DE19747257C2

DE19747257C2 - Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen

Info

Publication number: DE19747257C2
Application number: DE19747257A
Authority: DE
Inventors: Fritz Appel; Uwe Lorenz; Michael Oehring; Richard Wagner
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1997-10-25
Filing date: 1997-10-25
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2017-10-26
Also published as: US6420051B1; EP1024910B1; EP1024910A1; DE19747257A1; DE59806564D1; ATE228896T1; WO1999021667A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legie rungen, insbesondere TiAl-Legierungen, die zum Warmum formen einer Strangpressung unterzogen werden.

Metallische Hochtemperatur-Legierungen werden zur Her stellung von hochbelasteten bzw. hochbelastbaren Bautei len verwendet, beispielsweise als Bauteile zum Einsatz in Turbinen zum Antrieb von Flugzeugen und dergleichen. Um die erstrebten Eigenschaften, z. B. hohe Festigkeiten, zu erreichen, wird für bestimmte Bauteile grundsätzlich gefordert, daß sie warm umgeformt worden sind. Im Falle von TiAl-Legierungen als bestimmter metallischer Hoch temperatur-Legierung ist ein Umformen der Bauteile auch im Hinblick auf die Einstellung bestimmter Gefüge erfor derlich, die auf anderem Wege schmelzmetallurgisch nicht erreicht werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Warmum formung von TiAl-Gußblöcken Temperaturen von 1100°C erfordert, vergleiche Y.-W. Kim, D. M. Dimiduk, J. Metals 43 (1991) 40. Dies ist vielfach, beispielsweise beim Heißstrangpressen, wegen der Begrenzung der Gesenk- oder Matritzen- und Aufnehmertemperaturen nur nichtisotherm möglich. Da das Formänderungsvermögen und der Umformwi derstand von TiAl-Legierungen stark temperaturabhängig sind, müssen die Rohlinge für das Strangpressen gekap selt werden, um hohe Temperaturverluste zu vermeiden. Als Kapselmaterial stehen bisher Ti-Legierungen oder austenitische Stähle zur Verfügung, deren Umformwider stand allerdings bei den erforderlichen Temperaturen sehr viel kleiner ist als der des umzuformenden TiAl- Rohmaterials bzw. eines entsprechenden Rohlings aus die sem Werkstoff. Eine Verwendung von Kapselmaterialien mit besser angepaßtem Umformwiderstand wie z. B. TZM- Molybdän scheidet aus Kostengründen aus.

Die großen Unterschiede im Umformwiderstand von Kapsel- und Kernmaterial führen zu einem ungleichmäßigen Umfor men beim Strangpressen mit unerwünschten Variationen im Umformgrad über die Länge des Stranges und außerdem auch zur Rißbildung in bestimmten Bereichen der Kapseln. Es wurde versucht, die Umformwiderstände zwischen Kapsel- und Kernmaterial durch eine Abkühlphase zwischen dem Anwärmen und dem Strangpressen anzupassen. Modellrech nungen des Temperaturverlaufes von Kapsel und Kern mit zunehmender Haltezeit zeigen, daß auf diese Weise zu ge ringe Temperaturunterschiede erreicht werden. Auch bei einem niedrig angenommenen Wärmeübergangswert, der nur mit einer Wärmeisolationsschicht (beispielsweise Glas wolle) zu erreichen ist, ist der erreichbare Tempera turunterschied noch nicht ausreichend.

Aus der DE 39 19 107 A1 ist ein Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch hergestellten Rohlingen aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Heißstrang- Pressen bekannt. Das bekannte Verfahren nutzt zur Herstellung von Bauteilen aus pulverförmigen Werkstoffen keine Kapselung, da dort Werkstücke hergestellt werden können sollen, die Abmessungen aufweisen sollen, die einer Kapselung nicht zugänglich sind.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Wärmeverluste des Rohlings vermieden werden, wobei aufgabengemäß angestrebt wird, die Kapse lung durch längere Wartezeiten zwischen Anwärmen und Strangpressen bei geringen Temperaturverlusten im Kern soweit abzukühlen, daß Kapselwerkstoff und Kernwerkstoff nahezu gleiche Umformwiderstände haben, wozu insbeson dere Temperaturunterschiede bis 500°K nötig sind. Die Vorrichtung soll dabei an sich einfach und kostengünstig ausbildbar und bereitstellbar sein.

