeuerter Brennofen verwendet werden. Tatsächlich kann auf Wunsch ein einziger, kontinuierlich befeuerter Mehrzonen-Gasbrennofen verwendet werden, um zuerst die durch Beschichtung gebildete Keramikmantel-Gussform zu entwachsen, dann die durch Beschichtung gebildete Gussform zu einem Keramikmantel zu brennen und schließlich den Keramikmantel vorzuwärmen, indem diese Gegenstände durch temperaturgesteuerte Zonen des Ofens mit sich erhöhender Temperatur laufen.
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Der Keramikmantel, der immer noch mit dem Beschickungssystem verbunden ist, kann nun mit geschmolzenem TiAI6V4Cr2 gefüllt werden. Dies kann durch Schmelzen vorlegierter Gussblöcke von TiAI6V4Cr2 und dann das vakuumunterstützte Gießen einer Ladung des geschmolzenen TiAI6V4Cr2 in das Gießbecken des Beschickungssystems erfolgen, sodass die geschmolzene Legierung durch das Angusssystem und in den Keramikmantel fließt. Die Anwendung vakuumunterstützten Gießens, um vor dem Gießen die Luft aus dem Keramikmantel abzuleiten, hilft, das Auftreten unerwünschter chemischer Reaktionen zu verhindern, die zwischen Luft und geschmolzenem Titan auftreten können, und minimiert gleichzeitig den Fließwiderstand durch den Mantel. Dann lässt man das geschmolzene TiAI6V4Cr2 abkühlen und setzen. Anschließend wird der Keramikmantel entfernt, um das gegossene TiAI6V4Cr2-Kompressorrad 10 freizulegen. Das Entfernen des Keramikmantels kann mit einer Anzahl von Techniken unterstützt werden, wie beispielsweise dem Vibrationshämmern, dem Druckwasserstrahlen, Sandstrahlen oder der chemischen Auflösung. Die vorgefertigten Keramikkerne, die ursprünglich in dem positiven Wachsmodell enthalten waren, können dann durch mechanische Ausschlagverfahren, wie beispielsweise Vibration, Fragmentierung und Schleifstrahlen, durch chemisches Ablaugen in Lösungen wie beispielsweise geschmolzenem wasserfreiem Natriumhydroxid oder Chlorwasserstoffsäure oder durch eine Kombination mechanischer Ausschlag- und chemischer Ablaugverfahren aus dem Kompressorrad 10 entfernt werden. Die Angussanschlüsse können zu diesem Zeitpunkt mit einer Bandsäge, einer Schleifscheibe und/oder durch Tauchen der Angussanschlüsse in flüssigen Stickstoff und Entfernen mit Hammer oder Meißel ebenfalls vom Kompressorrad 10 entfernt werden. Zusätzlich kann eine maschinelle Bearbeitung wie beispielsweise Bandschleifen ausgeführt werden, um das Entfernen der Angussanschlüsse innerhalb geeigneter Abmessungstoleranzen zu vollenden.
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Das gegossene TiAI6V4Cr2-Kompressorrad 10 kann nun dem HIP-Schritt 32 unterzogen werden, um das Rad 10 zu härten. Solch ein Verfahren beinhaltet im Allgemeinen, dass das Kompressorrad 10 in einem Hochdruck-Sicherheitsbehälter gleichzeitig Wärme und einem isostatischem Gasdruck (in allen Richtungen gleich) ausgesetzt wird. Wegen seiner chemisch inerten Beschaffenheit wird Argongas als das mit Druck beaufschlagte Gas verwendet. Die Wärme und der Gasdruck, die während des HIP-Schrittes 32 auf das Kompressorrad 10 wirken, reduzieren und eliminieren bis zu einem gewissen Grade praktisch jegliche signifikanten inneren Hohlräume und Mikroporosität, die möglicherweise beim Abkühlen und Verfestigen während des Präzisionsgießschrittes 30 im Rad 10 gebildet worden sind. Der Mechanismus, durch welchen das Kompressorrad 10 härtet, wird im Allgemeinen als eine Kombination plastischer Umformung, Kriechen und metallurgischem Diffusionsbonden betrachtet. Ein Satz von HIP-Bedingungen, mit denen diese mechanischen Veränderungen im gegossenen TiAI6V4Cr2-Kompressorrad 10 erreicht werden können, können eine Behandlungszeit von etwa zwei bis etwa vier Stunden bei 899 ± 14 °C oder 954 ± 14 °C bei einem Druck von nicht weniger als 1000 bar sein. Nach dem Anwenden von Wärme und Druck kann das Kompressorrad 10 in seinem frisch gehärteten Zustand abkühlen.
