EP1024910A1 - Vorrichtung zur kapselung von rohlingen aus metallischen hochtemperatur-legierungen - Google Patents

Vorrichtung zur kapselung von rohlingen aus metallischen hochtemperatur-legierungen

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EP1024910A1
EP1024910A1 EP98949898A EP98949898A EP1024910A1 EP 1024910 A1 EP1024910 A1 EP 1024910A1 EP 98949898 A EP98949898 A EP 98949898A EP 98949898 A EP98949898 A EP 98949898A EP 1024910 A1 EP1024910 A1 EP 1024910A1
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EP
European Patent Office
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shell
blank
casing
inner shell
outer shell
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EP98949898A
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EP1024910B1 (de
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Fritz Appel
Uwe Lorenz
Michael Oehring
Richard Wagner
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Publication of EP1024910B1 publication Critical patent/EP1024910B1/de
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    • B21C33/00—Feeding extrusion presses with metal to be extruded ; Loading the dummy block
    • B21C33/004—Composite billet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B21C23/22—Making metal-coated products; Making products from two or more metals
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    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12806—Refractory [Group IVB, VB, or VIB] metal-base component

Definitions

  • the invention relates to a device for encapsulating blanks made of metallic high-temperature alloys, in particular Ti Al alloys, which are subjected to extrusion for hot forming.
  • Metallic high-temperature alloys are used for the production of highly stressed or highly stressable components, for example as components for use in turbines for driving aircraft and the like. In order to achieve the desired properties, such as high strength, it is generally required for certain components that they have been hot-formed.
  • TiAl alloys as a certain metallic high Temperature alloying requires the components to be reshaped, also with a view to the setting of certain structures, which cannot be achieved by other means of melting metallurgy. It has been shown that hot forming of Ti Al cast blocks requires temperatures of 1100 ° C, see Y.-W. Kim, DM Di iduk, J. etals 43 (1991) 40.
  • the device should be simple and inexpensive to train and should be 1 bar.
  • the encapsulation consists of at least a first inner shell, which closely encloses the blank and is spaced apart, and a second outer shell which is closely but spaced apart from the inner shell, the first and the second shell being made of a metallic one Material.
  • the advantage of the solution according to the invention is that it creates an optimal shield against heat radiation from the blank, ie the core of the device, which is fundamentally the main cause of the heat losses at the present temperatures, it also advantageously being possible to achieve an optimal one To achieve thermal conduction resistance through vacuum insulation and finally advantageously to avoid convection and the avoidance of material pairings, which in the case of a Extrusion of this type required high temperatures lead to undesirable reactions.
  • a bl-shaped element as the inner shell is sufficient to achieve a 33% reduction in radiated power.
  • the outer shell of the device preferably has a wall thickness of 5 to 10 mm, the outer shell basically being made of steel or preferably a titanium alloy, e.g. TiA16V4, can be formed.
  • the inner shell only a wall thickness in the range of 0.1 to 1 mm, but in particular advantageously a wall thickness of 0.3 mm is sufficient to achieve a reduction in the radiation power by 33%. Because of the high heating and processing temperature on the one hand but also for reasons of cost on the other hand, it is advantageous to use sheets or foils made of molybdenum and / or tantalum as the inner shell which have a low emissivity. This also avoids material combinations that lead to undesirable reactions at the high temperatures to be used.
  • the blank is continuously spaced from the surrounding inner shell in order to largely avoid direct thermal contact between the blank and the inner shell.
  • the webs can be created in a simple manner with a blank which is essentially cylindrical in cross section by simply twisting or milling.
  • the outer shell In order to ensure, in the same way as described above, that the inner shell has a negligible thermal contact with respect to the outer shell, it is also advantageous to provide the outer shell with a plurality of projecting webs which are directed towards the inner shell and which act as a spacer to the inner shell.
  • the outer casing is hollow-cylindrical in cross-section, by turning the outer casing appropriately or by milling it out.
  • the webs in the outer casing and in the inner blank or core of the device are preferably to be designed in such a way that their contact area with the respectively adjacent inner casing is very small compared to the rest of the outer surface.
  • the application of a single inner shell, which forms the radiation protection shield mentioned, can lead to a reduction in the radiation output of 33%.
  • a third and a fourth shell which are likewise each closely spaced between the first shell and the second shell and are each closely spaced from these .