Gelöst wird die Aufgabe für eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des geltenden Patentanspruchs 1 gemäß der Erfindung dadurch, daß die Kapselung wenigstens aus einer ersten, den Rohling eng aber beabstandet umschließenden ersten inneren Hülle und einer die innere Hülle eng aber beabstandeten zwei ten, äußeren Hülle besteht, wobei die erste und die zweite Hülle aus einem metallischen Werkstoff bestehen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß damit eine optimale Abschirmung gegen Wärmestrahlung aus dem Rohling, d. h. dem Kern der Vorrichtung geschaf fen wird, die bei den vorliegenden Temperaturen grund sätzlich die wesentliche Ursache der Wärmeverluste ist, wobei es weiterhin dadurch vorteilhafterweise möglich ist, einen optimalen Wärmeleitungswiderstand durch Va kuumisolation zu erreichen und schließlich vorteilhaf terweise eine Konvektion zu vermeiden sowie die Vermei dung von Werkstoffpaarungen, die bei den bei einer Strangpressung dieser Art erforderlichen hohen Tempera turen zu unerwünschten Reaktionen führen.

Es hat sich gezeigt, daß für einen effektiven Strah lungsschutzschild, den die innere Hülle bildet, ein blechförmiges Element als innere Hülle ausreicht, um allein dadurch eine um 33% reduzierte abgestrahlte Leistung zu erreichen.

Die äußere Hülle der Vorrichtung weist, wie Versuche ergeben haben, vorzugsweise eine Wanddicke von 5 bis 10 mm auf, wobei die äußere Hülle grundsätzlich aus Stahl oder vorzugsweise einer Titan-Legierung, z. B. TiAl6V4, gebildet werden kann.

Untersuchungen haben ergeben, daß vorteilhafterweise die innere Hülle lediglich eine Wanddicke im Bereich von 0,1 bis 1 mm, insbesondere aber vorteilhafterweise eine Wanddicke von 0,3 mm ausreicht, um eine Verminderung der Abstrahlungsleistung um 33% zu erreichen. Aufgrund der hohen Erwärmungs- und Bearbeitungstemperatur einerseits aber auch aus Kostengründen andererseits ist es vorteil haft als innere Hülle Bleche oder Folien aus Molybdän und/oder Tantal zu verwenden, die ein geringes Emis sionsvermögen ε aufweisen. Dadurch werden außerdem Ma terialpaarungen vermieden, die bei den anzuwendenden hohen Temperaturen zu unerwünschten Reaktionen führen.

Grundsätzlich ist es zwar möglich, auf unterschiedlich geeignete Weise dafür zu sorgen, daß der Rohling fort während zu der ihn umgebenden inneren Hülle beabstandet ist, um einen unmittelbaren Wärmekontakt zwischen dem Rohling und der inneren Hülle weitgehend zu vermeiden. Es hat sich aber als vorteilhaft herausgestellt, den Rohling derart auszubilden, daß dieser eine Mehrzahl von vorspringenden Stegen aufweist, die als Abstandshalter zur den Rohling umhüllenden inneren Hülle fungieren. So können beispielsweise die Stege auf einfache Weise bei im wesentlichen zylindrisch im Querschnitt ausgebildetem Rohling durch einfaches Abdrehen bzw. Abfräsen geschaf fen werden.

Um auf gleiche Weise wie vorangehend beschrieben auch dafür zu sorgen, daß die innere Hülle gegenüber der äußeren Hülle einen vernachlässigbar geringen Wärmekon takt aufweist, ist es ebenfalls vorteilhaft, die äußere Hülle mit einer Mehrzahl von vorspringenden, auf die in nere Hülle gerichteten Stegen zu versehen, die als Ab standhalter zur inneren Hülle fungieren. Auch hier ist es prinzipiell möglich, die Stege, insbesondere wenn es sich um eine im Querschnitt hohlzylinderförmige äußere Umhüllung handelt, durch entsprechendes Ausdrehen bzw. geeignetes Ausfräsen der äußeren Hülle herzustellen.

