DE69936736T2

DE69936736T2 - Druckgiessen von hochtemperaturmaterialien

Info

Publication number: DE69936736T2
Application number: DE69936736T
Authority: DE
Inventors: John Joseph Ellington Schirra; David William Tequesta ANDERSON; John Joseph Marlborough MARCIN; Jeffrey William Jupiter SAMUELSON; John Siuming West Hartford TU
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: WO2000037201A1; AU2384700A; JP2002532260A; DE69936736D1; EP1152851A4; ATE368541T1; KR20020003358A; IL143931A; EP1152851B1; EP1152851A1; IL143931A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein aus Legierungen mit hoher Schmelztemperatur und/oder reaktiven Legierungen hergestellte Gegenstände, und sie betrifft genauer ein Verfahren zur Herstellung derartiger Gegenstände durch Druckgießen.
Der Begriff Material mit hoher Schmelztemperatur, wie er hierin verwendet wird, soll Materialien mit einer Schmelztemperatur von mindestens 2000°F/1093°C umfassen. Zu Materialien mit hoher Schmelztemperatur gehören beispielsweise Titan und Titanlegierungen (Schmelztemperatur typischerweise über etwa 2000°F/1650°C) und Superlegierungen auf Nickelbasis und auf Kobaltbasis (Schmelztemperaturen typischerweise über etwa 2400°F/1315°C) und Superlegierungen auf Eisenbasis (Schmelztemperaturen typischerweise über etwa 2200°F/1200°C). „Reaktive Legierungen", wie hierin verwendet, umfassen Elemente, die reagieren, wenn sie Luft oder einer anderen Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, ausgesetzt werden, Elemente wie Titan, Aluminium und Eisen, und sie reagieren typischerweise bei erhöhter Temperatur schneller.
Titan und Titanlegierungen werden bei Anwendungen verwendet, die geringes Gewicht und hohe Festigkeits-Gewicht-Verhältnisse erfordern. Diese Legierungen weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf und behalten im Allgemeinen ihre Festigkeit bis hinauf zu relativ hohen Temperaturen, z.B. bis zu mindestens 1200°F/650°C, abhängig von der Legierungszusammensetzung. Im weiten Sinn soll der Begriff „Titanlegierung" Legierungen umfassen, die aus mindestens etwa 25 Atom-% Titan bestehen.
In Gasturbinenmaschinen beispielsweise werden Titanlegierungen in der Kompressorsektion der Maschine verwendet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Strömungsprofile wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, sowie Strukturbauteile wie Zwischengehäuse und Kompressorgehäuse und Kompressorscheiben. Eine Titanlegierung, die in Gasturbinenmaschinen in breitem Umfang verwendet wird, ist die weiter unten beschriebene Zusammensetzung Ti 6Al-4V, und sie wird in Umgebungen bis zu etwa 600°F/315°C verwendet. Für Anwendungen bei höherer Temperatur, z.B. in Umgebungen bis zu etwa 1200°F/650°C, und wo verbesserte Kriecheigenschaften und andere Hochtemperatureigenschaften gebraucht werden, wird die weiter unten beschriebene Zusammensetzung Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo verwendet. Andere Legierungen auf Titanbasis können auch verwendet werden, wie die ebenfalls weiter unten beschriebene Zusammensetzung Ti 8Al-1Mo-1V, die im Bereich von zwischen etwa 500 bis 1000°F/260 bis 538°C eine gute Festigkeit aufweist. Titanaluminide können ebenfalls verwendet werden, und sie bestehen im Allgemeinen aus Titan und Aluminium in stöchiometrischen Mengen, wie TiAl und TiAl₃.
Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis werden typischerweise in der Turbinensektion von Gasturbinenmaschinen verwendet, und in manchen Maschinen in den späteren Stufen der Kompressorsektion, einschließlich Laufschaufeln und Leitschaufeln sowie Bauteilen wie Zwischengehäusen und Zwischenscheiben und Turbinengehäusen und Turbinenscheiben. Eine typische Superlegierung auf Nickelbasis, die in Gasturbinenmaschinen verwendet wird, ist Inconel 718 (IN 718), die breit ausgedrückt im Allgemeinen eine Zusammensetzung, in Gew.-%, von etwa 0,01 bis 0,05 Kohlenstoff (C), 13 bis 25 Chrom (Cr), 2,5 bis 3,5 Molybdän (Mo), 5,0 bis 5,75 (Columbium (Cb) [auch als Niob (Nb) bezeichnet] + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,2 Titan (Ti), 0,3 bis 0,9 Aluminium (Al), bis zu etwa 21 Eisen (Fe), Rest im Wesentlichen Ni, hat. Andere Legierungen werden ebenfalls verwendet, wie IN 713 und Waspaloy, wie beispielsweise offenbart in den US-Patenten Nr. 4 574 015 und 5 120 373 mit gleicher Inhaberschaft, die durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen werden, und B-1900, siehe z.B. Sims and Hagel, The Superalloys, (Wiley & Sons 1972), Seiten 596-7, und Legierungen auf Kobaltbasis, wie MAR-M-509, siehe z.B. Sims and Hagel.
IN 939 ist eine weitere Legierung auf Nickelbasis, die bis zu etwa 1500°F/815°C brauchbar ist und eine nominelle Zusammensetzung von etwa 22,5 Cr, 19 Co, 6 Mo, 2 Al, 3,7 Ti, 2 W, 3,3 (Cb + Ta), 0,15 C, 0,005 B, Rest im Wesentlichen Nickel hat. IN 939 ist schwierig, wenn nicht unmöglich, zu schmieden. Gatorized Waspaloy ist eine weiter entwickelte Waspaloy-Zusammensetzung, die entwickelt wurde, um gegenüber konventioneller Waspaloy eine verbesserte Festigkeit und Temperaturtauglichkeit zu schaffen. Siehe die US-Patente Nr. 4 574 015 und Nr. 5 120 373 . Sie hat eine allgemeine Zusammensetzung, in Gew.-%, von 15,00 bis 17,00 Chrom, 12,00 bis 15,00 Kobalt, 3,45 bis 4,85 Molybdän, 4,45 bis 4,75 Titan, 2,00 bis 2,40 Aluminium. Gator Waspaloy kann auch kleine Mengen an anderen Elementen.
Zusätzlich zu den obigen Eigenschaften, und um in Gasturbinenmaschinen verwendet zu werden, müssen diese Materialien zumindest in der Lage sein, zu relativ komplexen, dreidimensionalen Formen wie Strömungsprofilen geformt zu werden, und müssen oxidationsbeständig sein – besonders bei erhöhten Temperaturen. Die obigen Legierungen wurden in der Vergangenheit typischerweise präzisionsgeschmiedet, um Teile mit einer feinen mittleren Korngröße und einer Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, niedrigem Gewicht und Haltbarkeit oder hoher Zyklus-Ermüdungsbeständigkeit herzustellen. In der Gasturbinenmaschinen-Industrie ist Schmieden ein bevorzugtes Verfahren, das zur Herstellung von Teilen mit komplexen dreidimensionalen Formen wie Laufschaufeln und Leitschaufeln verwendet wird. Diese Teile weisen, wenn sie richtig hergestellt werden, eine Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, niedrigem Gewicht und Haltbarkeit auf.
In Kürze, zum Schmieden eines Teils wie eines Strömungsprofils wird ein Ingot aus einem Material in eine Barrenform umgewandelt, typischerweise in eine zylindrische für Laufschaufeln und Leitschaufeln, und wird dann thermomechanisch bearbeitet, wie durch mehrmaliges Erhitzen und Stanzen zwischen Gesenken und/oder Hämmern, die typischerweise der gewünschten Gestalt zunehmend ähnlich geformt sind, um das Material plastisch zu der gewünschten Bauteil-Gestalt zu verformen. Die Schmiedegesenke können typischerweise erhitzt werden. Jedes Bauteil wird typischerweise wärmebehandelt, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, z.B. Härtung/Festigung, Spannungsabbau, Beständigkeit gegen Risswachstum und ein bestimmter Grad an HCF-Beständigkeit, und es wird auch nachbearbeitet, z.B. spanabhebend bearbeitet, formgeätzt und/oder lösungsmittelbearbeitet, wenn erforderlich, um das Bauteil mit der präzisen Gestalt, den Abmessungen und/oder den Oberflächenmerkmalen auszustatten.
Die Herstellung von Bauteilen durch Schmieden ist ein teurer, zeitaufwändiger Prozess und ist daher typischerweise nur für Bauteile gerechtfertigt, die ein besonders harmonisches Verhältnis von Eigenschaften, z.B. hohe Festigkeit, geringes Gewicht und Haltbarkeit, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, erfordern. Was das Erhalten von Material zum Schmieden betrifft, benötigen bestimmte Materialien lange Vorlaufzeiten. Schmieden umfasst typischerweise eine Reihe von Vorgängen, von denen jeder separate Gesenke und zugehörige Gerätschaften erfordert. Die Nachbearbeitungsvorgänge nach dem Schmieden, z.B. spanabhebend Bearbeiten des Wurzelbereichs einer Laufschaufel und Schaffen der passenden Oberflächen-Beschaffenheit, machen einen signifikanten Teil der Gesamtkosten der Herstellung geschmiedeter Teile aus und weisen einen signifikanten Anteil an Teilen, die aussortiert werden müssen, auf.
