EP3584334A1 - Method for producing a forged component from a tial alloy and correspondingly manufactured component - Google Patents

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EP3584334A1
EP3584334A1 EP19180148.9A EP19180148A EP3584334A1 EP 3584334 A1 EP3584334 A1 EP 3584334A1 EP 19180148 A EP19180148 A EP 19180148A EP 3584334 A1 EP3584334 A1 EP 3584334A1
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EP
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temperature
component
heat treatment
hours
deformation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19180148.9A
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Inventor
Martin Schloffer
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
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    • B21J9/02—Special design or construction
    • B21J9/022—Special design or construction multi-stage forging presses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21J1/06—Heating or cooling methods or arrangements specially adapted for performing forging or pressing operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • B21K3/04—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F05D2300/174—Titanium alloys, e.g. TiAl

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component from a TiAl alloy, in which the component is formed by two-stage isothermal forging and is preferably subsequently subjected to a heat treatment.
  • the present invention relates to a correspondingly manufactured component.
  • TiAl alloys the main components of which are titanium and aluminum, are characterized by the fact that they have sufficient ductility and high strength through the formation of intermetallic phases, such as ⁇ -TiAl, which have a high proportion of covalent binding forces within the metallic bond, especially high temperature resistance.
  • intermetallic phases such as ⁇ -TiAl
  • they have a low specific weight, so that the use of titanium aluminides or of TiAl alloys for high-temperature applications, for example for turbomachines, in particular gas turbines or aircraft engines, is advantageous.
  • the property profile of the TiAl alloys can be further optimized by adding certain alloy components such as niobium and molybdenum.
  • alloys with a niobium and molybdenum content are also referred to as so-called TNM alloys.
  • alloys are used, for example, to manufacture guide vanes or rotor blades in aircraft engines and are forged into the corresponding component shape.
  • isothermal forging with subsequent heat treatment can be used to adjust the structure and the property profile.
  • blisks artificial word for blade and disk
  • the forging temperature can be raised to 1200 ° C and the main forming can be shifted from the second to the first forging step.
  • the recovery mechanisms increase at the expense of the recrystallization mechanisms and part of the dislocation energy that has to be used for structural refinement is lost through recovery.
  • Dislocation energy is the energy that is present in the crystal lattice due to small defects; dislocations are inserted atomic planes that end in the middle of the crystal).
  • the dislocation density is increased by forging to such an extent that this energy can be used for recrystallization processes.
  • the structure is molded in, making it finer and more homogeneous. This is the mechanism why forging is used to achieve higher strengths in materials.
  • the microstructure Due to an increasingly stronger recovery of the microstructure, if the increase in the forging temperature and shift of the main forming from the second to the first forging step increases the recovery compared to recrystallization, the microstructure becomes more inhomogeneous and the ductility or the scatter in the total expansion increases. The strength and elongation potential of the material is thus not fully exploited as would be desirable for the application.
  • the second degree of deformation can be, for example, no more than 95%, no more than 90%, no more than 85%, no more than 80%, or no more than 75% of the first degree of deformation.
  • the TiAl alloy can in particular be a TNM alloy, that is to say an alloy which, in addition to the main components titanium and aluminum, also comprises smaller amounts of niobium and molybdenum (and preferably also boron).
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for components made from a TiAl alloy with 42 to 45 at.% Titanium, in particular 42.5 to 54.5 at.% Titanium, 3.5 to 4.5 at.% Niobium , in particular 4.0 to 4.2 at.% niobium, 0.75 to 1.5 at.% molybdenum, in particular 0.9 to 1.2 at.% molybdenum, and 0.05 to 0.15 at% boron , in particular 0.1 to 0.12 at.% boron, balance aluminum and unavoidable impurities.
  • the temperature in the first or second forging step is at least 1190 ° C., and in particular at least 1200 ° C., a temperature of about 1200 ° C. being particularly preferred.
  • the degree of deformation in the first forging step in the inner region, which the final component geometry comprises is at least 0.55, preferably at least 0.6, and in particular at least 0.65.
  • the temperature in the intermediate annealing step is in the range from 1135 ° C. to 1165 ° C., in particular in the range from 1140 ° C. to 1160 ° C.
  • a temperature in the range from 1145 ° C. to 1155 ° C. is particularly preferred.
  • the hold time at the specified temperature is at least 1 hour, for example at least 1.5 hours or at least 2 hours, and is not longer than 8 hours, for example not longer than 7.5 hours or not longer than 7 hours.
  • the expansion potential and the strength of the TiAl material can be increased, especially if more local deformation is introduced in the first isothermal forging step than in second forging step. Furthermore, the yield stresses decrease in the second isothermal forging step, as a result of which the die life can generally be increased and the mold filling can be improved. This reduces the die costs and the strength and the expansion potential of the component are increased and stabilized.
  • the intermediate annealing can be carried out, for example, in an oven.