  • the choice of further len will depend on the extent to which it is considered necessary for the special extrusion process, depending on the material forming the blank, to achieve the same resistance to deformation of the jacket and core material.
  • the third sleeve adjacent to the first, inner sleeve with a plurality of both the first sleeve and the fourth To provide sheath-facing webs, which act as spacers to the adjacent first sheath and fourth sheath.
  • the webs can be formed by correspondingly turning off or milling off the third sleeve, the corresponding, above-mentioned turning off or milling off of the blank or the outer second shell for forming the webs there, as described, remains unaffected or can be carried out in the same manner as described.
  • the third casing advantageously consists of the same material as the second casing, the fourth casing advantageously consisting of the same material as the first casing.
  • the radiated power is reduced to approximately 25% compared to the blank.
  • the outer sheath in each case must be designed to be vacuum-tight, so that heat conduction via the gas in the interspaces as well as convection in the one Interstices are suppressed, on the other hand oxidation of the metallic parts is prevented in order to maintain the low emissivity ⁇ of these parts.
  • FIG. 1 shows in section a device according to the invention with two shells which enclose a blank made of a metallic high-temperature alloy
  • FIG. 2 shows an embodiment of the device of the invention according to FIG. 1, in which, however, the blank made of a metallic high-temperature alloy is enclosed by four envelopes at least in partial areas,
  • 3a shows the course of a minimum and a maximum
  • Fig. 4 shows the force curve during extrusion in a steel capsule with heat insulation after a waiting period of 25 seconds after heating
  • FIG. 1 shows the force curve during extrusion in a steel capsule with thermal insulation after a waiting time of 50 seconds after heating.
  • a device 10 is shown according to the invention, wherein the blank 11 to be subjected to extrusion made of a high-temperature metallic alloy, in particular a Ti Al alloy, has a substantially cylindrical cross section, with d correspondingly Device 10 also has a substantially cylindrical cross section.
  • this shape of the blank 11 or the device 10 does not always have to be cylindrical, because many other possible configurations of the blank are also possible, which even before the final extrusion takes place later on Shape can have roughly adapted shape.
  • FIGS. 1 and 2 shows the construction principles of the device 10 according to FIGS. 1 and 2 with an essentially circular cross-sectional shape.
  • a blank 11 is arranged in the device 10 and surrounded by a first, inner casing 12 and a second outer casing 13, compare in particular FIG. 1.
  • the casing of the blank 11 in the configuration of the device 10 according to FIG. 1 is complete, i.e. it is not only the outer, in this case cylindrical, circumferential surface of the blank 11 surrounded by the sleeves 12, 13, but also the respective flat end faces of the blank 11.
  • the first, inner shell 12 closely encloses the blank 11, the inner shell 12 having, for example, a wall thickness of 0.1 to 1 mm, preferably 0.3 mm.
  • the inner shell which is designed in sheet form, preferably consists of tantalum or molybdenum. Basically, however, all other are suitable Materials with low emissivity ⁇ are used, provided they do not react with the material of the blank (11) or the outer shell (18).
  • the second, outer shell 13 has a much greater wall thickness than the inner shell 12, for example in the range from 5 to 10 mm. It applies to both the inner shell 12 and the outer shell 13 that the substantially flat end faces of the blank 11 are covered with the same shell structure, as described above.
  • the outer shell 13 can be made of steel or any other suitable material for this purpose, for example T i AI 6V4.
  • the blank 11 has a plurality of vorsp ingenden
  • Web 110 which act as a spacer to the inner shell surrounding the blank 11. These webs can, for example, by milling or turning off the blank
  • the webs thus formed have a width of approximately 1 mm at a height of 0.3 mm.
  • 11 To suppress direct heat conduction between the blank 11 and the second, outer shell 12, including the first, inner shell 12, the webs 110 on the blank 11 and the webs 131, which are likewise formed in an analogous manner on the second outer shell 13, staggered. All in all, the entirety of the envelope made up of the first envelope 12 and the second envelope 13 thus acts as a double radiation protective shield, which reduces the power emitted by the blank 11 compared to the unprotected blank 11 to about a third.
  • a third casing 14 and a fourth casing 15 are additionally provided. These sleeves 14, 15 are also arranged closely spaced from each other.
  • the third casing 14, which is adjacent to the first, inner casing 12 has a plurality of webs 140 which are directed towards both the first casing 12 and the fourth casing 15.