Während des Schmiedens der Bauteile wird viel von dem ursprünglichen Material (bis zu etwa 85% in Abhängigkeit vom Umfang des Schmiedens) entfernt und bildet keinen Teil des fertigen Bauteils, es ist z.B. Prozessabfall. Die Komplexität der Gestalt des hergestellten Bauteils trägt lediglich zu der Mühe und zu den Kosten bei, die zur Fertigung des Bauteils erforderlich sind, was eine noch wichtigere Überlegung für Gasturbinenmaschinen-Bauteile mit besonders komplexer Gestalt ist. Manche Legierungen können auch während des Schmiedens einen elastischen Charakter aufweisen, was während des Schmiedens berücksichtigt werden muss, d.h. die Teile müssen „überschmiedet" werden. Wie oben angegeben, können fertiggestellte Bauteile noch eine umfassende Bearbeitung nach dem Schmieden benötigen. Darüber hinaus haben, da Computer-Software verwendet wird, um Computer-Fluiddynamik zum Analysieren und Erzeugen aerodynamisch effizienterer Strömungsprofil-Gestalten anzuwenden, derartige Strömungsprofile und Bauteile noch kompliziertere dreidimensionale Gestalten. Es ist schwieriger oder unmöglich, Titanlegierungen präzise zu diesen fortgeschrittenen, komplizierteren Gestalten zu schmieden, was weiter zu den Kosten der Bauteile beiträgt oder die Bauteile so teuer macht, dass es wirtschaftlich nicht machbar ist, bestimmte Fortschritte in der Maschinentechnologie auszunutzen oder bestimmte Legierungen für manche Bauteilgestalten zu verwenden.
Geschmiedete Bauteile können Schmiede-Unvollkommenheiten enthalten, die tendenziell schwierig zu prüfen sind. Darüber hinaus ist die präzise Reproduzierbarkeit ebenfalls ein Thema – Schmieden führt nicht zu Bauteilen mit Abmessungen, die von Teil zu Teil präzise dieselben sind. Nach der Prüfung müssen viele Teile noch erneut bearbeitet werden. Als eine allgemeine Regel müssen geschmiedete Teile zu etwa 20% der Zeit ausrangiert oder signifikant erneut bearbeitet werden. Darüber hinaus sind neuere, fortschrittlichere oder höher legierte Materialien zunehmend schwierig (wenn nicht unmöglich) und dementsprechend kostspieliger zu schmieden. Diese Bedenken verstärken sich nur, wenn komplexere dreidimensionale Strömungsprofil-Geometrien verwendet werden.
Gießen wurde in breitem Umfang verwendet, um Gegenstände einer Gestalt relativ nahe an der fertigen Gestalt herzustellen.
Investmentgießen, bei dem geschmolzenes Metall in eine Keramik-Gießmaske mit einem Hohlraum in der Gestalt des zu gießenden Gegenstands gegossen wird, kann zur Herstellung derartiger Gegenstände verwendet werden. Investmentgießen erzeugt jedoch extrem große Körner, z.B. ASTM 0 oder größer (relativ zu der kleinen mittleren Korngröße, die durch Schmieden erzielbar ist), und in manchen Fällen weist das gesamte Teil ein einziges Korn auf. Darüber hinaus ist dieser Prozess teuer, da für jedes Teil eine individuelle Form hergestellt wird. Eine Reproduzierbarkeit sehr präziser Abmessungen von Teil zu Teil ist schwierig zu erreichen. Wenn das Material in Anwesenheit eines Gases geschmolzen, gegossen und/oder fest werden lassen wird, können die Teile unerwünschte Eigenschaften wie Einschlüsse und Porosität haben, insbesondere für Materialien, die reaktive Elemente wie Titan oder Aluminium enthalten. Die Zertrümmerung der Keramik-Gießmaske trägt auch zur Anwesenheit von Einschlüssen und Verunreinigungen bei.
Kokillenguss, bei dem geschmolzenes Material in eine mehrteilige, wiederverwendbare Form gegossen wird und nur unter der Kraft der Schwerkraft in die Form fließt, wurde auch allgemein zum Gießen von Teilen verwendet. Siehe z.B. das US-Patent Nr. 5 505 246 von Colvin. Kokillenguss hat jedoch mehrere Nachteile. Bei dünnen Gussteilen wir Strömungsprofilen kann die Kraft der Schwerkraft nicht ausreichend sein, um das Material in dünnere Abschnitte zu drängen, besonders dann, wenn Materialien mit hoher Schmelztemperatur und geringe Überhitzungen verwendet werden, und dementsprechend füllt sich die Form nicht durchweg, und die Teile müssen ausrangiert werden. Die Abmessungstoleranzen müssen relativ groß sein und erfordern dementsprechend mehr Bearbeitung nach dem Gießen, und eine Wiederholbarkeit ist schwierig zu erreichen. Kokillenguss führt auch zu einer relativ schlechten Oberflächen-Beschaffenheit, was auch eine signifikante Bearbeitung nach dem Gießen erfordert.
Druckgießen, bei dem geschmolzenes Metall unter Druck in eine wiederverwendbare Gießform eingespritzt wird, wurde in der Vergangenheit erfolgreich verwendet, um Gegenstände aus Materialien mit relativ niedrigen Schmelztemperaturen, z.B. unter etwa 2000°F/1093°C, herzustellen. Wie beispielsweise in den US-Patenten Nr. 2 932 865 , Nr. 3 106 002 , Nr. 3 532 561 und Nr. 3 646 990 dargelegt, umfasst eine konventionelle Druckgussmaschine einen Schusskanal, der an eine (typischerweise fixierte) Platte einer mehrteiligen Gießform, z.B. einer zweiteiligen Gießform mit einer fixierten und einer beweglichen Platte, die zusammenwirken, um einen Gießform-Hohlraum zu definieren, montiert ist. Der Schusskanal ist horizontal, vertikal oder zwischen horizontal und vertikal geneigt ausgerichtet. Der Kanal ist typischerweise nur an einem Ende, durch die Gießform, fixiert, z.B. ist der Kanal nicht in einen Materialblock eingebettet. Der Kanal steht mit einem Gießlauf der Gießform in Verbindung und weist eine Öffnung auf dem Kanal auf, durch die geschmolzenes Metall gegossen wird. Ein Kolben ist zur Bewegung in dem Kanal angeordnet, und ein Antriebsmechanismus bewegt den Kolben und zwingt geschmolzenes Metall aus dem Kanal in die Gießform. In einer Druckgussmaschine vom „Kaltkammer"-Typ ist der Schusskanal typischerweise horizontal ausgerichtet und wird nicht erhitzt. Das Gießen geschieht üblicherweise unter atmosphärischen Bedingungen, d.h. die Ausrüstung befindet sich nicht in einer nicht-reaktiven Umgebung wie einer Vakuumkammer oder in einer inerten Atmosphäre.
Die Nachteile derartiger Maschinen werden ebenfalls in den US-Patenten Nr. 3 646 990 und Nr. 3 791 440 , beide von Cross, diskutiert, insbesondere in Verbindung mit der Unfähigkeit, derartige Maschinen zum Gießen von Materialien mit höherem Schmelzpunkt zu verwenden. In konventionellen Maschinen ist die Atmosphäre in dem Schusskanal nicht evakuiert, und der Kolben treibt auch jegliche Luft aus dem Kanal in die Gießform, was zur Porosität druckgegossener Gegenstände führt, ein Zustand, der sowohl unerwünscht als auch unzulässig ist, besonders wenn der Gegenstand bei anspruchsvollen Anwendungen verwendet werden soll, wie für Bauteile für die Luft- und Raumfahrt. Dementsprechend muss, um das Einspritzen von Blasen mit dem geschmolzenen Material zu vermeiden, der Schusskanal so vollständig wie möglich gefüllt sein, oder er ist geneigt, so dass jegliche Luft in dem geschmolzenen Material vor dem Einspritzen von der Gießform weg wandert. Darüber hinaus verfestigt sich, da der Schusskanal nicht erhitzt wird, eine Haut oder „Büchse" aus geschmolzenem Metall an der Innenseite des Schusskanals, und um den Kolben durch den Kanal zu bewegen, um das geschmolzene Metall in die Gießform einzuspritzen, muss der Kolben den Widerstand des fest gewordenen Metalls überwinden, wobei er die Haut von dem Kanal weg kratzt und dadurch „die Büchse zerdrückt". Die Büchse bildet jedoch ein strukturmäßig starkes Element, z.B. in der Form eines Zylinders, der von dem Kanal gestützt wird, der Kolben und/oder die zugehörige Anordnung zum Bewegen des Kolbens kann wegen des Widerstands gegen die Kolbenbewegung beschädigt oder zerstört werden. Wenn der Kolben thermisch verformt wird und der Gestalt des Kanals nicht angepasst ist, oder wenn der Kanal thermisch verformt wird, was den freien Raum zwischen dem Kanal und dem Kolben verändert, kann der Durchtritt von Metall zwischen Kolben und Kanal („Zurückdrücken") auftreten und/oder den Kolben festfressen lassen, was alles die sich ergebenden Gegenstände nachteilig beeinflusst. Siehe auch US-Patent Nr. 3 533 464 von Parlanti et al.