  • the intermediate annealing is preferably followed (before the second isothermal forging step) by cooling of the component preliminary stage (preferably by air cooling).
  • the component preliminary stage can also be raised directly to the temperature for the second isothermal forging step without cooling.
  • At least one heat treatment of the forged component follows the second isothermal forging step (on final contour or near net shape).
  • This further heat treatment is preferably carried out at a temperature above the ⁇ -Solvus temperature or below the ⁇ -Solvus temperature, preferably in each case for 20 minutes to 180 minutes.
  • the heat treatment is carried out at a temperature in the range from the ⁇ -solvus temperature to 50 ° C., preferably 30 ° C., particularly preferably from 2 ° C. to 25 ° C., in particular from 5 ° C. to 25 ° C.
  • the further heat treatment is preferably followed by cooling, preferably at a cooling rate of at least 100 ° C./minute or not more than 500 ° C./minute.
  • a further heat treatment can optionally follow the cooling, for example at a temperature of 800 ° C to 950 ° C (stabilization annealing).
  • the structure down to local degrees of deformation of approximately 0.7 is molded completely globular.
  • this structure can be forged into a shape close to the final contour with little effort (globular structure has less yield stress).
  • a subsequent heat treatment as described above can be used to set a homogeneous structure without old colonies remaining from the as-cast state. This more homogeneous structure has a higher strength and thus a higher total elongation than components that were processed without this recrystallization annealing.
  • the subsequent heat treatment described above for, for example, 20 minutes to 40 minutes (above the ⁇ -Solvus temperature) or 45 minutes to 180 minutes in a three-phase field (below the ⁇ -Solvus temperature) of the TiAl alloy can be tailored to the requirements almost lamellar microstructures can be adjusted.
  • Subsequent cooling at 500 ° C / minute can be used to set very fine creep-resistant slats or slower cooling with up to 100 ° C / minute thicker slats that are more resistant to cellular reactions.
  • the phase components can then be adjusted close to the thermal equilibrium at the application temperature by means of a heat treatment for several hours.
  • the method according to the invention can be used, for example, to produce components of a turbomachine, in particular components of a gas turbine or an aircraft engine, such as, for example, moving blades, guide blades or turbine blades.
  • a turbomachine in particular components of a gas turbine or an aircraft engine, such as, for example, moving blades, guide blades or turbine blades.
  • a material for a component produced according to the invention can, for example, have a composition in the range from 42 to 45 at.% Titanium, 3.5 to 4.5 at.% Niobium, 0.75 to 1.5 at.% Molybdenum, and 0.05 up to 0.15 at.% boron, balance aluminum and unavoidable impurities.
  • the material of the component is forged by a first isothermal forging step at approx. 1200 ° C with a degree of deformation of approx. 0.6.
  • the forged material is then cooled to room temperature by air cooling and then heated for 4 hours at approx. 1150 ° C, followed by a second isothermal forging step at approx. 1200 ° C to an (almost) final contour.
  • the component produced in this way can be subjected to a (second) heat treatment at a temperature above the ⁇ -solvus temperature (for example at approximately 1290 ° C.) for, for example, 20 to 40 minutes.
  • a (second) heat treatment at a temperature above the ⁇ -solvus temperature (for example at approximately 1290 ° C.) for, for example, 20 to 40 minutes.
  • the component is then quickly cooled, for example by cooling with a blower.
  • This fan cooling takes place in air or in an oven, the temperature being lowered to below 600 ° C. and then raised to approx. 850 ° C. and kept at this temperature for about 6 hours.
  • the ⁇ -TiAl structure set at the temperature of the second heat treatment that is to say at a temperature of approximately 1290 ° C., is largely frozen.
  • the component is heated below the ⁇ -Solvus temperature.
  • the component is heated at approx. 1235 ° C for about an hour and then cooled (fan cooling). With fan cooling, the temperature is reduced to below 600 ° C and then raised to approx. 850 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung durch zweistufiges isothermes Schmieden und ein dadurch hergestelltes Bauteil. Das Verfahren umfasst ein erstes isothermes Schmieden einer Bauteil-Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C, ein Zwischenglühen der geschmiedeten Vorstufe bei einer Temperatur im Bereich von 1130°C bis 1170°C für 1 bis 8 Stunden und ein anschliessendes zweites isothermes Schmieden bei einer Temperatur von mindestens 1180°C mit einem Umformungsgrad, der niedriger ist als der Umformungsgrad beim ersten isothermen Schmieden.The invention relates to a method for producing a component from a TiAl alloy by two-stage isothermal forging and a component produced thereby. The method comprises a first isothermal forging of a component precursor at a temperature of at least 1180 ° C., an intermediate annealing of the forged precursor at a temperature in the range from 1130 ° C. to 1170 ° C. for 1 to 8 hours and a subsequent second isothermal forging a temperature of at least 1180 ° C with a degree of deformation that is lower than the degree of deformation during the first isothermal forging.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung, bei welchem das Bauteil durch zweistufiges isothermes Schmieden geformt und vorzugsweise nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil.The present invention relates to a method for producing a component from a TiAl alloy, in which the component is formed by two-stage isothermal forging and is preferably subsequently subjected to a heat treatment. In addition, the present invention relates to a correspondingly manufactured component.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

