DE3720110A1 - Verfahren zum schmelzen und zum vergiessen von beta-titanlegierungen - Google Patents
Verfahren zum schmelzen und zum vergiessen von beta-titanlegierungenInfo
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- B22C1/06—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for protection of the casting, e.g. against decarbonisation for casting extremely oxidisable metals
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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.
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