  • the webs 140 also serve as spacers to the adjacent first casing 12 and the likewise adjacent fourth casing 15.
  • the third casing 14 can be made of the same material as the second casing 13.
  • the fourth shell 15 can consist of the same material as the first shell 12. In fact, four radiation protection plates are effective in the configuration of the device 10 according to FIG.
  • the radiated power can compared to the unprotected blank 11 can be reduced to approximately 25%, reference being made to a calculation given further below for an estimate of this reduction in the radiated power.
  • Envelopes 12 and 15 are preferably made of Mo or Ta, even at temperatures higher than 1400 ° C. In principle, however, all other suitable materials with low emissivity ⁇ can also be used, provided that material pairings are avoided that lead to reactions.
  • the first shell 12 and the fourth shell 15 are preferably thin-walled.
  • the device according to the invention is not limited to the extrusion of Ti tanal umi niden, but of course the forming by extrusion at temperatures above 1000 ° C can be used very successfully with other metallic high-temperature alloys.
  • At least the first casing 12 encloses the blank in a vacuum-tight manner, the required evacuation of the spaces between at least the first casing 12 and the blank 11 being achieved by covering the lid and the bottom of at least the first casing 12 welded in a vacuum chamber by inexpensive electron beam welding.
  • the manufacture of the device 10 can thus be designed relatively inexpensively. If necessary, the other shells 13 to 15 of the device can also be designed to be vacuum-tight.
  • the resulting heat losses can be prevented very effectively at high temperatures by attaching one or more radiation shields (shells) which are introduced between the hot body or blank 11 and the cold environment.
  • one or more radiation shields shells which are introduced between the hot body or blank 11 and the cold environment.
  • this is reduced with a radiation shield arranged concentrically around the body
  • the encapsulation must be carried out according to the following principles to avoid heat loss through radiation:
  • the strands were cut open and the cross-sectional shape of the Ti AI raw! i ngs 10 tracked over the length of the strand.
  • the jacket and core material have the same deformation resistance sen, with the selected transducer diameter of 85 mm and the die diameter of 30 mm, circular cross sections of the Ti AI tube 10 with a diameter of 22.9 mm should result.
  • 3a-3d shows the minimum and maximum diameters of the generally oval cross-sections of the Ti Al tube 10 after these tests.
  • the cross section varies significantly over the length of the strand.
  • the cross-sections are more approximate to the circular shape and the diameter curve over the length is more uniform, but the values are above the ideal value of 22.9 mm.
  • the use of an encapsulation made of steel with thermal insulation leads to a diameter progression of 22.9 mm, whereby the most even progression is observed for the extended waiting time of 50 s.

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Description

Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen
Beschrei bung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere Ti AI -Legi erungen , die zum Warmumformen einer Strangpressung unterzogen werden.
Metallische Hochtemperatur-Legierungen werden zur Herstellung von hochbelasteten bzw. hochbelastbaren Bauteilen verwendet, beispielsweise als Bauteile zum Einsatz in Turbinen zum Antrieb von Flugzeugen und dergleichen. Um die erstrebten Eigenschaften, z.B. hohe Festigkei en, zu erreichen, wird für bestimmte Bauteile grundsätzlich gefordert, daß sie warm umgeformt worden sind. Im Falle von TiAl-Legierungen als bestimmter metallischer Hoch- temperatur-Legi erung ist ein Umformen der Bauteile auch im Hinblick auf die Einstellung bestimmter Gefuge erforderlich, die auf anderem Wege schmelzmetallurgisch nicht erreicht werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Warmumformung von Ti AI -Gußbl όcken Temperaturen von 1100° C erfordert, vergleiche Y.-W. Kim, D.M. Di iduk, J. etals 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 Umformwiderstand on TiAl-Legierungen stark temperaturabhangig sind, müssen die Rohlinge für das Strangpressen gekapselt werden, um hohe Temperaturverluste zu vermeiden. Als KaDsel mate i al stehen bisher Ti -Leg i erungen oder austem 11 sehe Stahle zur Verfugung, deren U formwidei— stand allerdings bei den erforderlichen Temperaturen sehr viel kleiner ist als der des umzuformenden TiAl- Rohmateπals bzw. eines entsprechenden Rohlings aus diesem Werkstoff Eine Verwendung von Kapsel ater i al i en mit besser angepaßtem Umformwiderstand wie z.B. TZM- Molybdan scheidet aus Kostengrunden aus.