TiAl-Legierungen, deren Hauptbestandteile Titan und Aluminium sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch Ausbildung von intermetallischen Phasen, wie beispielsweise γ-TiAl, die einen hohen Anteil kovalenter Bindungskräfte innerhalb der metallischen Bindung aufweisen, bei ausreichender Duktilität über eine hohe Festigkeit, insbesondere Hochtemperaturfestigkeit, verfügen. Zudem besitzen sie ein geringes spezifisches Gewicht, so dass der Einsatz der Titanaluminide bzw. von TiAl-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise für Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen oder Flugtriebwerke, vorteilhaft ist.TiAl alloys, the main components of which are titanium and aluminum, are characterized by the fact that they have sufficient ductility and high strength through the formation of intermetallic phases, such as γ-TiAl, which have a high proportion of covalent binding forces within the metallic bond, especially high temperature resistance. In addition, they have a low specific weight, so that the use of titanium aluminides or of TiAl alloys for high-temperature applications, for example for turbomachines, in particular gas turbines or aircraft engines, is advantageous.

Durch Zugabe bestimmter Legierungsbestandteile wie beispielsweise Niob und Molybdän kann das Eigenschaftsprofil der TiAl-Legierungen weiter optimiert werden. Derartige Legierungen mit Niob- und Molybdän-Anteil werden auch als sogenannte TNM-Legierungen bezeichnet.The property profile of the TiAl alloys can be further optimized by adding certain alloy components such as niobium and molybdenum. Such alloys with a niobium and molybdenum content are also referred to as so-called TNM alloys.

Diese Legierungen werden beispielsweise zur Herstellung von Leit- oder Laufschaufeln in Flugtriebwerken eingesetzt und werden durch Schmieden in die entsprechende Bauteilform gebracht. Insbesondere kann hier isothermes Schmieden mit nachfolgender Wärmebehandlung zur Einstellung des Gefüges und des Eigenschaftsprofils eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich auch einstückige Schaufel-Scheiben-Einheiten, sogenannte blisks (Kunstwort für blade and disk) herstellen.These alloys are used, for example, to manufacture guide vanes or rotor blades in aircraft engines and are forged into the corresponding component shape. In particular, isothermal forging with subsequent heat treatment can be used to adjust the structure and the property profile. In this way, one-piece blade-disk units, so-called blisks (artificial word for blade and disk) can also be produced.