Trotz umfangreicher Bemühungen wurden die konventionellen „Kaltkammer"-Druckgussvorrichtungen nicht erfolgreich verwendet, um aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur, wie Titanlegierungen und Superlegierungen, bestehende Gegenstände herzustellen. Wie hierin verwendet, beziehen sich Superlegierungen allgemein auf jene Materialien, die durch eine hohe Festigkeit gekennzeichnet sind und die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit beibehalten. Derartige Materialien sind auch durch relativ hohe Schmelzpunkte gekennzeichnet. Frühere Versuche, Materialien mit hoher Schmelztemperatur wie Titanlegierungen und Superlegierungen druckzugießen, führten zu nicht betriebsfähigen Druckgussmaschinen sowie zu Gegenständen, die durch mindere Qualität wie Verunreinigungen, übermäßige Porosität und relativ schlechte Festigkeitseigenschaften und Ermüdungseigenschaften gekennzeichnet waren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Druckgießen von Gegenständen, die aus Materialien mit hoher Schmelztemperatur, z.B. T_m über 2000°F/1093°C, bestehen, bereitzustellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung druckgegossener Gegenstände aus Titanlegierung mit Eigenschaften, die denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind, bereitzustellen.
Es ist eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Druckgießen von Gegenständen aus Titanlegierung, die eine Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit haben, die mit denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind, bereitzustellen.
Es ist auch eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Druckgießen von Gegenständen aus Superlegierung, die eine Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit haben, die denjenigen geschmiedeter Gegenstände aus Titan vergleichbar sind, bereitzustellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Gegenstände mit komplexen, dreidimensionalen Gestalten, die schwierig, wenn nicht unmöglich, zu schmieden sind, bereitzustellen.
Zusätzliche Aufgaben werden für Fachleute auf der Basis der folgenden Offenbarung und der Zeichnungen deutlich.
EP-A-0 901 853 und GB-A-914508 offenbaren Vorrichtungen und Verfahren zum Vakuum-Druckgießen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren offenbart, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird. Die sich ergebenden Gegenstände sind durch eine für einen gegossenen Gegenstand feine mittlere Korngröße und ein Fehlen von Fließlinien gekennzeichnet. Zu beispielhaften Legierungen mit hoher Schmelztemperatur gehören Titanlegierungen und Superlegierungen auf Kobaltbasis und Nickelbasis. Beispielhafte reaktive Legierungen umfassen Titanlegierungen und Superlegierungen auf Eisenbasis.
Die vorliegende Erfindung ist insofern vorteilhaft, als sie das Erfordernis einer Schmiedeausrüstung und jegliches Erfordernis, speziell zugeschnittene Materialbarren herzustellen, beseitigt. Vom Standpunkt der erforderlichen Ausrüstung her erfordert das Schmieden die Herstellung mehrerer Gießformen, um ein neues Teil herzustellen, mit signifikanten Kosten. Im Gegensatz dazu wird pro Teil nur ein einziger Gießform-Satz benötigt, mit relativ zum Schmieden signifikant verringerten Kosten. Dementsprechend wird die Zeit, die zur Herstellung eines Teils, vom Ingot bis zum fertiggestellten Teil, erforderlich ist, beträchtlich reduziert. Druckgießen kann weitgehend in einem einzigen Vorgang durchgeführt werden, im Gegensatz zu mehreren Schmiedevorgängen. Beim Druckgießen können mehrere Teile in einem einzigen Guss hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexeren, dreidimensionalen Gestalten als beim Schmieden, wodurch es ermöglicht, dass neue Software-Designtechnologie auf Gebieten wie Gasturbinenmaschinen angewendet und genutzt wird, und die Herstellung aerodynamisch wirkungsvollerer Strömungsprofile und anderer Bauteile ermöglicht. Druckgießen ermöglicht die Herstellung derartiger Gegenstände unter Verwendung von Materialien, die schwierig oder unmöglich zu schmieden sind. Druckgegossene Teile werden mit einer Gestalt, die ihrer fertigen Gestalt näher ist, und mit einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit hergestellt, wodurch Nachbearbeitungsvorgänge nach der Herstellung minimiert werden und die Kosten der Herstellung derartiger Teile verringert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht eines druckgegossenen Gegenstands aus Titanlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 und 3 sind schematische Ansichten einer Druckgussmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Druckgießen von Materialien mit hoher Schmelztemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehenden Strömungsprofils gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehenden Prüfstabs gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
7 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus geschmiedetem Ti 6-4 bestehenden Strömungsprofils veranschaulicht.
8 und 9 veranschaulichen einen Vergleich von Eigenschaften für druckgegossenes Ti 6-4 gemäß der vorliegenden Erfindung und geschmiedetes Ti 6-4.
10 und 11 veranschaulichen Ermüdungseigenschaften von druckgegossenem Ti 6-4 und entsprechenden geschmiedeten Gegenständen.
12 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehenden Strömungsprofils gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehenden Prüfstabs gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
14 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus geschmiedetem Ti 6-2-4-2 bestehenden Strömungsprofils veranschaulicht.
15 veranschaulicht einen Vergleich von Eigenschaften für druckgegossenes Ti 6-2-4-2 gemäß der vorliegenden Erfindung und geschmiedetes Ti 6-2-4-2.
16 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines aus druckgegossenem Ti 8-1-1 bestehenden Gegenstands veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wendet man sich nun 1 zu, wird ein druckgegossener Gegenstand (Titanlegierung in der veranschaulichten Ausführungsform), der aus einem Material mit hoher Schmelztemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung besteht, allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Gegenstand eine Kompressor-Laufschaufel 10 für eine Gasturbinenmaschine und umfasst ein Strömungsprofil 12, eine Plattform 14 und eine Wurzel 16, könnte aber auch eine Leitschaufel oder ein Strukturbauteil für eine derartige Maschine sein. Die veranschaulichte Ausführungsform ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung auf Gasturbinenmaschinenteile zu beschränken. Der Begriff „Material mit hoher Schmelztemperatur" soll Materialien mit einer Schmelztemperatur von mindestens 2000°F/1093°C und typischerweise über 2500 bis 3000°F/1370 bis 1650°C, umfassen. „Reaktive Legierungen", wie hierin verwendet, umfassen Elemente, die reagieren, wenn sie Luft oder einer anderen Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, ausgesetzt werden, Elemente wie Titan, Aluminium und Eisen, und die typischerweise bei erhöhter Temperatur schneller reagieren.
Gegenstände und Verfahren (4) gemäß der vorliegenden Erfindung werden unten detaillierter beschrieben. Wir bevorzugen, eine Druckgussmaschine vom Kaltkammer-Typ (2 bis 3) des Typs mit einem horizontal ausgerichteten und üblicherweise nicht erhitzten Schusskanal gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden, da derartige Maschinen leicht verfügbar und relativ preiswert und erforderlichenfalls leicht reparierbar sind. In Kürze, es wird mindestens eine einzige Charge aus Titanlegierung in einer Weise, um eine Verunreinigung zu minimieren, geschmolzen. Dementsprechend wird die Legierung in einer nicht-reaktiven, z.B. einer inerten oder bevorzugt einer Vakuum-Umgebung erhitzt und geschmolzen. Die Legierung wird auch auf eine kontrollierte, beschränkte Überhitzung erhitzt, um sicherzustellen, dass sie geschmolzen bleibt, bis sie in die Form eingespritzt wird, aber nicht genug, um ein schnelles Festwerden des geschmolzenen Materials nach dem Einspritzen zu verhindern. Die geschmolzene Legierung wird dann in einen horizontalen Schusskanal der Maschine, der bevorzugt in einer Vakuum-Umgebung angebracht ist, überführt, und das geschmolzene Material wird unter Druck in eine wiederverwendbare Form eingespritzt. Der Prozess, der das Gießen und Einspritzen des geschmolzenen Materials umfasst, sollte einige wenige Sekunden nicht überschreiten, wobei in einer Druckgussmaschine mit einem nicht erhitzten Schusskanal das Einspritzen bevorzugt in weniger als einer oder zwei Sekunden stattfindet.
