DE3720110A1 - Verfahren zum schmelzen und zum vergiessen von beta-titanlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen von beta-Titanlegierungen in Tiegeln und in Gieß­ formen mit niedriger Reaktionsfähigkeit.

Gebräuchliche Titanlegierungen sind hochreaktionsfähig, be­ sonders wenn sie schmelzflüssig sind. Wegen der außerordent­ lichen Reaktionsfähigkeit schmelzflüssiger Titanlegierungen war es erforderlich, daß das Schmelzen und Vergießen solcher Legierungen unter Anwendung von Schalenansetzverfahren durchgeführt wird. Beim Schmelzen von Titan unter Anwendung eines Schalenansetzverfahrens wird ein wassergekühlter Kup­ ferbehälter bereitgestellt, und das Schmelzen der Titanle­ gierung findet unter Bedingungen statt, die für das Erstar­ ren einer Anfangsschicht der Titanzusammensetzung auf der wassergekühlten Kupfer-Abschreckungsoberfläche sorgen, so daß die schmelzflüssige Titanlegierung nur festes Titan und nicht den Kupferbehälter selbst berührt. Solche Verfahren sind wegen der Reaktionsfähigkeit von Titan notwendig; sie sind aber auch erwünscht, weil das Schmelzgut frei von Ver­ unreinigungen ist. Schalenansetz-Schmelzverfahren haben Nach­ teile, zu denen die Einschränkung des Ausmaßes der Schmelz­ überhitzung gehört, die darauf zurückzuführen ist, daß zwi­ schen dem Schmelzgut und dem Kupfer-Mantelblech eine feste Schale aufrechterhalten werden muß. Dies führt bei der prak­ tischen Durchführung dazu, daß die Schmelzüberhitzung des schmelzflüssigen Titans nicht größer sein darf als etwa 22,2°C (40°F). Diese Einschränkung der Überhitzung kann ihrer­ seits zu Gußproblemen führen, die mit einer mangelnden Gieß­ barkeit von schmelzflüssigem Titan mit einer so geringen Schmelzüberhitzung in Verbindung stehen. Die Einschränkung auf eine geringe Schmelzüberhitzung bedeutet, daß die Her­ stellung von komplizierten Titan-Gußstücken sehr schwierig ist, so daß die meisten der komplizierten Titan-Formteile durch Schmieden, ein kostspieliges Verfahren, hergestellt werden.

Die Reaktionsfähigkeit von reinem Titan und handelsüblichen Titanlegierungen gegenüber Kohlenstoff ist als Folge der ho­ hen Bildungsenergie von Titancarbid außerordentlich hoch. Diese hohe Reaktionsfähigkeit und die nachteilige Wirkung einer Verunreinigung mit Kohlenstoff auf die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Legierungen haben es in der Praxis erforderlich gemacht, daß Kohlenstoff von einer Be­ rührung mit schmelzflüssigem Titan ausgeschlossen wird.

Kürzlich ist eine neue Gruppe von beta-Titanlegierungen ent­ wickelt worden. Diese Legierungen werden in der US-Patentan­ meldung (Serial No. 06/8 15 606) beschrieben, die am gleichen Datum eingereicht worden ist wie die US-Patentanmeldung, de­ ren Priorität von der vorliegenden Patentanmeldung in An­ spruch genommen wird, und bestehen aus den Hauptbestandtei­ len Titan, Vanadium und Chrom; ein Beispiel für diese Legie­ rungen ist Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom. Es ist eine überraschende Beobachtung, daß Legierungen, die annähernd die vorstehend beschriebene Zusammensetzung haben, gegenüber Kohlenstoff vergleichsweise nichtreaktionsfähig sind, obwohl sie aus Legierungsbestandteilen gebildet wurden, die alle energische Carbidbildner sind.

Gegenstand der Erfindung sind das Schmelzen und das Vergie­ ßen von beta-Titanlegierungen, die zu einer besonderen Grup­ pe von Zusammensetzungen gehören, unter Anwendung einer Schmelz- und einer Gußvorrichtung, bei denen die Oberflä­ chen, die schmelzflüssiges Metall berühren, im wesentlichen aus Kohlenstoff gebildet sind. Es ist festgestellt worden, daß die beta-Titanlegierungen, die zu dieser besonderen Grup­ pe gehören, gegenüber Kohlenstoff vergleichsweise nichtreak­ tionsfähig sind und deshalb vorteilhafterweise in Berührung mit Kohlenstoff verarbeitet werden können. Ferner ist ermittelt worden, daß die Kohlenstoffmengen, die durch die Legierung gelöst werden, für die Materialeigenschaften nicht nachteilig sind und tatsächlich unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein können.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nach­ stehend näher erläutert.

Die Erfindung betrifft die Technologie für das Schmelzen und Vergießen von beta-Titanlegierungen, die aus mehr als 10% Chrom, mehr als 20% Vanadium und mindestens 40% Titan be­ stehen. Solche Legierungen sind der Gegenstand der US-Patent­ anmeldung (Serial No. 06/8 15 606), die am gleichen Datum eingereicht worden ist wie die US-Patentanmeldung, deren Priorität von der vorliegenden Patentanmeldung in Anspruch genommen wird, und auf deren Inhalt hierin Bezug genommen wird. Diese Legierungen weisen unter den mäßig strengen Be­ dingungen, die im Turbinenabschnitt von Gasturbinenmotoren angetroffen werden, eine bemerkenswerte Kombination von Fe­ stigkeit und Unverbrennbarkeit auf.