Beim Schmiedeverfahren kann die Schmiedetemperatur auf 1200°C angehoben und die Hauptumformung vom zweiten in den ersten Schmiedeschritt verlagert werden. Dadurch nehmen die Erholungsmechanismen auf Kosten der Rekristallisationsmechanismen zu und ein Teil der Versetzungsenergie, der zur Gefügefeinung genutzt werden muss, geht durch Erholung verloren. (Versetzungsenergie ist jene Energie, die durch kleine Defekte im Kristallgitter vorhanden ist; Versetzungen sind eingeschobene Atomebenen, die mitten im Kristall enden). Die Versetzungsdichte wird durch das Schmieden so weit erhöht, dass diese Energie für Rekristallisationsprozesse genutzt werden kann. Dabei wird das Gefüge eingeformt und dadurch feiner und homogener. Dies ist der Mechanismus, weshalb Schmieden angewendet wird, um in Materialien höhere Festigkeiten zu erreichen. Bedingt durch eine zunehmend stärkere Erholung der Mikrostruktur, wenn durch Anhebung der Schmiedetemperatur und Verlagerung der Hauptumformung vom zweiten in den ersten Schmiedeschritt die Erholung gegenüber der Rekristallisation zunimmt, wird die Mikrostruktur inhomogener und die Duktilität bzw. die Streuung bei der Totaldehnung steigt an. Das Festigkeits- und Dehnpotential des Werkstoffes wird dadurch nicht so voll ausgeschöpft, wie dies für die Anwendung wünschenswert wäre.In the forging process, the forging temperature can be raised to 1200 ° C and the main forming can be shifted from the second to the first forging step. As a result, the recovery mechanisms increase at the expense of the recrystallization mechanisms and part of the dislocation energy that has to be used for structural refinement is lost through recovery. (Dislocation energy is the energy that is present in the crystal lattice due to small defects; dislocations are inserted atomic planes that end in the middle of the crystal). The dislocation density is increased by forging to such an extent that this energy can be used for recrystallization processes. The structure is molded in, making it finer and more homogeneous. This is the mechanism why forging is used to achieve higher strengths in materials. Due to an increasingly stronger recovery of the microstructure, if the increase in the forging temperature and shift of the main forming from the second to the first forging step increases the recovery compared to recrystallization, the microstructure becomes more inhomogeneous and the ductility or the scatter in the total expansion increases. The strength and elongation potential of the material is thus not fully exploited as would be desirable for the application.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung bereitzustellen, bei welchem das Bauteil durch zweistufiges isothermes Schmieden bei Temperaturen von etwa 1200°C geformt und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei aber die oben geschilderten Nachteile vermieden werden.It is therefore an object of the present invention to provide a method for producing a component from a TiAl alloy, in which the component is shaped by two-stage isothermal forging at temperatures of approximately 1200 ° C. and subsequently subjected to a heat treatment, but with the disadvantages described above be avoided.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes geschmiedetes Bauteil ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by a method with the features of the independent method claim. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims. A forged component produced according to the method according to the invention is also the subject of the present invention.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung durch zweistufiges isothermes Schmieden umfasst die folgenden Schritte:

  • erstes isothermes Schmieden einer Bauteil-Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem ersten Umformungsgrad;
  • Zwischenglühen der geschmiedeten Vorstufe bei einer Temperatur im Bereich von 1130°C bis 1170°C für 1 bis 8 Stunden;
  • zweites isothermes Schmieden der zwischengeglühten Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem zweiten Umformungsgrad, der niedriger ist als der erste Umformungsgrad beim ersten isothermen Schmieden.
The method according to the invention for producing a component from a TiAl alloy by two-stage isothermal forging comprises the following steps:
  • first isothermal forging of a component precursor at a temperature of at least 1180 ° C. and with a first degree of deformation;
  • Intermediate annealing the forged precursor at a temperature in the range of 1130 ° C to 1170 ° C for 1 to 8 hours;
  • second isothermal forging of the intermediate annealed preliminary stage at a temperature of at least 1180 ° C. and with a second degree of deformation which is lower than the first degree of deformation in the first isothermal forging.

Der zweite Umformungsgrad kann beispielsweise nicht mehr als 95 %, nicht mehr als 90 %, nicht mehr als 85 %, nicht mehr als 80 %, oder nicht mehr als 75 % des ersten Umformungsgrads betragen.The second degree of deformation can be, for example, no more than 95%, no more than 90%, no more than 85%, no more than 80%, or no more than 75% of the first degree of deformation.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens kann es sich bei der TiAl-Legierung insbesondere um eine TNM-Legierung handeln, also eine Legierung, die neben den Hauptbestandteilen Titan und Aluminum auch kleinere Anteile an Niob und Molybdän (und vorzugsweise auch Bor) umfasst.In one embodiment of the method according to the invention, the TiAl alloy can in particular be a TNM alloy, that is to say an alloy which, in addition to the main components titanium and aluminum, also comprises smaller amounts of niobium and molybdenum (and preferably also boron).