Wendet man sich nun den 2, 3 und 4 zu, bevorzugen wir, eine Druckgussmaschine (2 bis 3) des Typs mit einem nicht erhitzten Schusskanal („Kaltkammer”) zu verwenden, um Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Allgemein wird eine Materialcharge hergestellt (4, Schritt 44), und das Material, das druckgegossen werden soll, wird in der Vorrichtung 18 geschmolzen (Schritt 46 – 4). Wie allgemein bekannt ist, ist geschmolzenes Titan ein aggressives Material und greift das Material, in dem es geschmolzen wird, an. Dementsprechend bevorzugen wir, das Titan durch Induktions-Schalenerschmelzen oder durch Induktions-Schalenschmelzen (ISR – induction skull remelting or melting) 24 zu schmelzen, beispielsweise in einer Einheit des Typs, die von Consarc Corporation aus Rancocas, NJ, hergestellt wird, die in der Lage ist, eine einzige zu gießende Materialcharge, z.B. bis zu etwa 25 pound Material, schnell, sauber zu schmelzen. Beim ISR wird Material in einem Tiegel geschmolzen, der durch eine Mehrzahl von Metall (typischerweise Kupfer)-Fingern, die in einer Stellung nebeneinander gehalten werden, definiert wird. Der Tiegel ist von einer Induktionsspule umgeben, die an eine Stromquelle 26 gekoppelt ist. Die Finger enthalten Durchgänge für die Zirkulation von Kühlwasser von und zu einer Wasserquelle (nicht gezeigt), um ein Schmelzen der Finger zu verhindern. Das von der Spule erzeugte Feld erhitzt und schmilzt Material, das sich in dem Tiegel befindet. Das Feld dient auch dazu, das geschmolzene Metall zu bewegen oder zu rühren. Eine dünne Schicht des Materials gefriert an der Tiegelwand und bildet die Schale, wodurch es die Fähigkeit des geschmolzenen Materials, den Tiegel anzugreifen, minimiert. Durch geeignete Wahl des Tiegels und der Spule und der an die Spule angelegten Stromstärke und Stromfrequenz ist es möglich, das geschmolzene Material von dem Tiegel weg zu drängen, was den Angriff der Tiegelwand durch das geschmolzene Material weiter verringert. Durch Schmelzen von nur einer einzigen Charge, anstatt einen großen Behälter mit geschmolzener Legierung vorzuhalten, stellen wir sicher, dass Komponenten mit relativ niedrigen Schmelzpunkten relativ zu der Legierung insgesamt vor dem Gießen nicht verdampft werden und verloren gehen.
Wenn reaktive Materialien, wie Titan und Aluminium und Legierungen, die diese Materialien enthalten, zu gießen sind, ist es wichtig, die Materialien in einer nicht-reaktiven Umgebung zu schmelzen, um eine Reaktion, eine Verunreinigung oder einen anderen Zustand, der die Qualität der sich ergebenden Gegenstände nachteilig beeinflussen könnte, zu verhindern. Da irgendwelche Gase in der Schmelz-Umgebung in dem geschmolzenen Material eingeschlossen werden können und zu einer übermäßigen Porosität in druckgegossenen Gegenständen führen, be vorzugen wir, das Material in einer Vakuum-Umgebung anstatt in einer inerten Umgebung, z.B. Argon, zu schmelzen. Bevorzugter wird das Material in einer Schmelzkammer 20, die an eine Vakuumquelle 22 gekoppelt ist, geschmolzen, wobei die Kammer bei einem Druck von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm, gehalten wird.
Wir bevorzugen zwar, einzelne oder kleinere Chargen von Titanmaterial unter Verwendung einer ISR-Einheit zu schmelzen, aber das Material kann auf andere Weise, wie durch Vakuum-Induktionsschmelzen (VIM – vacuum induction melting) und Elektronenstrahlschmelzen, geschmolzen werden, solange das Material, das geschmolzen wird, nicht signifikant verunreinigt wird. Darüber hinaus schließen wir nicht aus, Bulkmaterial, z.B. mehrere Materialchargen auf einmal, in einer Vakuum-Umgebung zu schmelzen und dann einzelne Chargen von geschmolzenem Material in den Schusskanal zum Einspritzen in die Gießform zu überführen. Da jedoch das Material in einem Vakuum geschmolzen wird, muss jegliche Vorrichtung, die verwendet wird, um das geschmolzene Material zu überführen, typischerweise in der Lage sein, hohe Temperaturen auszuhalten, und in der Vakuumkammer angeordnet sein, und folglich muss die Kammer relativ groß sein. Die zusätzliche Ausrüstung trägt zu den Kosten bei, und die entsprechend große Vakuumkammer braucht zum Evakuieren länger, was die Zykluszeit beeinflusst.
Da notwendigerweise zwischen dem Schmelzen des Materials und dem Einspritzen des geschmolzenen Materials in die Gießform eine gewisse Zeit vergeht, wird das Material mit einer begrenzten Überhitzung geschmolzen – hoch genug, um sicherzustellen, dass das Material zumindest im Wesentlichen geschmolzen bleibt, bis es eingespritzt wird, aber niedrig genug, um sicherzustellen, dass beim Einspritzen ein schnelles Festwerden eintritt, was die Bildung kleiner Körner ermöglicht, und auch, um die thermische Belastung auf die Druckgussvorrichtung (insbesondere jene Bereiche der Vorrichtung, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommen) zu minimieren. Das Material wird genügend überhitzt, um sicherzustellen, dass es bis zum Einspritzen in die Form geschmolzen bleibt, aber der Betrag der Überhitzung ist niedrig genug, um eine schnelles Festwerden des geschmolzenen Materials nach dem Einspritzen zu ermöglichen. Die kontrollierte Überhitzung ist besonders wichtig für Superlegierungen wie IN 718. Wir haben Titanlegierungen und auch IN 718 mit einer kontrollierten, begrenzten Überhitzung geschmolzen, z.B. haben wir erfolgreich Überhitzungen innerhalb von etwa 100°F bis 200°F/37 bis 95°C über der Schmelztemperatur der Legierung, und bevorzugter innerhalb von etwa 50°F bis 100°F/10 bis 37°C, verwendet, bevorzugt unter Verwendung eines keramikfreien Schmelzsystems wie einer Induktions-Schalenschmelzeinheit.
Geschmolzene Legierung wird dann in einen horizontalen Schusskanal der Maschine, die sich bevorzugt in einer Vakuum-Umgebung befindet, überführt, und das geschmolzene Material wird unter Druck in eine wiederverwendbare Form eingespritzt. Wir haben gefunden, dass der Prozess des Gießens und Einspritzens des geschmolzenen Materials in einer oder zwei Sekunden bei einer Druckgussmaschine mit einem nicht erhitzten Schusskanal gut funktioniert.
Um geschmolzenes Material von dem Tiegel zu einem Schusskanal 30 der Vorrichtung (Schritt 48 – 4) zu überführen, ist der Tiegel verschiebbar (Pfeil 31 in 3) und auch schwenkbar (Pfeil 33 von 2) um eine Gießachse montiert, und ist wiederum an einen Motor (nicht gezeigt) zum Drehen des Tiegels montiert, um geschmolzenes Material aus dem Tiegel durch ein Gießloch 32 des Schusskanals 30 zu gießen. Die Verschiebung des Tiegels geschieht zwischen der Schmelzkammer 20, in der Material geschmolzen wird, und einer Position in einer separaten Vakuumkammer 34, in der sich der Schusskanal befindet. Die Gießkammer 34 wird auch als eine nicht-reaktive Umgebung gehalten, bevorzugt eine Vakuum-Umgebung mit einem Druckniveau von weniger als 100 μm, und bevorzugter weniger als 50 μm. Die Schmelzkammer 20 und die Gießkammer 34 werden durch ein Absperrventil oder ein anderes geeignetes Mittel (nicht gezeigt) getrennt, um den Verlust von Vakuum in dem Fall, dass eine Kammer der Atmosphäre ausgesetzt wird, z.B. um Zugang zu einem Bauteil in der jeweiligen Kammer zu erhalten, zu minimieren. Die veranschaulichte Ausführungsform umfasst zwar getrennte Schmelz- und Gießkammern, aber es ist auch möglich, das Schmelzen und Gießen in einer einzigen Kammer durchzuführen. Wir bevorzugen, getrennte Kammern zu verwenden, um den Verlust von Vakuum-Umgebung in dem Fall, dass ein gegebenes Bauteil der Atmosphäre ausgesetzt werden muss, z.B. zum Warten der Schmelzeinheit oder des Schusskanals oder zum Entfernen eines Gussteils, zu minimieren.
Wie oben angegeben, wird das geschmolzene Material aus dem Tiegel 24 durch ein Gießloch 34 in den Schusskanal 30 überführt. Der Schusskanal 30 ist an eine mehrteilige, wiederverwendbare Gießform 36, die einen Gießform-Hohlraum 38 definiert, gekoppelt. Es wird eine ausreichende Menge an geschmolzenem Material in den Schusskanal gegossen, um den Gießform-Hohlraum zu füllen, der ein Teil oder mehr als ein Teil enthalten kann. Wir haben erfolgreich bis zu 12 Teile in einem einzigen Schuss gegossen, z.B. unter Verwendung einer Gießform mit 12 Hohlräumen.