Die Stege sind aber bei der äußeren Umhüllung und bei dem inneren Rohling bzw. Kern der Vorrichtung vorzugs weise derart auszubilden, daß ihre Berührungsfläche mit der jeweils angrenzenden inneren Hülle sehr klein gegen über der übrigen Mantelfläche ist.

Wie schon erwähnt, kann die Anbringung allein einer ein zigen inneren Hülle, die das erwähnte Strahlungsschutz schild bildet, zu einer Verminderung der Abstrahlungs leistung von 33% führen. Um die abgestrahlte Leistung noch weiter zu vermindern, ist es bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung möglich, eine dritte und eine vierte Hülle vorzusehen, die eben falls jeweils voneinander eng beabstandet zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle und jeweils zu diesen eng beabstandet angeordnet sind. Die Wahl weiterer Hül len wird davon abhängen, inwieweit für den speziellen Strangpressvorgang in Abhängigkeit des den Rohling bil denden Werkstoffs es als notwendig angesehen wird, einen gleichen Umformwiderstand von Mantel- und Kernmaterial zu erreichen.

Ebenso wie bei der oben beschriebenen Grundausgestaltung der Vorrichtung mit wenigstens zwei Hüllen kann es auch bei der vorangehend beschriebenen Ausgestaltung der Vor richtung mit vier Hüllen vorteilhaft sein, die zur ers ten, inneren Hülle benachbarte dritte Hülle mit einer Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle als auch zur vier ten Hülle hin gerichteten Stegen zu versehen, die als Abstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle und vierten Hülle fungieren. Auch in diesem Falle können die Stege durch entsprechendes Abdrehen bzw. Abfräsen der dritten Hülle ausgebildet werden, wobei das entsprechen de, oben erwähnte Abdrehen bzw. Abfräsen des Rohlings bzw. der äußeren zweiten Hülle zur Ausbildung der dor tigen Stege, wie beschrieben, unbeeinflußt bleibt bzw. auf gleiche Weise, wie beschrieben, ausgeführt werden kann.

Vorteilhafterweise besteht die dritte Hülle aus dem gleichen Werkstoff wie die zweite Hülle, wobei vorteil hafterweise die vierte Hülle aus dem gleichen Werkstoff wie die erste Hülle besteht.

Insgesamt wird mit einer Ausbildung der Vorrichtung im vorbeschriebenen Sinne mit vier Hüllen die abgestrahlte Leistung gegenüber dem Rohling auf ca. 25% reduziert.

Schließlich muß sowohl für die Gestaltung mit zwei Hüllen und mehr Hüllen die jeweils äußere Hülle vakuum dicht ausgebildet werden, damit einmal Wärmeleitung über das Gas in den Zwischenräumen wie auch Konvektion in den Zwischenräumen unterdrückt werden, zum anderen eine Oxi dation der metallischen Teile verhindert wird, um das geringe Emissionsvermögen dieser Teile zu erhalten.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen bzw. graphischen Darstellungen anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Modifikation davon beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 im Schnitt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Hüllen, die einen Rohling aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung umschlie ßen,

Fig. 2 eine Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfin dung gemäß Fig. 1, bei der jedoch wenigstens in Teilbereichen der Rohling aus einer metal lischen Hochtemperatur-Legierung von vier Umhüllungen umschlossen ist,

Fig. 3a-3d den Verlauf eines minimalen und eines maximalen Durchmessers des Querschnittes des Kernes (Roh ing) in der Vorrichtung über der Stranglänge bei verschiedenen Formen der Kapselung und Wartezeiten nach dem Anwärmen,

Fig. 4 den Kraftverlauf beim Strangpressen in einer Stahlkapselung mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 25 sec nach dem Anwärmen und

Fig. 5 den Kraftverlauf beim Strangpressen in einer Stahlkapsel mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 50 sec nach dem Anwärmen.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt, wobei der der Strangpressung zu unterziehende Rohling 11 aus einer metallischen Hoch temperatur-Legierung, insbesondere einer TiAl-Legierung, im wesentlichen einen zylindrischen Querschnitt auf weist, wobei dementsprechend auch die Vorrichtung 10 auch im wesentlichen einen zylindrischen Querschnitt aufweist. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewie sen, daß diese Form des Rohlings 11 bzw. der Vorrichtung 10 keineswegs immer zylindrisch sein muß, denn es sind auch viele andere mögliche Ausgestaltungen des Rohlings möglich, die auch schon vor der endgültigen Strangpres sung eine an die später einzunehmende Form grob ange paßte Form aufweisen können. Zum Verständnis der Erfin dung wird aber, da die Konstruktionsprinzipien der Vorrichtung 10 allgemein gelten, Bezug genommen auf die Darstellungen der Vorrichtung 10 gemäß den Fig. 1 und 2 mit im wesentlichen kreisförmiger Querschnittsform.