Die großen Unterschiede im Umformwiderstand von Kapsel- und Kernmateπal fuhren zu einem ungleichmäßigen Umformen beim Strangpressen mit unerwünschten Variationen im Umformgrad über die Lange des Stranges und außerdem auch zur Rißbildung in bestimmten Bereichen der Kapseln. Es wurde versucht, die Umformwiderstande zwischen Kapsel- und Kern ateπal durch eine Abkuhlphase zwischen dem Anwarmen und dem Strangpressen anzupassen. Modellrechnungen des Temperaturverlaufes von Kapsel und Kern mit zunehmender Haltezeit zeigen, daß auf diese Weise zu geringe Temperaturunterschiede erreicht werden. Auch bei einem niedrig angenommenen Warmeubergangswert , der nur mit einer Wärmeisolationsschicht (beispielsweise Glaswolle) zu erreichen ist, ist der erreichbare Temperaturunterschied noch nicht ausreichend.
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 Kapselung durch längere Wartezeiten zwischen Anwärmen und Strangpressen bei geringen Temperaturverlusten im Kern soweit abzukühlen, daß Kapsel Werkstoff und Kernwerkstoff nahezu gleiche Umformwiderstände haben, wozu insbesondere Temperaturunterschiede bis 500 ° K nötig sind. Die Vorrichtung soll dabei an sich einfach und kostengünstig ausbildbar und bere i tstel 1 bar sein.
Gelöst wird die Aufgabe 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 zweiten, 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 geschaffen wird, die bei den vorliegenden Temperaturen grundsätzlich die wesentliche Ursache der Wärmeverluste ist, wobei es weiterhin dadurch vorteilhafterweise möglich ist, einen optimalen Wärmeleitungswiderstand durch Vakuumisolation zu erreichen und schließlich vorteilhafterweise eine Konvektion zu vermeiden sowie die Vermeidung von Werkstoffpaarungen , die bei den bei einer Strangpressung dieser Art erforderlichen hohen Temperaturen zu unerwünschten Reaktionen führen.
Es hat sich gezeigt, daß für einen effektiven Strahlungsschutzschild, den die innere Hülle bildet, ein bl echförmi ges 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. TiA16V4, 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 vorteilhaft als innere Hülle Bleche oder Folien aus Molybdän und/oder Tantal zu verwenden, die ein geringes Emissionsvermögen £ aufweisen. Dadurch werden außerdem Materialpaarungen 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 fortwährend 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 geschaffen werden.
Um auf gleiche Weise wie vorangehend beschrieben auch dafür zu sorgen, daß die innere Hülle gegenüber der äußeren Hülle einen vernachlässigbar geringen Wärmekontakt aufweist, ist es ebenfalls vorteilhaft, die äußere Hülle mit einer Mehrzahl von vorspringenden, auf die innere Hülle gerichteten Stegen zu versehen, die als Abstandhalter zur inneren Hülle fungieren. Auch hier ist es prinzipiell möglich, die Stege, insbesondere wenn es sich um eine im Querschnitt hohl zyl i nderförmi ge 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 vorzugsweise derart auszubilden, daß ihre Berührungsfläche mit der jeweils angrenzenden inneren Hülle sehr klein gegenüber der übrigen Mantelfläche ist.