Die veranschaulichte Gießform 36 umfasst zwei Abschnitte, 36a, 36b (kann aber mehr Abschnitte umfassen), die zusammenwirken, um den Gießform-Hohlraum 38, beispielsweise in der Form einer Kompressor-Laufschaufel oder -Leitschaufel für eine Gasturbinenmaschine, zu definieren. Die Gießform 36 ist auch bevorzugt direkt an die Vakuumquelle und auch durch den Schusskanal gekoppelt, um ein Evakuieren der Gießform vor dem Einspritzen des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen. Die Gießform kann sich in einer Vakuumkammer befinden, anstatt direkt an eine Vakuumquelle gekoppelt zu sein, oder zusätzlich dazu. Ein Abschnitt der zwei Abschnitte 36a, 36b der Gießform ist typischerweise fixiert, während der andere Teil relativ zu dem einen Abschnitt, beispielsweise durch ein hydraulisches System (nicht gezeigt), beweglich ist. Die Gießform weist bevorzugt Ausstoßstifte (nicht gezeigt) auf, um das Ausstoßen von fest gewordenem Material aus der Gießform zu erleichtern. Die Gießform kann auch einen Abstreifmechanismus (nicht gezeigt) zum Entfernen von Gießmaterial aus der Gießform, während das Material noch heiß ist, aufweisen, um die thermischen Belastungen der Gießform weiter zu verringern.
Die Gießform kann aus verschiedenen Materialien bestehen und sollte eine gute thermische Leitfähigkeit haben und relativ beständig gegen Erosion und chemischen Angriff durch das Einspritzen des geschmolzenen Materials sein. Eine umfassende Liste möglicher Materialien würde ziemlich groß sein, und sie umfasst Materialien wie Metalle, Keramiken, Graphit, Keramikmatrix-Verbundmaterialien und Metallmatrix-Verbundmaterialien. Jedes der verschiedenen Gießform-Materialien hat Attribute, z.B. Einfachheit der maschinellen Bearbeitung, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kompromisse der beiden, die es für verschiedene Anwendungen wünschenswert machen. Für Titan bevorzugen wir gegenwärtig die Verwendung von Gießformen, die aus weichem Kohlenstoffstahl bestehen, z.B. 1018, wegen seiner geringen Kosten und der Einfachheit der maschinellen Bearbeitung. Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen können verwendet werden, um das Betriebsverhalten der Vorrichtung und die Qualität der sich ergebenden Teile zu verbessern. Die Gießform kann auch mit einer Quelle von Kühlmittel wie Wasser oder einer Wärmequelle wie Öl (nicht gezeigt) verbunden werden, um die Gießform-Temperatur während des Betriebs thermisch im Griff zu haben. Zusätzlich kann ein Gießform-Schmiermittel auf ein oder mehrere ausgewählte Teile der Gießform und der Druckgussvorrichtung aufgebracht werden. Irgendein Schmiermittel sollte im Allgemeinen die Qualität von sich ergebenden gegossenen Gegenständen verbessern, und spezieller sollte es gegen einen thermischen Abbau beständig sein, um das Material, das eingespritzt wird, nicht zu verunreinigen.
Geschmolzenes Metall wird dann aus dem Tiegel in den Schusskanal überführt. Eine ausreichende Menge an geschmolzenem Metall wird in den Schusskanal gegossen, um den Kanal teilweise zu füllen und danach die Gießform zu füllen. Bevorzugt ist der Kanal zu weniger als 50% gefüllt, bevorzugter zu weniger als etwa 40% gefüllt, und am meisten bevorzugt zu weniger als 30% gefüllt.
Eine Einspritzvorrichtung wie ein Kolben 40 wirkt mit dem Schusskanal 30 zusammen, und eine Hydraulik oder ein anderes geeignetes System (nicht gezeigt) treibt den Kolben in die Richtung des Pfeils 42, um den Kolben zwischen der Position, die durch die durchgezogenen Linien veranschaulicht wird, und der Position, die durch die gestrichelten Linien veranschaulicht wird, zu bewegen und dadurch das geschmolzene Material unter Druck aus dem Kanal 30 in den Gießform-Hohlraum 38 einzuspritzen (Schritt 50 – 4). In der Position, die durch durchgezogene Linien veranschaulicht wird, wirken der Kolben und der Kanal zusammen, um ein Volumen zu definieren, das wesentlich größer ist als die Menge an geschmolzenem Material, die eingespritzt werden wird. Bevorzugt beträgt das Kanalvolumen mindestens das Doppelte des Volumens an eingespritztem Material, bevorzugter mindestens das Dreifache. Dementsprechend füllt das Volumen des geschmolzenen Materials, das aus dem Tiegel in den Kanal überführt wird, weniger als die Hälfte, und am meisten bevorzugt weniger als etwa ein Drittel, des Kanalvolumens. Da der Kanal nur teilweise gefüllt ist, bildet irgendein Material oder irgendeine Haut, das (die) an dem Kanal fest wird, nur einen Teilzylinder, z.B. eine offene gebogene Oberfläche, und wird während der Metalleinspritzung leicht abgekratzt oder zerstoßen und wieder in das geschmolzene Material inkorporiert. Zum Einspritzen haben wir Kolbengeschwindigkeiten von zwischen etwa 30 Inch/s (ips) und 300 ips/0,77 bis 7,7 m/s (mit einem Schusskanal mit einem Innendurchmesser von etwa 3 Inch/7,6 cm) verwendet, und gegenwärtig bevorzugen wir, eine Kolbengeschwindigkeit von zwischen etwa 50 bis 175 Inch/s (ips)/1,28 bis 4,5 m/s zu verwenden. Der Kolben wird typischerweise mit einem Druck von mindestens 1200 psi/8,4 MPa, und bevorzugter mindestens 1500 psi/10,5 MPa, bewegt. Wenn sich der Kolben dem Ende seiner Hublänge nähert, wenn der Gießform-Hohlraum gefüllt ist, beginnt er, Druck auf das Metall zu übertragen. Es kann dann wünschenswert sein, den Druck zu steigern, um ein vollständiges Füllen des Form-Hohlraums sicherzustellen, die jeweiligen Steigerungsparameter hängen von dem gewünschten Ergebnis ab. Die Steigerung wird durchgeführt, um die Porosität zu minimieren und um irgendeine Materialschrumpfung während des Abkühlens zu verringern oder auszuschließen. Wir haben eine Steigerung über 1500 psi mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet. Nach dem Verstreichen einer ausreichenden Zeitspanne, um das Festwerden des Materials in der Gießform sicherzustellen, werden die Ausstoßstifte (nicht gezeigt) betätigt, um die Teile aus der Gießform auszustoßen (Schritt 52 – 4).
Wie in der Technik bekannt ist, enthalten gegossene Gegenstände typischerweise eine gewisse Porosität, im Allgemeinen bis zu einigen wenigen Prozent. Dementsprechend, und insbesondere wenn derartige Gegenstände bei anspruchsvolleren Anwendungen wie Kompressor-Strömungsprofilen für Gasturbinenmaschinen verwendet werden, gibt es ein Bedürfnis, die Porosität zu verringern und bevorzugt zu beseitigen, und in sonstiger Weise zu behandeln, wie erforderlich (Schritt 54 – 4). Die Teile werden daher bevorzugt heißisostatisch gepresst (geHIPt), wie oben beschrieben, um die Porosität in den Teilen, wie gegossen, zu verringern und im Wesentlichen zu beseitigen. Für Gegenstände aus Titanlegierung bevorzugen wir im Allgemeinen, bei einer Temperatur von über etwa 1500 bis 1600°F/815 bis 871°C (und unterhalb der beta-Transustemperatur von etwa 1850°F/1010°C, wenn es erwünscht ist, die vorliegende beta-Phase beizubehalten), bei einem Druck von mindestens 14 ksi/98 MPa, bevorzugter über 14,5 ksi/101,5 MPa, und für mindestens 2 h zu HIPen.
Gewünschtenfalls können die Gegenstände dann wärmebehandelt werden. Die tatsächlichen Wärmebehandlungs- und HIP-Parameter können in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung für den Gegenstand und der Ziel-Zykluszeit für den Prozess variiert werden, jedoch müssen die Temperatur, der Druck und die Zeit, die während des HIPens verwendet werden, ausreichend sein, um im Wesentlichen die gesamte Porosität in den gegossenen Gegenständen zu beseitigen, aber kein signifikantes Kornwachstum zu erlauben.