In der Vorrichtung 10 ist ein Rohling 11 angeordnet und von einer ersten, inneren Hülle 12 und einer zweiten äußeren Hülle 13 umgeben, vergleiche insbesondere Fig. 1. Die Umhüllung des Rohlings 11 bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 ist vollständig, d. h. es ist nicht nur die äußere, hier zylinderförmige Man telfläche des Rohlings 11 von den Hüllen 12, 13 umgeben, sondern auch ebenfalls die jeweiligen ebenen Stirnflä chen des Rohlings 11.

Die erste, innere Hülle 12 umschließt eng aber beabstan det den Rohling 11, wobei die innere Hülle 12 beispiels weise eine Wanddicke von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise 0,3 mm aufweist. Die innere Hülle, die blechförmig ausgebil det ist, besteht dabei vorzugsweise aus Tantal oder Mo lybdän. Grundsätzlich können aber alle anderen geeigne ten Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden, sofern sie nicht mit dem Material des Rohlings (11) oder der äußeren Hülle (18) reagieren.

Die zweite, äußere Hülle 13 weist eine sehr viel größere Wanddicke als die innere Hülle 12 auf, beispielsweise im Bereich von 5 bis 10 mm. Sowohl für die innere Hülle 12 als auch die äußere Hülle 13 gilt, daß auch die im we sentlichen ebenen Stirnflächen des Rohlings 11 mit glei chem Hüllenaufbau, wie vorangehend beschrieben, abge deckt werden.

Die äußere Hülle 13 kann beispielsweise aus Stahl oder einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff für diese Zwecke, beispielsweise TiAl6V4, ausgebildet sein.

Der Rohling 11 weist eine Mehrzahl von vorspringenden Stegen 110 auf, die als Abstandhalter zur den Rohling 11 umgebenden inneren Hülle fungieren. Diese Stege können beispielsweise durch Abfräsen oder Abdrehen des Rohlings 11, beispielsweise um 0,3 mm erzeugt werden, so daß die sich somit ausbildenden Stege bei einer Höhe von 0,3 mm eine Breite von etwa 1 mm haben. Durch diese Maßnahme können die notwendigen geringen Abstände d = d_isol- d_mo zwischen der als erstes Strahlenschutzblech dienenden ersten Hülle 12 und dem Rohling 11 eingehalten werden. Zur Unterdrückung einer direkten Wärmeleitung zwischen dem Rohling 11 und der zweiten, äußeren Hülle 12 unter Einschluß der ersten, inneren Hülle 12 sind die Stege 110 am Rohling 11 und die Stege 131, die ebenfalls auf analoge Weise an der zweiten äußeren Hülle 13 ausgebil det sind, versetzt zueinander angeordnet. Insgesamt wirkt somit die Gesamtheit der Umhüllung aus erster Hül le 12 und zweiter Hülle 13 als doppeltes Strahlungs schutzschild, womit sich die vom Rohling 11 abgestrahlte Leistung im Vergleich zum ungeschützten Rohling 11 auf etwa ein Drittel reduziert.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2, die vom Grundsatz her einen gleichen Aufbau wie die Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 aufweist, ist zusätzlich noch eine dritte Hülle 14 und eine vierte Hülle 15 vor gesehen. Auch diese Hüllen 14, 15 sind jeweils eng von einander eng beabstandet angeordnet. Auch in diesem Fal le weist die zur ersten, inneren Hülle 12 benachbarte dritte Hülle 14 eine Mehrzahl von sowohl zur ersten Hül le 12 als auch zur vierten Hülle 15 hin gerichteten Ste gen 140 auf. Die Stege 140 dienen ebenfalls als Ab standshalter zu der benachbarten ersten Hülle 12 und der ebenfalls benachbarten vierten Hülle 15. Die dritte Hül le 14 kann dabei aus dem gleichen Werkstoff wie die zweite Hülle 13 bestehen. Die vierte Hülle 15 kann dabei aus dem gleichen Werkstoff wie die erste Hülle 12 beste hen. Faktisch sind in der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2 vier Strahlungsschutzbleche wirksam, nämlich die erste Hülle 12, die zweite Hülle 13, die dritte Hülle 14, und die vierte Hülle 15. Bei der Aus führungsform der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2 kann die abgestrahlte Leistung gegenüber dem ungeschützten Roh ling 11 auf ca. 25% reduziert werden, wobei bezüglich einer Abschätzung dieser Reduktion der abgestrahlten Leistung auf eine noch weiter unten aufgeführte Berech nung verwiesen wird.