Das erfindungsgemässe Verfahren kann besonders vorteilhaft für Bauteile eingesetzt werden, die aus einer TiAl-Legierung mit 42 bis 45 at.% Titan, insbesondere 42,5 - 54,5 at.% Titan, 3,5 bis 4,5 at.% Niob, insbesondere 4,0 bis 4,2 at.% Niob, 0,75 bis 1,5 at.% Molybdän, insbesondere 0,9 bis 1,2 at.% Molybdän, und 0,05 bis 0,15 at% Bor, insbesondere 0,1 bis 0,12 at.% Bor, Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, bestehen.The method according to the invention can be used particularly advantageously for components made from a TiAl alloy with 42 to 45 at.% Titanium, in particular 42.5 to 54.5 at.% Titanium, 3.5 to 4.5 at.% Niobium , in particular 4.0 to 4.2 at.% niobium, 0.75 to 1.5 at.% molybdenum, in particular 0.9 to 1.2 at.% molybdenum, and 0.05 to 0.15 at% boron , in particular 0.1 to 0.12 at.% boron, balance aluminum and unavoidable impurities.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens beträgt die Temperatur im ersten bzw. zweiten Schmiedeschritt mindestens 1190°C, und inbesondere mindestens 1200°C, wobei eine Temperatur von etwa 1200°C besonders bevorzugt ist.In a further embodiment of the method according to the invention, the temperature in the first or second forging step is at least 1190 ° C., and in particular at least 1200 ° C., a temperature of about 1200 ° C. being particularly preferred.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens beträgt der Grad der Umformung im ersten Schmiedeschritt im inneren Bereich, den die finale Bauteilgeometrie umfasst, mindestens 0,55, vorzugsweise mindestens 0,6, und insbesondere mindestens 0,65.In a further embodiment of the method according to the invention, the degree of deformation in the first forging step in the inner region, which the final component geometry comprises, is at least 0.55, preferably at least 0.6, and in particular at least 0.65.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt die Temperatur im Zwischenglühschritt im Bereich von 1135°C bis 1165°C, insbesondere im Bereich von 1140°C bis 1160°C. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur im Bereich von 1145°C bis 1155°C. Die Haltezeit bei der angegebenen Temperatur beträgt mindestens 1 Stunde, beispielsweise mindestens 1,5 Stunden oder mindestens 2 Stunden, und ist nicht länger als 8 Stunden, beispielsweise nicht länger als 7,5 Stunden oder nicht länger als 7 Stunden.In a further embodiment of the method according to the invention, the temperature in the intermediate annealing step is in the range from 1135 ° C. to 1165 ° C., in particular in the range from 1140 ° C. to 1160 ° C. A temperature in the range from 1145 ° C. to 1155 ° C. is particularly preferred. The hold time at the specified temperature is at least 1 hour, for example at least 1.5 hours or at least 2 hours, and is not longer than 8 hours, for example not longer than 7.5 hours or not longer than 7 hours.

Durch Einführung einer ein- bis achtstündigen Zwischenglühung im obigen Temperaturbereich zwischen den isothermen Schmiedeschritten können das Dehnpotential und die Festigkeit des TiAl-Werkstoffes (beispielsweise einer TNM-Legierung) angehoben werden, insbesondere dann, wenn im ersten isothermen Schmiedeschritt mehr lokale Umformung eingebracht wird als im zweiten Schmiedeschritt. Des Weiteren sinken dadurch im zweiten isothermen Schmiedeschritt die Fließspannungen, wodurch im Regelfall die Gesenkstandzeiten erhöht werden können und die Formfüllung verbessert werden kann. Damit sinken die Gesenk-Kosten und die Festigkeit und das Dehnpotential des Bauteils werden erhöht und stabilisiert. Das Zwischenglühen kann beispielsweise in einem Ofen realisiert werden.By introducing a one to eight hour intermediate annealing in the above temperature range between the isothermal forging steps, the expansion potential and the strength of the TiAl material (e.g. a TNM alloy) can be increased, especially if more local deformation is introduced in the first isothermal forging step than in second forging step. Furthermore, the yield stresses decrease in the second isothermal forging step, as a result of which the die life can generally be increased and the mold filling can be improved. This reduces the die costs and the strength and the expansion potential of the component are increased and stabilized. The intermediate annealing can be carried out, for example, in an oven.

An das Zwischenglühen schliesst sich vorzugsweise (vor dem zweiten isothermen Schmiedeschritt) eine Kühlung der Bauteil-Vorstufe an (vorzugsweise durch Luftkühlung). Die Bauteil-Vorstufe kann jedoch auch ohne Kühlung direkt auf die Temperatur für den zweiten isothermen Schmiedeschritt angehoben werden.The intermediate annealing is preferably followed (before the second isothermal forging step) by cooling of the component preliminary stage (preferably by air cooling). However, the component preliminary stage can also be raised directly to the temperature for the second isothermal forging step without cooling.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens schliesst sich an den zweiten isothermen Schmiedeschritt (auf Endkontur oder near net shape) mindestens eine Wärmebehandlung des geschmiedeten Bauteils an. Diese weitere Wärmebehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der γ-Solvus-Temperatur oder unterhalb der γ-Solvus-Temperatur durchgeführt, vorzugsweise jeweils für 20 Minuten bis 180 Minuten.In a further embodiment of the method according to the invention, at least one heat treatment of the forged component follows the second isothermal forging step (on final contour or near net shape). This further heat treatment is preferably carried out at a temperature above the γ-Solvus temperature or below the γ-Solvus temperature, preferably in each case for 20 minutes to 180 minutes.