Wie oben angegeben, können die Gegenstände bei Strömungsprofilen, die aus druckgegossenem Ti 6-4 bestehen, auf eine Temperatur von zwischen etwa 1500 bis 1600F 815 bis 871°C in einer inerten Umgebung, z.B. Argon oder Vakuum, für mindestens 2 h erhitzt werden. Für Strömungsprofile, die aus druckgegossenem Ti 6-2-4-2 bestehen, werden die Gegenstände bevorzugt auf eine Temperatur von zwischen etwa 1000 bis 1200F/538 bis 650°C, bevorzugter etwa 1100F, in einer inerten Umgebung, z.B. Argon oder Vakuum, für mindestens 8 h erhitzt.
Die Teile werden unter Verwendung konventioneller Prüftechniken geprüft (Schritt 56 – 4), z.B. durch Fluoreszenz-Eindringprüfung (FPI – fluorescent penetrant inspection), radiografisch, visuell, und nach dem Durchlaufen der Prüfung können sie verwendet werden oder weiter bearbeitet/erneut bearbeitet werden, falls erforderlich (Schritt 58 – 4).
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Gegenstände, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, durch eine stabile, feinkörnige Mikrostruktur gekennzeichnet. Die jeweilige bevorzugte mittlere Korngröße und die maximal zulässige Korngröße hängen von der Anwendung und der Querschnittsdicke des Teils ab, z.B. ob der Gegenstand gedacht ist zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine gegenüber einer anderen Anwendung, für rotierende gegenüber nicht-rotierenden Teilen, in Umgebungen niedrigerer Temperatur gegenüber Umgebungen höherer Temperatur arbeitend. Für Gasturbinenmaschinen-Bauteile wie Kompressor-Laufschaufeln und -Leitschaufeln ist die mittlere Korngröße typischerweise ASTM 0 oder kleiner, bevorzugter ASTM 3 oder kleiner, wenn auch die spezielle Größe von dem jeweiligen Teil abhängt.
Die Gegenstände, wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, gemäß der vorliegenden Erfindung sind durch ein Fehlen von Fließlinien gekennzeichnet. Es sollte angemerkt werden, dass die Gegenstände nach dem Gießen thermomechanisch behandelt werden können, falls gewünscht. Mit anderen Worten, die druckgegossenen Gegenstände können danach als Vorformen zur Verwendung in einem Schmiedevorgang dienen. Um die Kosteneinsparungen, die mit der vorliegenden Erfindung verbunden sind, zu maximieren, bevorzugen wir, dass die druckgegossenen Gegenstände nahezu zu ihrer Nettoform gegossen werden, um die Arbeit nach dem Gießen, die an den Gegenständen durchgeführt wird, und die zugehörigen Ausgaben zu minimieren.
Zusätzlich können die druckgegossenen Gegenstände bearbeitet werden, um eine etwaige Rest-Gießporosität, die vorhanden sein mag, zu erhitzen, wie durch isostatische Pressvorgänge wie heißisostatisches Pressen (HIP – hot isostatic pressing). Eine sorgfältige Auswahl der HIP-Parameter, wie Temperatur, Druck und Zeit, ist erforderlich, um irgendeine Porosität ohne Veränderung der feinkörnigen, (vorwiegend) inversen beta-Mikrostruktur auszuheilen. Die Temperatur muss ausreichend hoch sein, um ein Schließen der Porosität unter Druck zu ermöglichen, z.B. ein Kriechen zu ermöglichen, aber nicht so hoch, um ein Rekristallisieren des Materials zu ermöglichen, z.B. unterhalb der beta-Transustemperatur der Titanlegierung.
Im Fall von Ti 6-4 sollte die HIP-Temperatur bevorzugt 1750°F/950°c nicht überschreiten, und sie liegt bevorzugter zwischen etwa 1550 bis 1650°F/843 bis 900°C. Ti 6-4 kann auch nach dem HIPen bei etwa 1550°F/843°C in einer nicht-reaktiven Umgebung, bevorzugt Argon oder Vakuum, für mindestens 2 h geglüht werden. Im Falle von Ti 6-2-4-2 sollte die HIP-Temperatur 1850°F/1010°C nicht überschreiten, und sie liegt bevorzugter zwischen 1650 bis 1750°F/900 bis 950°C. Ti 6-2-4-2 kann bei etwa 1100°F/595°C in einer nicht-reaktiven Umgebung, bevorzugt Argon oder Vakuum, für mindestens 8 h hitzebehandelt werden.
Eine zusätzliche Bearbeitung nach dem Gießen kann ebenfalls durchgeführt werden, wie Formätzen der Oberfläche, um Oberflächen-Verunreinigungen zu entfernen, eine Lösungsmittel-Behandlung zur Verbesserung der Oberflächen-Beschaffenheit, und zusätzliche thermische Zyklen, um eine besondere Ausgewogenheit der mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Eine solche zusätzliche Bearbeitung variiert in Abhängigkeit von Faktoren wie der Legierungszusammensetzung und den gewünschten Eigenschaften.
Aus Ti 6-4 bestehende druckgegossene Gegenstände wurden gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, wie unten genauer diskutiert wird. Die Gegenstände umfassten Kompressor-Strömungsprofile und Prüfstäbe, und sie beinhalteten auch die obige Bearbeitung nach dem Gießen. Beispielhafte Mikrostrukturen eines Prüfstabs und eines Strömungsprofils sind in den 5 und 6 veranschaulicht. Die Mikrostruktur eines entsprechenden Strömungsprofils, das aus geschmiedetem Ti 6-4 besteht, ist in 7 veranschaulicht. Ein Testen der Gegenstände bestätigte, dass die Eigenschaften denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar waren. Die jeweiligen erforderlichen Eigenschaften hängen zwar von der Verwendung, der irgendein druckgegossener Gegenstand zugeführt wird, ab, aber druckgegossene Gegenstände, die anstelle von geschmiedeten Gegenständen verwendet werden sollen, haben Eigenschaften, die denjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind.
Testergebnisse der druckgegossenen Gegenstände wurden mit Ergebnissen von Proben, die aus entsprechenden geschmiedeten Gegenständen durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt wurden, verglichen, und die Ergebnisse sind in den 8, 9 10 und 11 gezeigt.
Eine Titanlegierung, die für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird, ist Ti-6Al-4V („Ti 6-4"), die im Allgemeinen etwa 4 bis 8 w/o (Gew.-%) Al, 3 bis 5 w/o V, Rest im Wesentlichen Titan und Spuren anderer Elemente, enthält.
Für Anwendungen bei höherer Temperatur, wo verbesserte Kriecheigenschaften benötigt werden, kann Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo („Ti 6-2-4-2") verwendet werden, und sie enthält im Allgemeinen etwa 5 bis 7 w/o Al, etwa 1,5 bis 2,5 w/o Sn (Zinn), etwa 3,0 bis 5,0 w/o Zr, etwa 1,5 bis 2,5 w/o Mo, Rest im Wesentlichen Titan und Spuren anderer Elemente.
Zu anderen Ti-Legierungen gehören Ti 8-1-1 und Titan-Aluminide. Ti 8-1-1 enthält im Allgemeinen etwa 7,35 bis 8,35 w/o Al, 0,75 bis 1,25 w/o Mo und 0,75 bis 1,25 w/o V, Rest im Wesentlichen Titan und Spuren anderer Elemente.
Im Allgemeinen bestehen Titan-Aluminide hauptsächlich aus Titan und Aluminium in stöchiometrischen Mengen, wobei sie Zusammensetzungen wie TiAl und TiAl₃ haben. Im Allgemeinen können druckgegossene Titan-Aluminide bei einer Vielfalt von Anwendungen, wo geringe Dichte und mäßige Festigkeit erforderlich sind und die Anwendungstemperatur gemäßigt, in dem Bereich von etwa 500 bis 1700°F/260 bis 925°C, ist, Anwendung finden, und zu gegenwärtig ins Auge gefassten Anwendungen gehören Abdeckplatten und Hitzeschilde.
Im Fall von Kompressor-Strömungsprofilen haben druckgegossene Strömungsprofile vergleichbare Festigkeits- und Stoßeigenschaften im Vergleich zu denjenigen, die entsprechende geschmiedete Gegenstände aufweisen. Zusätzlich haben derartige Bauteile vergleichbare Haltbarkeitseigenschaften, wie Ermüdungsfestigkeit und insbesondere eine hohe Zyklus-Ermüdungstauglichkeit. Ermüdungstests verglichen auch druckgegossene Ti 6-4-Teile und entsprechende geschmiedete Teile, und wie in den 10 und 11 angegeben, zeigen die druckgegossenen Gegenstände Ermüdungslebensdauern, glatt und gekerbt, die geschmiedeten Gegenständen vergleichbar sind. Wiederum werden die obigen Werte in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung, der die Gegenstände zugeführt werden, variieren.
Aus Ti 6-2-4-2 bestehende druckgegossene Gegenstände wurden ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, wie unten genauer diskutiert wird. Die Gegenstände umfassten Kompressor-Laufschaufeln und -Leitschaufeln und Prüfstäbe, und sie umfassten auch die obige Bearbeitung nach dem Gießen. Beispielhafte Mikrostrukturen eines Prüfstabs und eines Strömungsprofils sind in den 12 und 13 veranschaulicht. Die Mikrostruktur eines entsprechenden Strömungsprofils, das aus geschmiedetem Ti 6-2-4-2 besteht, ist in 14 veranschaulicht.