Im Temperaturbereich von 1000° bis 1400°C können grund sätzlich für die Hüllen 13 und 14 Stahl oder Titanlegie rungen verwendet werden. Bei noch höheren Temperaturen sollten für diese Hüllen (13 und 14) Refraktärmetalle wie Mo oder Ta gewählt werden. Die Hüllen 12 und 15 be stehen vorzugsweise aus Mo oder Ta, auch bei noch höhe ren Temperaturen als 1400°C. Grundsätzlich können aber auch alle anderen geeigneten Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden, sofern Material paarungen vermieden werden, die zu Reaktionen führen. Die erste Hülle 12 und die vierte Hülle 15 sind vorzugs weise dünnwandig ausgebildet. Es sei noch daraufhinge wiesen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung sich nicht nur auf das Strangpressen von Titanaluminiden be schränkt, vielmehr kann natürlich auch das Umformen durch Strangpressen bei Temperaturen oberhalb von 1000° C bei anderen metallischen Hochtemperatur-Legierungen sehr erfolgreich angewendet werden.

Bei den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 2 umschließt wenigstens die erste Hülle 12 den Rohling vakuumdicht, wobei die erforderliche Evakuierung der Zwischenräume zwischen wenigstens der ersten Hülle 12 und dem Rohling 11 dadurch erreicht wird, daß man den Deckel und den Bo den wenigstens der ersten Hülle 12 durch kostengünstiges Elektronenstrahlschweißen in einer Vakuumkammer zu schweißt. Insgesamt kann die Fertigung der Vorrichtung 10 somit relativ kostengünstig gestaltet werden. Auch die anderen Hüllen 13 bis 15 der Vorrichtung können, falls erforderlich, vakuumdicht ausgebildet sein.

Eine Abschätzung, die die Wirksamkeit der erfindungsge mäß mit der Vorrichtung 10 vorgeschlagenen Maßnahmen zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung belegt, soll anhand der Strahlungsleistung von nichtisolierten und durch Wärmeschutzschilde isolierten Strangpreßroh lingen 11 dargestellt werden.

Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz strahlt ein nicht schwarzer Körper in den kalten Raum die Wärmeleistung

dQ_s/dt = FεcT⁴ (Gl. 1)

ab. Die Bezeichnungen haben die folgende Bedeutung
F - Oberfläche des Körpers
c - Stefan-Boltzmannsche Strahlungskonstante (c = 5.7.10^-8 Wm^-2 K^-4)
ε - Emissionsvermögen des Körpers
T - absolute Temperatur

Für metallisch blanke Körper gilt vielfach ε = 0.3. Ein auf 1300°C erhitzter Strangpreßrohling der Abmessungen ϕ 65 mm × 170 mm würde also ohne Isolation nach der Ent nahme aus dem Ofen anfänglich eine Leistung von dQ_s/dt = 4,6 kW abstrahlen.

Die hierdurch entstehenden Wärmeverluste lassen sich bei hohen Temperaturen sehr wirksam durch das Anbringen von einem oder mehreren Strahlungsschutzschilden (Hüllen) verhindern, die zwischen dem heißen Körper bzw. Rohling 11 und der kalten Umgebung eingebracht werden. Für die vorliegende Geometrie eines heißen zylindrischen Roh lings 11 reduziert sich diese bei einem konzentrisch um den Körper angeordneten Strahlungsschild auf

_s,1 = dQ_s,1/dt = FεcT⁴/(ε_s/ε_e + r_k/rs), (Gl. 2)

mit ε_e = εε_s/(1 - (1 - ε_s)(1 - εF_k/F_s)).