Es ist festgestellt worden, daß solche Materialien ohne Schwierigkeiten, d.h., ohne unzulässige nachteilige Reaktio­ nen, mit verschiedenen Formen von Kohlenstoff in Berührung gebracht werden können, während das Legierungsmaterial schmelzflüssig ist. So kann die Legierung beispielsweise in einem Graphittiegel geschmolzen werden, und der Tiegel kann unter Ausnutzung der bekannten Eigenschaften von Graphit als Suszeptor ohne unzulässige Reaktion der Legierung mit dem Graphit induktiv erhitzt werden. Durch die Anwendung eines Tiegels auf Kohlenstoffbasis für die vorstehend beschriebe­ nen beta-Titanlegierungen kann vermieden werden, daß das bisher angewandte Schalenansetz-Schmelzverfahren mit seinen Nachteilen angewendet werden muß.

Es ist tatsächlich beobachtet worden, daß das beta-Legie­ rungsmaterial einen Gleichgewichts-Kohlenstoffgehalt zu er­ reichen scheint, der mit dem Ausmaß der Schmelzüberhitzung des Materials in Beziehung steht. So enthält beispielsweise ein Material mit einem vernachlässigbaren Ausmaß der Schmelz­ überhitzung (d.h., mit einer sehr nahe beim Erstarrungspunkt liegenden Temperatur des schmelzflüssigen Materials) eine Gleichgewichts-Kohlenstoffmenge in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3%. Bei einer Schmelzüberhitzung von 55,6°C (100°F) wird das Material eine Gleichgewichts-Kohlenstoffmenge in der Größenordnung von 0,4 bis 0,6% enthalten. Es wird ge­ schätzt, daß das Material bei einer Schmelzüberhitzung von 111,1°C (200°F) eine Kohlenstoffmenge in der Größenordnung von 0,6 bis 1,2% enthalten wird.

Die Tragweite der Erfindung ist beim Gießverfahren besonders offensichtlich. Während es nach dem Stand der Technik wegen Reaktionen des Gießformmetalls und wegen einer niedrigen Schmelzüberhitzung schwierig oder sogar unmöglich war, kom­ plizierte Titan-Gegenstände mit gedrängter Formgebung in die richtigen Abmessungen zu gießen, ist es im Rahmen der Erfin­ dung möglich, eine komplizierte Kohlenstoff-Gießform zu bil­ den, z.B. durch spanende Bearbeitung von Graphit, durch Be­ schichten einer Keramik-Gießform mit Kohlenstoff (z.B. mit pyrolytischem Graphit), durch Anwendung von Investment-Mas­ kenformverfahren, wobei jedoch der innere, das Metall berüh­ rende Stuck und die Aufschlämmungen im wesentlichen aus Koh­ lenstoff bestehen, oder durch Anwendung von Investmentgieß­ verfahren, bei denen die Metall berührenden Oberflächen aus Kohlenstoffteilchen gebildet werden, die mit kolloidalem Si­ liciumdioxid oder kolloidalem Aluminiumoxid oder mit einem anderen Schalensystem für Titan verbunden sind. Dadurch wird das Gießen von komplizierten Formteilen wie z.B. Gasturbi­ nenmotorteilen ermöglicht, deren Gußoberfläche frei von dem Angriff eines Gießformmetalls ist und die eine Formgebung von hoher Präzision haben, wodurch die Notwendigkeit einer weiteren spanenden Bearbeitung auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Es wird ein verbessertes Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen einer besonderen Gruppe von echten beta-Titanle­ gierungen beschrieben. Eine typische Legierung ist Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom. Durch Bereitstellung von Kohlen­ stoff-Oberflächen für die Berührung mit schmelzflüssigen be­ ta-Titanlegierungen dieser Art werden verbesserte Schmelz- und Gießverfahren erzielt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Guß von Gegenständen aus einer echten beta- Titanlegierung auf Ti-V-Cr-Basis, die mehr als etwa 10% Cr, mehr als etwa 20% V und mehr als etwa 40% Ti enthält, da­ durch gekennzeichnet, daß

• a) die Legierung ohne Bildung einer Titan-Schale in einem Tiegel mit einer das Metall berührenden Kohlenstoff-Oberflä­ che geschmolzen wird,
• b. ausreichend Energie zugeführt wird, um die schmelzflüssi­ ge beta-Legierung unter Erzielung der erwünschten Schmelz­ überhitzung zu erhitzen, und
• c. die beta-Titanlegierung mit der gesteuerten Schmelzüber­ hitzung in eine Gießform vergossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießformoberflächen, die das Metall berühren, im wesent­ lichen aus Kohlenstoff bestehen.

3. Verfahren zum Schmelzen und zum Vergießen von Legierungen, die mehr als etwa 10% Cr, mehr als etwa 20% V und mehr als etwa 40% Ti enthalten und im wesentlichen aus beta-Titan be­ stehen, dadurch gekennzeichnet, daß auf allen Oberflächen, die die schmelzflüssige Legierung berühren, mindestens ein Oberflächenüberzug, der im wesentlichen aus Kohlenstoff be­ steht, bereitgestellt wird.