Beispielsweise wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von der γ-Solvus-Temperatur bis 50°C, vorzugsweise 30°C, besonders vorzugsweise von 2°C bis 25°C, insbesondere von 5°C bis 25°C oberhalb der γ-Solvus-Temperatur oder bei einer Temperatur von 10°C bis 50°C, vorzugsweise von 15°C bis 30°C, unterhalb der γ-Solvus- Temperatur durchgeführt.For example, the heat treatment is carried out at a temperature in the range from the γ-solvus temperature to 50 ° C., preferably 30 ° C., particularly preferably from 2 ° C. to 25 ° C., in particular from 5 ° C. to 25 ° C. Solvus temperature or at a temperature from 10 ° C to 50 ° C, preferably from 15 ° C to 30 ° C, carried out below the γ-Solvus temperature.

Vorzugsweise schliesst sich an die weitere Wärmebehandlung eine Abkühlung, vorzugsweise mit einer Abkühlrate von mindestens 100°C/Minute oder nicht mehr als 500°C/Minute, an. An die Abkühlung kann sich gegebenenfalls eine weitere Wärmebehandlung anschliessen, beispielsweise bei einer Temperatur von 800°C bis 950°C (Stabilisierungsglühen).The further heat treatment is preferably followed by cooling, preferably at a cooling rate of at least 100 ° C./minute or not more than 500 ° C./minute. A further heat treatment can optionally follow the cooling, for example at a temperature of 800 ° C to 950 ° C (stabilization annealing).

Beispielsweise kann mit dem ersten isothermen Schmiedeschritt des erfindungsgemässen Verfahrens soviel Umformung und damit Versetzungsdichte in das Werkstück eingebracht werden, dass durch eine Rekristallisationsglühung bei beispielsweise 1150°C für 1 bis 8 Stunden mit anschliessender (Luft-)Kühlung das Gefüge bis auf lokale Umformgrade von etwa 0,7 vollständig globular eingeformt wird. Im zweiten isothermen Schmiedeschritt auf Endkontur kann dieses Gefüge mit wenig Kraftaufwand (globulares Gefüge hat weniger Fließspannung) in eine endkonturnahe Form geschmiedet werden. Auch wenn lokal nun weniger Umformgrad als für eine vollständige Rekristallisation notwendig (>0,7) vorliegt, kann durch eine anschließende Wärmebehandlung wie oben beschrieben ein homogenes Gefüge ohne alte, aus dem Gusszustand zurückgebliebene Restkolonien eingestellt werden. Dieses homogenere Gefüge weist eine höhere Festigkeit und damit eine höhere Totaldehnung als Bauteile auf, die ohne diese Rekristallisationsglühung prozessiert wurden.For example, with the first isothermal forging step of the method according to the invention, so much deformation and thus dislocation density can be introduced into the workpiece that a recrystallization annealing at, for example, 1150 ° C for 1 to 8 hours with subsequent (air) cooling, the structure down to local degrees of deformation of approximately 0.7 is molded completely globular. In the second isothermal forging step on the final contour, this structure can be forged into a shape close to the final contour with little effort (globular structure has less yield stress). Even if locally less degree of deformation is present than is necessary for complete recrystallization (> 0.7), a subsequent heat treatment as described above can be used to set a homogeneous structure without old colonies remaining from the as-cast state. This more homogeneous structure has a higher strength and thus a higher total elongation than components that were processed without this recrystallization annealing.

Durch die oben beschriebene anschliessende Wärmebehandlung für beispielsweise 20 Minuten bis 40 Minuten (oberhalb der γ-Solvus-Temperatur) oder 45 Minuten bis 180 Minuten im Dreiphasenfeld (unterhalb der γ-Solvus-Temperatur) der TiAl-Legierung können speziell auf die Anforderungen abgestimmte nahezu lamellare Mikrostrukturen eingestellt werden. Durch eine anschließende Abkühlung mit 500°C/Minute können sehr feine kriechstabile Lamellen oder durch entsprechend langsamere Abkühlung mit bis zu 100°C/Minute dickere, gegenüber zellularer Reaktion beständigere Lamellen eingestellt werden. Anschließend können durch eine mehrstündige Auslagerungs-Wärmebehandlung die Phasenanteile nahe des thermischen Gleichgewichtes bei Anwendungstemperatur eingestellt werden.The subsequent heat treatment described above for, for example, 20 minutes to 40 minutes (above the γ-Solvus temperature) or 45 minutes to 180 minutes in a three-phase field (below the γ-Solvus temperature) of the TiAl alloy can be tailored to the requirements almost lamellar microstructures can be adjusted. Subsequent cooling at 500 ° C / minute can be used to set very fine creep-resistant slats or slower cooling with up to 100 ° C / minute thicker slats that are more resistant to cellular reactions. The phase components can then be adjusted close to the thermal equilibrium at the application temperature by means of a heat treatment for several hours.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können beispielsweise Bauteile einer Strömungsmaschine hergestellt werden, insbesondere Bauteile einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, wie beispielsweise Laufschaufeln, Leitschaufeln oder Turbinenbliske. AUSFÜHRUNGSBEISPIELThe method according to the invention can be used, for example, to produce components of a turbomachine, in particular components of a gas turbine or an aircraft engine, such as, for example, moving blades, guide blades or turbine blades. Embodiment