Wie schon erwähnt, kann die Anbringung allein einer einzigen inneren Hülle, die das erwähnte Strahlungsschutzschild bildet, zu einer Verminderung der Abstrahl ungs- 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 ebenfalls 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 abhangen, inwieweit für den speziellen Strangpressvorgang in Abhängigkeit des den Rohling bildenden 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 Vorrichtung mit vier Hüllen vorteilhaft sein, die zur ersten, inneren Hülle benachbarte dritte Hülle mit einer Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle als auch zur vierten Hülle hin gerichteten Stegen zu versehen, die als Anstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle und vierten Hülle fungieren Auch in diesem Falle können die Stege durch entsprechendes Abdrehen bzw. Abfrasen der dritten Hülle ausgebildet werden, wobei das entsprechende, oben erwähnte Abdrehen bzw. Abfrasen des Rohlings bzw. der äußeren zweiten Hülle zur Ausbildung der dortigen 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 f r die Gestaltung mit zwei Hüllen und mehr Hüllen die jeweils äußere Hülle vakuumdicht ausgebildet werden, damit einmal Warmeleitung 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 ε dieser Teile zu erhalten.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden 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 umschließen ,
Fig. 2 eine Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung gemäß Figur 1, bei der jedoch wenigstens in Teilbereichen der Rohling aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung von vier Umhüllungen umschlossen ist,
Fig. 3a den Verlauf eines minimalen und eines maximalen
-3b 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 Stahl kapsei ung mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 25 sec nach dem Anwärmen und
Fig den Kraftverlauf beim Strangpressen in einer Stahlkapsel mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 50 sec nach dem Anwärmen. In den Figuren 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt, wobei der der Strangpressung zu unterziehende Rohling 11 aus einer metallischen Hochtemperatur-Legierung, insbesondere einer Ti AI -Legi erung , im wesentlichen einen zylindrischen Querschnitt aufweist, wobei dementsprechen d auch die Vorrichtung 10 auch im wesentlichen einen zylindrischen Querschnitt aufweist. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, 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 Strangpressung eine an die später einzunehmende Form grob angepaßte Form aufweisen können. Zum Verständnis der Erfindung wird aber, da die Konstruktionsprinzipien der Vorrichtung 10 allgemein gelten, Bezug genommen auf die Darstellungen der Vorrichtung 10 gemäß den Figuren 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 Figur 1. Die Umhüllung des Rohlings 11 bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 ist vollständig, d.h. es ist nicht nur die äußere, hier zyl i nderförmi ge Mantelfläche des Rohlings 11 von den Hüllen 12, 13 umgeben, sondern auch ebenfalls die jeweiligen ebenen Stirnflächen des Rohl i ngs 11.
Die erste, innere Hülle 12 umschließt eng aber beabstandet den Rohling 11, wobei die innere Hülle 12 beispielsweise eine Wanddicke von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise 0,3 mm aufweist. Die innere Hülle, die blechförmig ausgebildet ist, besteht dabei vorzugsweise aus Tantal oder Molybdän. Grundsätzlich sind aber alle anderen geeigneten 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 wesentlichen ebenen Stirnflächen des Rohlings 11 mit gleichem Hüllenaufbau, wie vorangehend beschrieben, abgedeckt werden.
Die äuße e Hülle 13 kann beispielsweise aus Stahl oder einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff für diese Zwecke, beispielsweise T i AI 6V4 , ausgebildet sein.
Der Rohling 11 weist eine Mehrzahl von vorsp ingenden
Stegen 110 auf, die als Abstandhalter zur den Rohling 11 umgebenden inneren Hülle fungieren. Diese Stege können beispielsweise durch Abfrasen 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 notwendig 3en g3ering3en Abstände d = d i. so_,-,I - mmno 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 ausgebildet sind, versetzt zueinander angeordnet. Insgesamt wirkt somit die Gesamtheit der Umhüllung aus erster Hülle 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 Figur 2, die vom Grundsatz her einen gleichen Aufbau wie die Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 aufweist, ist zusätzlich noch eine dritte Hülle 14 und eine vierte Hülle 15 vorgesehen. Auch diese Hüllen 14, 15 sind jeweils eng voneinander eng beabstandet angeordnet. Auch in diesem Falle weist die zur ersten, inneren Hülle 12 benachbarte dritte Hülle 14 eine Mehrzahl von sowohl zur ersten Hülle 12 als auch zur vierten Hülle 15 hin gerichteten Stegen 140 auf. Die Stege 140 dienen ebenfalls als Abstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle 12 und der ebenfalls benachbarten vierten Hülle 15. Die dritte Hülle 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 bestehen. Faktisch sind in der Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2 vier Strahlungsschutzbleche wirksam, nämlich die erste Hülle 12, die zweite Hülle 13, die dritte Hülle 14, und die vierte Hülle 15. Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2 kann die abgestrahlte Leistung gegenüber dem ungeschützten Rohling 11 auf ca. 25 % reduziert werden, wobei bezüglich einer Abschätzung dieser Reduktion der abgestrahlten Leistung auf eine noch weiter unten aufgeführte Berechnung verwiesen wird.