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Das Kompressorrad 10 kann nun schnell abgekühlt werden, wie in 4 in Schritt 34 dargestellt, um es mit der in 2 und 3 dargestellten zweilamelligen Mikrostruktur zu versehen. Um diesen Schritt des schnellen Abkühlens 34 auszuführen, muss das Kompressorrad 10 zuerst in einem gasbefeuerten Brennofen auf eine Temperatur oberhalb seiner β-Übergangstemperatur erhitzt werden, das heißt, es kann auf eine Temperatur oberhalb derjenigen erhitzt werden, bei der das TiAI6V4Cr2 einen kristallographischen Übergang von seiner α+β-Phase zu seiner β-Phase vollzieht. Eine Darstellung der β-Übergangstemperatur ist in 5 schematisch als die Linie gezeigt, die das α+β-Phasenfeld vom β-Phasenfeld trennt. Wie zu erkennen ist, ist diese Temperatur vom Legierungsgehalt des TiAI6V4Cr2 abhängig und ihre Kurve kann sogar in Abhängigkeit vom Vorhandensein größerer oder kleinerer Mengen eines bestimmten Legierungselementes steigen oder fallen. Dennoch stellt 5 für den Schritt des schnellen Abkühlens 34 eine ziemlich repräsentative graphische Darstellung des Phasengleichgewichtsdiagramms von TiAI6V4Cr2 dar. Das Erhitzen des Kompressorrades 10 auf eine Temperatur oberhalb seiner β-Übergangstemperatur kann folglich ohne Kenntnis oder Bestimmung der genauen β-Übergangstemperatur ausgeführt werden, die überschritten werden muss. Dies ist der Fall, weil die β-Übergangstemperatur von reinem Titan (kristallographischer Übergang von seiner α-Phase zu seiner β-Phase) bekanntlich bei etwa 882 °C liegt, einer Temperatur, die, wie in 5 dargestellt, infolge der beta-stabilisierenden Wirkungen einiger seiner Legierungskomponenten höher ist als die β-Übergangstemperatur von TiAI6V4Cr2. So kann das Kompressorrad 10 im gasbefeuerten Brennofen erhitzt werden, bis es eine gleichmäßige Temperatur von zum Beispiel etwa 900 °C erreicht. Eine Temperatur dieser Größenordnung liegt bei Weitem über der β-Übergangstemperatur von TiAI6V4Cr2 und kann somit eine geeignete Temperatur sein, von der aus das Kompressorrad 10 schnell abzukühlen ist.
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Nach dem Erreichen einer Temperatur oberhalb seiner β-Übergangstemperatur kann das Kompressorrad 10 nun schnell auf eine Temperatur innerhalb seines α+β-Phasenfeldes abgekühlt werden. Dies kann ausgeführt werden, indem der gasbefeuerte Brennofen, der immer noch das heiße Kompressorrad 10 beherbergt, mit einem Argongas-Hochdruckstrahl belüftet wird, der mit Umgebungstemperatur oder einer Temperatur leicht darunter eingeführt wird. Es kann ebenfalls möglich sein, das Kompressorrad 10 schnell abzukühlen, indem es aus dem gasbefeuerten Brennofen entnommen und mit Wasser abgeschreckt wird. Gleich welches Verfahren verwendet wird, um das Kompressorrad 10 schnell abzukühlen - ob Belüften mit Argon, Abschrecken mit Wasser oder ein anderes Verfahren - die Aufgabe des Schrittes des schnellen Abkühlens 34 besteht darin, das Kompressorrad 10 mit einer Geschwindigkeit abzukühlen, die erheblich schneller ist, als die, die durch einfaches Abkühlenlassen des Rades 10 an der Luft erreichbar ist (d. h. normales Abkühlen im Brennofen oder an der Luft). Unter gewissen Umständen muss die genaue Abkühlungsgeschwindigkeit des Schrittes des schnellen Abkühlens 34 nicht bekannt sein. Stattdessen kann eine Prüfung der Mikrostruktur und der physikalischen Eigenschaften des Kompressorrades 10 nach dem schnellen Abkühlen darüber informieren, ob es schnell genug abgekühlt wurde oder nicht. Denn wenn das Kompressorrad 10 die in 2 und 3 dargestellte zweilamellige Mikrostruktur oder die in Tabelle 1 dargestellten mechanischen Eigenschaften und die in Tabelle 2 dargestellte Ermüdungsfestigkeit oder sowohl die Mikrostruktur als auch die physikalischen Eigenschaften aufweist, war die Abkühlungsgeschwindigkeit während des Schrittes des schnellen Abkühlens 34 ausreichend. Wenn andererseits das Kompressorrad 10 eine vollständige Lamellenmikrostruktur oder eine andere Mikrostruktur als die in 2 oder 3 dargestellte Mikrostruktur aufweist oder nicht die mechanischen Eigenschaften aus Tabelle 1 oder die in Tabelle 2 dargestellte Ermüdungsfestigkeit aufweist, dann war die Abkühlungsgeschwindigkeit während des Schrittes des schnellen Abkühlens 34 vermutlich zu langsam.
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Nach dem Schritt des schnellen Abkühlens 34 kann das Kompressorrad 10, wie in Schritt 36 dargestellt, wärmebehandelt werden, um etwaige innere Spannungen, die während der Herstellung entstanden sein können, zu entfernen. Dies kann das Spannungsarmglühen und Tempern des Kompressorrades 10 bei einer Temperatur im α+β-Phasenfeld beinhalten, sodass innere Spannungen wie Versetzungen und Gitterleerstellengradienten beseitigt oder reduziert werden, ohne gleichzeitig die während des Schrittes des schnellen Abkühlens 34 erzielte zweilamellige Mikrostruktur zu gefährden. Ein Satz von Bedingungen, die beim Wärmebehandlungsschritt 36 verwendet werden können, beinhalten daher das achtstündige Tempern des Kompressorrades bei etwa 550 °C in einem Brennofen, der für das Vakuumtempern eingerichtet ist. Nach diesem Temperzeitraum kann das Kompressorrad an der Luft oder im Brennofen auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
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Das Kompressorrad 10 kann nun geprüft werden, um sicherzustellen, dass es die geeignete zweilamellige Mikrostruktur und/oder die mechanischen Eigenschaften und die Ermüdungsfestigkeit aufweist, die mit dieser zweilamelligen Mikrostruktur verbunden sind. Nach dieser Prüfung kann das Kompressorrad 10 fertiggestellt werden und schließlich als Teil eines Fahrzeugturboladers montiert werden.
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Die vorangegangene Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhaft und somit sind Variationen davon nicht als Abweichung von Geist und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