Wendet man sich nun allgemein 15 zu, haben aus Ti 6-2-4-2 bestehende druckgegossene Gegenstände, die als Kompressor-Laufschaufeln und -Leitschaufeln verwendet werden sollen, Festigkeitseigenschaften und Stoßeigenschaften, die denjenigen, die entsprechende geschmiedete Gegenstände aufweisen, die für diese Anwendung hergestellt wurden, vergleichbar sind. Zusätzlich haben derartige Bauteile vergleichbare Haltbarkeitseigenschaften, wie Ermüdungsfestigkeit, und insbesondere eine hohe Zyklus-Ermüdungstauglichkeit. Ermüdungsversuche verglichen auch druckgegossene Ti 6-2-4-2-Teile und entsprechende geschmiedete Teile, und sie zeigten, dass druckgegossene Gegenstände relativ zu entsprechenden geschmiedeten Gegenständen ähnliche Eigenschaften aufweisen.
Die obigen Beispiele stützen und veranschaulichen, dass Druckgießen verwendet werden kann, um Gegenstände aus einem breiten Bereich von Titanlegierungs-Zusammensetzungen herzustellen. Die obigen Beispiele stützen und veranschaulichen, dass Druckgießen verwendet werden kann, um Gegenstände herzustellen, die aus einem breiten Bereich von Titanlegierungs-Zusammensetzungen bestehen. Zur weiteren Stützung wurden auch Gegenstände aus Ti 8-1-1 druckgegossen. Eine beispielhafte Mikrostruktur von druckgegossenem Ti 8-1-1 ist in 13 veranschaulicht. Es wird erwartet, dass Ermüdungsversuche, die druckgegossene Ti 8-1-1-Teile und entsprechende geschmiedete Teile vergleichen, zeigen, dass die druckgegossenen Gegenstände Eigenschaften aufweisen, die denjenigen geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind.
Aus verschiedenen Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis bestehende Gegenstände wurden ebenfalls gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Eine Superlegierung auf Nickelbasis ist Inconel 718 (IN 718), die breit ausgedrückt, in Gew.-%, aus etwa 0,01 bis 0,05 Kohlenstoff (C), bis zu etwa 0,4 Mangan (Mn), bis zu etwa 0,2 Silicium (Si), 13 bis 25 Chrom (Cr), bis zu etwa 1,5 Kobalt (Co), 2,5 bis 3,5 Molybdän (Mo), 5,0 bis 5,75 (Columbium (Cb) + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,2 Titan (Ti), 0,3 bis 0,9 Aluminium (Al), bis zu etwa 21 Eisen (Fe), Rest im Wesentlichen Ni, besteht. Andere Legierungen können ebenfalls verwendet werden, wie IN 713 mit einer nominellen Zusammensetzung, in Gew.-%, von bis zu etwa 0,025 Kohlenstoff (C), bis zu etwa 0,4 Mangan (Mn), bis zu etwa 0,4 Silicium (Si), 12 bis 16 Chrom (Cr), 3 bis 6 Molybdän (Mo), 0,8 bis 3,5 (Columbium (Cb) + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,3 Titan (Ti), 5,25 bis 6,75 Aluminium (Al), bis zu etwa 1 Eisen (Fe), Rest im Wesentlichen Ni und Kobalt (Co).
Waspaloy ist ein weiteres Material, das für derartige Anwendungen brauchbar ist und ist beispielsweise offenbart in den US-Patenten Nr. 4 574 015 und Nr. 5 120 373 mit gleicher Inhaberschaft, die durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen werden. Waspaloy hat allgemein eine Zusammensetzung, in Gew.-%, von etwa 0,02 bis 0,15 Kohlenstoff (C), 12 bis 20 Chrom (Cr), 10 bis 20 Kobalt (Co), 2 bis 5,5 Molybdän (Mo), 3 bis 7 Titan (Ti), 1,2 bis 3,5 Aluminium (Al), 0,01 bis 0,15 Zirconium (Zr), 0,002 bis 0,05 Bor (B), Rest im Wesentlichen Ni.
Eine weitere Legierung ist B-1900, die eine nominelle Zusammensetzung, in Gew.-%, von etwa 8 Cr, 10 Co, 6 Mo, 4 Ta, 6 Al, 1 Ti, 0,1 C, 0,015 B, und 0,1 Zr, hat. Siehe z.B. Sims and Hagel, The Superalloys, (Wiley & Sons 1972), Seiten 596-7. Legierungen auf Kobaltbasis, wie MAR-M-509, werden ebenfalls für Anwendungen bei höherer Temperatur verwendet. MAR-M-509 hat eine nominelle Zusammensetzung, in Gew.-%, von etwa 23,5 Chrom (Cr), 10 Nickel (Ni), 7 Wolfram (W), 3,5 Tantal (Ta), 0,2 Titan (Ti), 0,5 Zirconium, Rest im Wesentlichen Kobalt. Siehe z.B. Sims und Hagel.
IN 939 ist eine weitere Legierung auf Nickelbasis, die bis zu etwa 1500°F brauchbar ist, und hat eine nominelle Zusammensetzung von etwa 22,5 Cr, 19 Co, 6 Mo, 2 Al, 3,7 Ti, 2 W, 3,3 (Cb + Ta), 0,15 C, 0,005 B, Rest im Wesentlichen Nickel. IN 939 ist schwierig, wenn nicht unmöglich, zu schmieden. Gatorized Waspaloy ist eine weiterentwickelte Waspaloy-Zusammensetzung, die entwickelt wurde, um gegenüber konventioneller Waspaloy eine verbesserte Festigkeit und Temperaturtauglichkeit bereitzustellen. Siehe die US-Patente Nr. 4 574 015 und Nr. 5 120 373 . Sie hat eine allgemeine Zusammensetzung, in Gew.-%, von Chrom 15,00 bis 17,00, Kobalt 12,00 bis 15,00, Molybdän 3,45 bis 4,85, Titan 4,45 bis 4,75, Aluminium 2,00 bis 2,40. Gator Waspaloy kann auch kleine Mengen an anderen Elementen.
Als ein Ergebnis unserer Arbeit mit diesen Legierungen glauben wir, dass mehrere Bedingungen wichtig sind, um Gussteile guter Qualität herzustellen. Das Schmelzen, Gießen und Einspritzen von Material muss, insbesondere für reaktive Materialien wie Titanlegierungen, in einer nicht-reaktiven Umgebung durchgeführt werden, und wir bevorzugen, diese Vorgänge in einer Vakuum-Umgebung, die bei einem Druck von bevorzugt weniger als 100 μm, und bevorzugter weniger als 50 μm, gehalten wird, durchzuführen. Der Betrag der Überhitzung sollte ausreichend sein, um sicherzustellen, dass das Material von der Zeit, zu der es gegossen wird, bis es eingespritzt wird, im Wesentlichen und vollständig geschmolzen bleibt, aber auch, um ein schnelles Abkühlen und die Bildung kleiner Körner zu ermöglichen, sobald es eingespritzt ist. Wegen der relativ geringen Überhitzung müssen die Überführung und das Einspritzen des geschmolzenen Metalls schnell genug sein, um vor dem Festwerden des Metalls zu geschehen. Die sich ergebende Mikrostruktur wie die Korngröße scheint der Abschnittsdicke des Teils, das gegossen wird, sowie den verwendeten Gießform-Materialien und der verwende ten Überhitzung zu entsprechen, d.h. dünnere Abschnitte neigen dazu, kleinere Körner zu enthalten, und dickere Abschnitte (insbesondere Innenbereiche dickerer Abschnitte) neigen dazu, größere Körner zu enthalten. Gießform-Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit führen zu Gegenständen mit kleineren Körnern, wie es die Verwendung geringerer Überhitzungen tut. Wir glauben, dass sich dies aus den relativen Kühlgeschwindigkeiten ergibt. Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben bewegt wird, und dementsprechend die Geschwindigkeit, mit der Material in die Form eingespritzt wird, scheint die Oberflächen-Beschaffenheit der Gegenstände, wie gegossen, zu beeinflussen, obwohl die Konstruktion des Einlaufsystems sowie das Gießform-Material in Kombination mit der Einspritzgeschwindigkeit ebenfalls eine Rolle spielen können.