Hierbei bedeuten
ε_s - das Emissionsvermögen
r_k - der Radius des heißen Körpers
r_s - der Radius des Strahlungsschutzschildes.

Nach Gl. 2 gilt

d_s,1/dr_k < 0, (Gl. 3)

d. h. die Wirksamkeit des Strahlungsschutzschildes ist umso höher, je geringer sein Abstand zum heißen Körper ist. Nimmt man zur Vereinfachung der Abschätzung wei terhin an, daß ε = ε_s und r_k = r_s, so gilt

dQ_s,1/dt = 1/2dQ_s/dt. (Gl. 4)

Durch das Anbringen eines Strahlungsschutzschildes kann die abgestrahlte Leistung also bereits auf 50% redu ziert werden. Bei der Anwendung von n Strahlungsschutz schilden gilt unter den gleichen vereinfachenden Voraus setzungen

dQ_s,n/dt = (1/(n + 1))dQ_s/dt. (Gl. 5)

Nach den hier dargestellten Verhältnissen muß die Kapselung zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung also nach folgenden Prinzipien erfolgen:

- Als Strahlungsschutzschilde (Hüllen) müssen nach Gl. 2 Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden. Aufgrund der hohen Temperatur und aus Kosten gründen ist die Werkstoffauswahl auf Bleche bzw. Folien aus Mo oder Ta beschränkt. Allerdings sollten diese Werkstoffe eine möglichst glatte und oxidfreie Oberflä che haben.
- Der Abstand zwischen heißem Körper und dem ersten Strahlungsschutzschild und zwischen weiteren Strahlungs schutzschilden sollte nach Gl. 2 möglichst klein gehal ten werden.
- Wärmeverluste durch Konvektion bzw. Wärmeleitung müs sen vermieden werden.

Zur Erprobung der beschriebenen Strangpreßkapselkon struktion wurden 4 Strangpreßversuche durchgeführt. Dazu wurden Rohlinge 11 mit einem Durchmesser von 65 mm, die aus derselben TiAl-Legierung bestanden, in unterschied liche Kapseln gekapselt. Da bei dem vorangehend be schriebenen Aufbau der Kapselung durch eine erhöhte Wartezeit zwischen Anwärmen und Strangpressen der ge wünschte Temperaturunterschied zwischen Kapselung und Rohling 11 zunimmt, wurde außerdem die Wartezeit vari iert. Die sonstigen Versuchsbedingungen (Anwärmtempera tur 1250°C, vorgegebene Stempelgeschwindigkeit 20 mm/s) sowie die äußeren Maße der Kapselung waren in allen Ver suchen identisch. Im einzelnen wurden folgende Formen der Kapselung und Wartezeiten gewählt:

1. TiAl6V4-Kapselung ohne Wärmeisolation, 25 s Warte zeit
2. Stahlkapselung ohne Wärmeisolation, jedoch mit einge legter Mo-Folie als Reaktionsbarriere, 25 s Wartezeit
3. Stahlkapselung mit Wärmeisolation wie erfindungsgemäß beschrieben (s. Abb. 1), 25 s Wartezeit
4. 3. Stahlkapselung mit Wärmeisolation wie erfindungs gemäß beschrieben (s. Abb. 1), 50 s Wartezeit