Ein Werkstoff für ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil kann beispielsweise eine Zusammensetzung im Bereich von 42 bis 45 at.% Titan, 3,5 bis 4,5 at.% Niob, 0,75 bis 1,5 at.% Molybdän, sowie 0,05 bis 0,15 at.% Bor, Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, aufweisen.A material for a component produced according to the invention can, for example, have a composition in the range from 42 to 45 at.% Titanium, 3.5 to 4.5 at.% Niobium, 0.75 to 1.5 at.% Molybdenum, and 0.05 up to 0.15 at.% boron, balance aluminum and unavoidable impurities.

Zunächst wird das Material des Bauteils durch einen ersten isothermen Schmiedeschritt bei ca. 1200°C mit einem Umformgrad von ca. 0,6 geschmiedet.First, the material of the component is forged by a first isothermal forging step at approx. 1200 ° C with a degree of deformation of approx. 0.6.

Anschliessend wird das geschmiedete Material durch Luftkühlung auf Raumtemperatur abgekühlt und danach für 4 Stunden bei ca. 1150°C erwärmt, gefolgt von einem zweiten isothermen Schmiedeschritt bei ca. 1200°C auf (nahezu) Endkontur.The forged material is then cooled to room temperature by air cooling and then heated for 4 hours at approx. 1150 ° C, followed by a second isothermal forging step at approx. 1200 ° C to an (almost) final contour.

Das so hergestellte Bauteil kann in einer ersten Alternative einer (zweiten) Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der γ-Solvus-Temperatur (beispielsweise bei ca. 1290°C) für beispielsweise 20 bis 40 Minuten unterzogen werden.In a first alternative, the component produced in this way can be subjected to a (second) heat treatment at a temperature above the γ-solvus temperature (for example at approximately 1290 ° C.) for, for example, 20 to 40 minutes.

Danach wird das Bauteil schnell abgekühlt, beispielsweise durch Abkühlung mit einem Gebläse. Diese Gebläsekühlung erfolgt an Luft oder in einem Ofen, wobei die Temperatur auf unter 600°C gesenkt und dann auf ca. 850°C angehoben und für etwa 6 Stunden bei dieser Temperatur gehalten wird.The component is then quickly cooled, for example by cooling with a blower. This fan cooling takes place in air or in an oven, the temperature being lowered to below 600 ° C. and then raised to approx. 850 ° C. and kept at this temperature for about 6 hours.

Dadurch wird das bei der Temperatur der zweiten Wärmebehandlung, also bei einer Temperatur von etwa 1290°C, eingestellte γ-TiAl Gefüge weitgehend eingefroren.As a result, the γ-TiAl structure set at the temperature of the second heat treatment, that is to say at a temperature of approximately 1290 ° C., is largely frozen.

In einer zweiten Alternative für die zweite Wärmebehandlung wird das Bauteil unterhalb der γ-Solvus-Temperatur erwärmt. Beispielsweise wird das Bauteil bei ca. 1235°C für etwa eine Stunde erwärmt und anschließend abgekühlt (Gebläsekühlung). Bei der Gebläsekühlung wird die Temperatur auf unter 600°C gesenkt und dann auf ca. 850°C angehoben.In a second alternative for the second heat treatment, the component is heated below the γ-Solvus temperature. For example, the component is heated at approx. 1235 ° C for about an hour and then cooled (fan cooling). With fan cooling, the temperature is reduced to below 600 ° C and then raised to approx. 850 ° C.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für einen Fachmann klar, dass Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen, oder andersartige Kombinationen von Merkmalen realisiert werden können, ohne dass der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.Although the present invention has been described in detail using the exemplary embodiment, it is clear to a person skilled in the art that modifications are possible in such a way that individual features can be omitted, or other combinations of features can be realized without leaving the scope of the claims. In particular, the disclosure of the present invention includes all combinations of the individual features presented.