Druckgießen von Materialien mit hoher Schmelztemperatur stellt gegenüber dem Schmieden andere signifikante Vorteile bereit. Vom Standpunkt der erforderlichen Ausrüstung her erfordert das Schmieden die Herstellung mehrerer Formen, um ein neues Teil herzustellen, mit signifikanten Kosten. Im Gegensatz dazu ist pro Teil nur ein einziger Gießform-Satz erforderlich, mit relativ zum Schmieden signifikant verringerten Ausgaben. Die Zeit, die zur Herstellung eines Teils, vom Ingot bis zum fertiggestellten Teil, erforderlich ist, wird signifikant verringert, da es keine Notwendigkeit gibt, speziell zugeschnittene Materialbarren herzustellen, und da das Gießen allgemein in einem einzigen Schritt durchgeführt wird, im Gegensatz zu mehreren Schmiedevorgängen. Beim Druckgießen können mehrere Teile bei einem einzigen Gießen hergestellt werden. Druckgießen ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexeren dreidimensionalen Formen, wodurch es ermöglicht, dass neue Software-Designtechnologie auf Gebieten wie Gasturbinenmaschinen angewendet und ausgenutzt wird, und die Herstellung effizienterer Strömungsprofile und anderer Bauteile ermöglicht. Wir glauben, dass das Druckgießen die Herstellung von Gegenständen mit komplexeren Formen ermöglichen wird, wobei Materialien verwendet werden, die schwierig oder unmöglich zu jenen Formen geschmiedet werden können. Darüber hinaus können druckgegossene Teile mit einer Form näher an ihrer fertiggestellten Form hergestellt werden, und mit einer hervorragenden Oberflächen-Beschaffenheit, was Nachbearbeitungsvorgänge nach der Herstellung minimiert, was alles ebenfalls die Kosten der Herstellung derartiger Teile verringert.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar oben recht genau beschrieben, aber es können zahlreiche Variationen und Ersetzungen durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen. Dementsprechend versteht es sich, dass die Erfindung veranschaulichend, und nicht beschränkend, beschrieben wurde.

Claims

Verfahren zum Verarbeiten eines Materials mit hoher Schmelztemperatur oder eines reaktiven Materials in einer Druckgussmaschine (18) mit einer Schmelzeinheit (20) zum Schmelzen des Materials, einem im Wesentlichen zylindrischen horizontalen Schusskanal (30) in Fluidverbindung mit einer mehrteiligen Gießform (36), einer Überführungseinheit zum Überführen von geschmolzenem Material aus der Schmelzeinheit in den Kanal, einer den Gießform-Hohlraum definierenden Gießform (36) zum Aufnehmen von geschmolzenem Material, und einem Kolben (40) in abdichtendem und beweglichem Eingriff mit dem Kanal (30) zum Treiben von geschmolzenem Material aus dem Schusskanal (30) in den Gießform-Hohlraum, wobei der Kanal zwischen einer ersten Stellung in der der Kolben (40) und der Kanal (30) ein Kanal-Füllvolumen definieren, und einer Material-Einspritzstellung, in der Material in die Gießform (36) eingespritzt ist, bewegbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Halten der Schmelzeinheit (20), des Schusskanals (30) und des Gießform-Hohlraums (36) in einer nicht-reaktiven Umgebung; Schmelzen des Materials in der Schmelzeinheit (20), wobei das geschmolzene Material mit einer Überhitzung von weniger als etwa 200°F/95°C geschmolzen wird; Überführen von Material aus der Schmelzeinheit (20) in den Schusskanal (30), um weniger als das gesamte Kanal-Füllvolumen zu füllen; und Einspritzen des geschmolzenen Materials in den Gießform-Hohlraum (36) durch Bewegen des Kolbens (40) zwischen der ersten und der zweiten Stellung und Festwerden-Lassen des geschmolzenen Materials in dem Gießform-Hohlraum (36), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem folgenden Schritt aufweist: Kontrollieren der Temperatur der Gießform (36) so, dass das in die Gießform eingespritzte geschmolzene Material innerhalb von weniger als 2 s fest wird, wodurch der Gegenstand eine inverse beta-Mikrostruktur und ein Fehlen von Fließlinien aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Haltens ein Halten der Schmelzeinheit (20), des Schusskanals (30) und des Gießform-Hohlraums (36) in einer Vakuumumgebung bei einem Druck von weniger als etwa 100 μm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Haltens ein Halten der Schmelzeinheit (20), des Schusskanals (30) und des Gießform-Hohlraums (36) in einer Niederdruck-Umgebung von weniger als etwa 50 μm umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Haltens ein separates Halten der Schmelzeinheit (20), des Schusskanals (30) und des Gießform-Hohlraums (36) in einer nicht-reaktiven Umgebung umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Schmelzens den Schritt des Erhitzens des Materials auf mindestens 2000°F/1093°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Erhitzen des Materials auf mindestens 2500°F/1370°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Erhitzen des Materials auf mindestens 3000°F/1650°C umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Schmelzen eines Materials mit einer Zusammensetzung von etwa 4 bis 8 Gew.-% Al und 3 bis 5 Gew.-% V, Rest im Wesentlichen Ti, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Schmelzen eines Materials mit einer Zusammensetzung von etwa 5 bis 7 Gew.-% Al, etwa 1,5 bis 2,5 Gew.-% Sn (Zinn), etwa 3,0 bis 5,0 Gew.-% Zr, etwa 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mo, Rest im Wesentlichen Titan, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Schmelzen eines Materials mit einer Zusammensetzung von etwa 7 bis 8,5 Gew.-% Al, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mo und 0,5 bis 1,5 Gew.-% V, Rest im Wesentlichen Titan, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material ausgewählt wird aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus Titanlegierungen, Superlegierungen auf Nickelbasis, Superlegierungen aus Cobaltbasis, Superlegierungen auf Eisenbasis und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material aus bis zu etwa 0,05 Kohlenstoff (C), bis zu etwa 0,4 Mangan (Mn), bis zu etwa 0,2 Silicium (Si), 13 bis 25 Chrom (Cr), bis zu etwa 1,5 Cobalt (Co), 2,5 bis 3,5 Molybdän (Mo), 5,0 bis 5,75 (Columbium (Cb) + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,2 Titan (Ti), 0,3 bis 0,9 Aluminium (Al), bis zu etwa 21 Eisen (Fe), Rest im Wesentlichen Ni, besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material aus bis zu etwa 0,025 Kohlenstoff (C), bis zu etwa 0,4 Mangan (Mn), bis zu etwa 0,4 Silicium (Si), 12 bis 16 Chrom (Cr), 3 bis 6 Molybdän (Mo), 0,8 bis 3,5 (Columbium (Cb) + Tantal (Ta)), 0,7 bis 1,3 Titan (Ti), 5,25 bis 6,75 Aluminium (Al), bis zu etwa 1 Eisen (Fe), Rest im Wesentlichen Ni und Cobalt (Co), besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material aus bis zu etwa 0,15 Kohlenstoff (C), 12 bis 20 Chrom (Cr), 10 bis 20 Cobalt (Co), 2 bis 5,5 Molybdän (Mo), 3 bis 7 Titan (Ti), 1,2 bis 3,5 Aluminium (Al), 0,01 bis 0,15 Zirconium (Zr), 0,002 bis 0,05 Bor (B), Rest im Wesentlichen Ni, besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material aus etwa 8 Cr, 10 Co, 6 Mo, 4 Ta, 6 Al, 1 Ti, 0,1 C, 0,015 B und 0,1 Cr besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material aus etwa 23,5 Chrom (Cr), 10 Nickel (Ni), 7 Wolfram (W), 3,5 Tantal (Ta), 0,2 Titan (Ti), 0,5 Zirconium, Rest im Wesentlichen Cobalt, besteht.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der sich ergebende Gegenstand ein Gasturbinenmaschinen-Bauteil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der sich ergebende Gegenstand ein Kompressor-Bauteil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der sich ergebende Gegenstand ausgewählt wird aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus Laufschaufeln und Leitschaufeln besteht.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Einspritzens ein Bewegen des Kolbens durch den Kanal mit einer Geschwindigkeit von zwischen etwa 30 und 250 Inch/s (0,77 bis 6,4 m/s) umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Einspritzens ein Bewegen des Kolbens durch den Kanal mit einem Druck von zwischen etwa 500 bis 1500 psi (3,5 bis 10,5 MPa) umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Einspritzens ein Erhöhen des Drucks am Ende des Kolbenhubs umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, außerdem aufweisend den Schritt des: Ausstoßens der fest gewordenen Gegenstände aus der Gießform; und des Entfernens irgendwelcher Porosität in den Gegenständen.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Schritt des Entfernens von Porosität folgende Schritte aufweist: Erhitzen der Gegenstände auf mindestens etwa 1400°F/760°C und Ausüben eines Drucks von mindestens etwa 14 ksi/98 MPa auf die Gegenstände; und Aufrechterhalten der Hitze und des Drucks für mindestens etwa 2 h.
Verfahren nach Anspruch 24, außerdem aufweisend den Schritt des nachfolgend Erhitzens des Gegenstands auf eine Temperatur von mindestens etwa 1500°F/815°C in einer nicht-reaktiven Umgebung für mindestens etwa 2 h.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Schmelzen des Materials mit einer Überhitzung von weniger als etwa 100°F/37°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Schritt des Schmelzens ein Schmelzen des Materials mit einer Überhitzung von weniger als etwa 50°F/10°C umfasst.