Nach dem Strangpressen wurden die Stränge aufgeschnitten und die Querschnittsform des TiAl-Rohlings 10 über die Stranglänge verfolgt. Im idealen Fall - d. h. wenn Man tel- und Kernwerkstoff gleichen Umformwiderstand aufwei sen, müßten sich bei dem gewählten Aufnehmerdurchmesser von 85 mm und dem Matrizendurchmesser von 30 mm kreis förmige Querschnitte des TiAl-Rohlings 10 mit Durch messer 22.9 mm ergeben. Fig. 3a-3d zeigt die minimalen und maximalen Durchmesser der im allgemeinen ovalen Querschnitte des TiAl-Rohlings 10 nach diesen Versuchen. Die Ergebnisse zeigen, daß im Fall der TiAl6V4-Kapsel ohne Wärmeisolation die ungünstigsten Verhältnisse vor liegen, d. h. der Kernquerschnitt zeigt die größten Un terschiede zwischen minimalem (d_min) und maximalem (d_max) Durchmesser und liegt wegen des geringen Umform widerstandes der TiAl6V4-Legierung im Vergleich mit dem Kernwerkstoff z. T. erheblich über dem idealen Wert von 22.9 mm. Außerdem variiert der Querschnitt deutlich über die Stranglänge. Im Fall der Stahlkapselung ohne Wärme isolation sind die Querschnitte mehr der Kreisform ange nähert und der Durchmesserverlauf über die Länge ist gleichmäßiger, allerdings liegen die Werte über dem ide alen Wert von 22.9 mm. Dagegen führt die Verwendung ei ner Kapselung aus Stahl mit Wärmeisolation zu Durchmes serverläufen um 22.9 mm, wobei für die verlängerte War tezeit von 50 s der gleichmäßigste Verlauf beobachtet wird. Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, daß die Wärmeisolation wirksam ist und bei Wartezeiten von 50 s schon eine gute Anpassung des Umformwiderstan des zwischen Stahlmantel und TiAl-Rohling 10 erreicht wurde. Die deutliche Wirkung der Wärmeisolation zeigt sich auch im Kraftverlauf beim Strangpressen. Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, ist die anfängliche Matrizen kraft beim Strangpressen von Kapselungen mit Wärmeiso lation nach einer Wartezeit von 50 s erheblich höher als nach einer Wartezeit von 25 s, was auf den aufgrund des höheren Temperaturabfalls höheren Umformwiderstand des Kapselwerkstoffs zurückzuführen ist. Bei Verwendung einer Kapselung mit Wärmeisolation trat außerdem das bereits erwähnte Aufreißen der Stränge im Anfangsbereich nicht auf, was ebenfalls mit der besseren Anpassung der Umformwiderstände von Kapsel- und Rohlingwertstoffs zu erklären ist. Das durch die Erfindung angestrebte Ziel wurde also erreicht.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Rohling

110

Steg

12

erste, innere Hülle

120

Wanddicke

13

zweite, äußere Hülle

130

Wanddicke

131

Steg

14

dritte Hülle

140

Steg

15

vierte Hülle

Claims

1. Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metal lischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl- Legierungen, die zum Warmumformen einer Strangpressung unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kap selung wenigstens aus einer ersten, den Rohling (11) eng aber beabstandet umschließenden ersten inneren Hülle (12) und einer die innere Hülle (12) eng aber beabstan deten zweiten, äußeren Hülle (13) besteht, wobei die er ste und zweite Hülle (12, 13) aus einem metallischen Werkstoff besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (12) durch ein blechförmiges Ele ment gebildet wird.

3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (12) eine Wanddicke (120) im Bereich von 0,1 bis 1 mm aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (120) 0,3 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle aus Molybdän oder Tantal besteht.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle eine Wanddicke (130) im Bereich von 5 bis 10 mm aufweist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle aus Stahl gebildet wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (13) aus TiAl6V4 gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (11) eine Mehrzahl von vorspringenden Stegen (110) aufweist, die als Abstandshalter zur den Rohling (11) umhüllenden inneren Hülle (12) fungieren.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (13) eine Mehrzahl von vorspringenden, auf die innere Hülle (12) gerichteten Stegen aufweist, die als Abstandshalter zur inneren Hülle (12) fungieren.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Hülle (14) und eine vierte Hülle (15) vorgesehen sind, die jeweils voneinander eng beabstandet zwischen der ersten Hülle (12) und der zweiten Hülle (13) und jeweils zu diesen eng beabstandet angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die zur ersten, inneren Hülle (12) beabstandete dritte Hülle (14) eine Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle (12) als auch zur vierten Hülle (14) hingerich teten Stegen (140) aufweist, die als Abstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle (12) und vierten Hülle (15) fungieren.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Hülle (14) aus dem gleichen Werkstoff wie die zweite Hülle (13) besteht.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Hülle (15) aus dem gleichen Werkstoff wie die erste Hülle (12) besteht.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die äußeren Hülle (13) den Rohling (11) vakuumdicht um schließt.