Im Temperaturbereich von 1000° bis 1400° C können grundsätzlich für die Hüllen 13 und 14 Stahl oder Titanlegierungen verwendet werden. Bei noch höheren Temperaturen sollten für diese Hüllen (13 und 14) Refraktärmetall e wie Mo oder Ta gewählt werden. Die Hüllen 12 und 15 be- stehen vorzugsweise aus Mo oder Ta, auch bei noch höheren Temperaturen als 1400 ° C. Grundsätzlich können aber auch alle anderen geeigneten Werkstoffe mit geringem Emissionsvermögen ε verwendet werden, sofern Materialpaarungen vermieden werden, die zu Reaktionen führen. Die erste Hülle 12 und die vierte Hülle 15 sind vorzugsweise dünnwandig ausgebildet. Es sei noch daraufhingewiesen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung sich nicht nur auf das Strangpressen von Ti tanal umi niden beschränkt, 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 Figur 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 Boden wenigstens der ersten Hülle 12 durch kostengünstiges El ektronenstrahl schwei ßen in einer Vakuumkammer zuschweißt. Insgesamt kann die Fertigung der Vorrichtung 10 somit relativ kostengünstig gestaltet werden. Auch die anderen Hüllen 13 bis 15 der Vorrichtung können, fa ls erforderlich, vakuumdicht ausgebildet sein.
Eine Abschätzung, die die Wirksamkeit der erfindungsgemäß mit der Vorrichtung 10 vorgeschlagenen Maßnahmen zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung belegt, soll anhand der Strahlungsleistung von nichtisolierten und durch Wärmeschutzschilde isolierten Strangpreßrohlingen 11 dargestellt werden.
Nach dem Stef an-Bol tzmann-Gesetz strahlt ein nicht schwarzer Körper in den kalten Raum die Wärmeleistung d Q s/ d t = F ε c T 4 ( Gl . 1 )
ab. Die Bezeichnungen haben die folgende Bedeutung
F - Oberfläche des Körpers c - Stefan-Bol tzmannsche Strahlungskonstante (c =
5.7-10"8 WnT2 K~4) ε- Emissionsvermögen des Körpers T - absolute Temperatur
Für metallisch blanke Körper gilt vielfachε = 0.3. Ein auf 1300° C erhitzter Strangpreßrohling der Abmessungen Φ 65 mm x 170 mm würde also ohne Isolation nach der Entnahme aus dem Ofen anfänglich eine Leistung von dQ /dt = 4,6 kW abstrahl en .
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 Rohlings 11 reduziert sich diese bei einem konzentrisch um den Körpe angeordneten Strahlungsschild auf
Λ - dQs,l/dt = ε c T4 / ( εs/ εe + rk/rs), (G1.2)
mit εe -_ ε ε$ / ( i - ε^l - εF^)).
Hierbei bedeuten
ε s_. - das Emissionsvermög3en rk - der Radius des heißen Körpers r - der Radius des Strahlungsschutzschildes Nach Gl .2 gilt
dQS) 1/drk > 0, CGI .3)
d.h. die Wirksamkeit des Strahlungsschutzschildes ist umso höher, je geringer sein Abstand zum heißen Körper ist. Nimmt man zur Vereinfachung der Abschätzung weiterhin an, daß ε = ε und r, = r , so gilt
dQSj l dt = 1/2 dQs/dt. (G1.4)
Durch das Anbringen eines Strahlungsschutzschildes kann die abgestrahlte Leistung also bereits auf 50 % reduziert werden. Bei der Anwendung von n St ahl ungs schutz- schilden gilt unter den gleichen verein achenden Voraussetzungen
dQs>n/dt = (l/(n + 1)) dQs/dt. (G1.5)
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 verwendet werden. Aufgrund der hohen Temperatur und aus Kostengründen ist die Werkstoffauswahl auf Bleche bzw. Folien aus Mo oder Ta beschränkt. Allerdings sollten diese Werkstoffe eine möglichst glatte und oxidfreie Oberfläche haben.
- Der Abstand zwischen heißem Körper und dem ersten Strahlungsschutzschild und zwischen weiteren Strahlungsschutzschilden sollte nach Gl . 2 möglichst klein gehalten werden. - Wärmeverluste durch Konvektion bzw. Wärmeleitung müssen vermieden werden.