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl-Legierung durch zweistufiges isothermes Schmieden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) erstes isothermes Schmieden einer Bauteil-Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem ersten Gesamtumformungsgrad; (b) Zwischenglühen der geschmiedeten Vorstufe bei einer Temperatur im Bereich von 1130°C bis 1170°C für 1 bis 8 Stunden; (c) zweites isothermes Schmieden der zwischengeglühten Vorstufe bei einer Temperatur von mindestens 1180°C und mit einem zweiten Gesamtumformungsgrad, der niedriger ist als der erste Gesamtumformungsgrad. Method for producing a component from a TiAl alloy by two-stage isothermal forging, characterized in that the method comprises the following steps: (a) first isothermally forging a component precursor at a temperature of at least 1180 ° C. and with a first total degree of deformation; (b) intermediate annealing the forged precursor at a temperature in the range of 1130 ° C to 1170 ° C for 1 to 8 hours; (c) second isothermally forging the intermediate annealed precursor at a temperature of at least 1180 ° C and with a second total degree of deformation that is lower than the first total degree of deformation. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der TiAl-Legierung um eine TNM-Legierung handelt.A method according to claim 1, characterized in that the TiAl alloy is a TNM alloy. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (a) mindestens 1190°C, vorzugweise mindestens 1200°C, beträgt.Method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the temperature in step (a) is at least 1190 ° C, preferably at least 1200 ° C. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (c) mindestens 1190°C, vorzugweise mindestens 1200°C, beträgt.Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature in step (c) is at least 1190 ° C, preferably at least 1200 ° C. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformgrad in Schritt (a) mindestens 0,55, insbesondere mindestens 0,6, beträgt.Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the degree of deformation in step (a) is at least 0.55, in particular at least 0.6. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Schritt (b) im Bereich von 1135°C bis 1165°C, insbesondere im Bereich von 1140°C bis 1160°C, liegt.Process according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature in step (b) is in the range from 1135 ° C to 1165 ° C, in particular in the range from 1140 ° C to 1160 ° C. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) für mindestens 1,5 Stunden, insbesondere mindestens 2 Stunden und/oder nicht länger als 7,5 Stunden, insbesondere nicht länger als 7 Stunden, durchgeführt wird.Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that step (b) is carried out for at least 1.5 hours, in particular at least 2 hours and / or not longer than 7.5 hours, in particular not longer than 7 hours. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (c) mindestens eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt wird.Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that after step (c) at least one further heat treatment is carried out. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der γ-Solvus-Temperatur oder unterhalb der γ-Solvus-Temperatur der TiAl-Legierung durchgeführt wird.A method according to claim 8, characterized in that the further heat treatment is carried out at a temperature above the γ-Solvus temperature or below the γ-Solvus temperature of the TiAl alloy. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von γ-Solvus-Temperatur bis 30°C oberhalb der γ-Solvus-Temperatur, vorzugsweise von 2°C bis 25°C oberhalb der γ-Solvus-Temperatur, durchgeführt wird.A method according to claim 9, characterized in that the heat treatment at a temperature in the range from γ-Solvus temperature to 30 ° C above the γ-Solvus temperature, preferably from 2 ° C to 25 ° C above the γ-Solvus temperature , is carried out. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 10°C bis 50°C, vorzugsweise von 15°C bis 30°C, unterhalb der γ-Solvus-Temperatur durchgeführt wird.A method according to claim 9, characterized in that the heat treatment is carried out at a temperature of 10 ° C to 50 ° C, preferably from 15 ° C to 30 ° C, below the γ-Solvus temperature. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung für 20 bis 180 Minuten durchgeführt wird.Method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the heat treatment is carried out for 20 to 180 minutes. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Wärmebehandlung eine Abkühlung, vorzugsweise mit einer Abkühlrate von mindestens 100°C/Minute und nicht mehr als 500°C/Minute, anschliesst.Method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the heat treatment is followed by a cooling, preferably with a cooling rate of at least 100 ° C / minute and not more than 500 ° C / minute. Verfahren gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Abkühlung eine weitere Wärmebehandlung, vorzugsweise bei einer Temperatur von 800°C bis 950°C, anschliesst.A method according to claim 13, characterized in that the cooling is followed by a further heat treatment, preferably at a temperature of 800 ° C to 950 ° C. Bauteil, insbesondere Bauteil einer Strömungsmaschine, hergestellt nach dem Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14.Component, in particular component of a turbomachine, produced by the method according to any one of claims 1 to 14.
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