Zur Erprobung der beschriebenen Strangpreßkapsel kon- struktion wurden 4 Strangpreßversuche durchgeführt. Dazu wurden Rohlinge 11 mit einem Durchmesser von 65 mm, die aus derselben Ti AI -Leg i erung bestanden, in unterschiedliche Kapseln gekapselt. Da bei dem vorangehend beschriebenen Aufbau der Kapselung durch eine erhöhte Wartezeit zwischen Anwärmen und Strangpressen der gewünschte Temperaturunterschied zwischen Kapselung und Rohling 11 zunimmt, wurde außerdem die Wartezeit variiert. Die sonstigen Versuchsbedingungen (Anwärmtemperatur 1250° C, vorgegebene Stempel geschwi nd i g ke i 20 mm/s) sowie die äußeren Maße der Kapselung waren in allen Versuchen identisch. Im einzelnen wurden folgende Formen der Kapselung und Wartezeiten gewählt:
1. TiA16V4- Kapselung ohne Wärme i so! at i on , 25 s Warte- zei t
2. Stahl kapsei ung ohne Wärmeisolation, jedoch mit eingelegter Mo-Folie als Reaktionsbarriere, 25 s Wartezeit
3. Stahl kapsei ung mit Wärmeisolation wie erfindungsgemäß beschrieben (s. Abb. 1), 25 s Wartezeit
4. 3. Stahl kapsei ung mit Wärmeisolation wie erfindungsgemäß beschrieben (s. Abb. 1), 50 s Wartezeit
Nach dem Strangpressen wurden die Stränge aufgeschnitten und die Querschnittsform des Ti AI -Roh! i ngs 10 über die Stranglänge verfolgt. Im idealen Fall - d.h. wenn Mantel- und Kernwerkstoff gleichen Umformwiderstand aufwei- sen, müßten sich bei dem gewählten Aufnehmerdurchmesser von 85 mm und dem Matrizendurchmesser von 30 mm kreisförmige Querschnitte des Ti AI -Rohl i ngs 10 mit Durchmesser 22.9 mm ergeben. Fig..3a - 3d zeigt die minimalen und maximalen Durchmesser der im allgemeinen ovalen Querschnitte des Ti AI -Rohl i ngs 10 nach diesen Versuchen. Die Ergebnisse zeigen, daß im Fall der Ti AI 6V4-Kapsel ohne Wärmeisolation die ungünstigsten Verhältnisse vorliegen, d.h. der Kernquerschnitt zeigt die größten Unterschiede zwischen minimalem (d . ) und maximalem (dm 171 α., Xv) Durchmesser und liegt wegen des geringen Umform-
Widerstandes der Ti AI 6V4-Legi erung 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 Stahl kapsei ung ohne Wärmeisolation sind die Querschnitte mehr der Kreisform angenähert und der Durchmesserverlauf über die Länge ist gleichmäßiger, allerdings liegen die Werte über dem idealen Wert von 22.9 mm. Dagegen führt die Verwendung einer Kapselung aus Stahl mit Wärmeisolation zu Durchmesserverläufen um 22.9 mm, wobei für die verlängerte Wartezeit 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 Umformwiderstandes zwischen Stahlmantel und TiÄl-Rohl ing 10 erreicht wurde. Die deutliche Wirkung der Wärmeisolation zeigt sich auch im Kraftverlauf beim Strangpressen. Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, ist die anfängliche Matrizenkraft beim Strangpressen von Kapselungen mit Wärmeisolation nach einer Wartezeit von 50 s erheblich höher als nach einer Wartezeit von 25 s, was auf den aufgrund des höheren Te peraturabfal 1 s höheren Umformwiderstand des Kapsel Werkstoff s 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 al so errei cht .
Bezuqszei chenl i ste
10 Vorrichtung
11 Rohling 110 Steg
12 erste , i nnere Hül 1 e 120 Wanddicke
13 zweite, äußere Hülle
130 Wanddicke
131 Steg
14 dritte Hülle 140 Steg
15 vi erte Hül 1 e

Claims

Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legi erungen
PatentansDrüche
1. Vorrichtung zur Kapselung von Rohlingen aus metallischen Hochtemperatur-Legierungen, insbesondere TiAl- Legierungen, die zum Warmumformen einer Strangpressung unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung 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 erste und zweite Hülle (12,13) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (12) durch ein bl echförmiges Element 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 aufwei st .
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.
5. 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 gebi 1 det wi rd .
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (13) aus TiA16V4 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
(13) 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 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 gekennzeichnet, 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) hingerichteten Stegen (140) aufweist, die als Abstandshalter zu der benachbarten ersten Hülle (12) und vierten Hülle (15) fungi eren .
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- schl i eßt .
lü
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