Verfahren zur Herstellung einer Titanlegierung und Verwendung einer Sprüheinrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ei­ner Ti-Legierung, wobei ein erschmolzener und gegebenen­falls verformter Vorformteil zur Einstellung eines Aus­gangsgefüges geglüht wird, durch eine erste Abkühlung ei­ne Gefügeumwandlung vorgenommen wird, wonach im Zuge ei­ner Warmverformung hohe Versetzungsdichte ausgebildet wird, worauf eine Rekristallisation durch eine Wärmebe­handlung erfolgt, wobei im Zuge einer folgenden Abkühlung ein größtenteils martensitischer Zerfall erreicht wird, wobei in einem folgenden Glühvorgang eine Gefügeumwand­lung erfolgt und wobei im Verlauf eines abschließenden Abschreckens ein feinkörniges Gefüge eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zumindest die erste Abkühlung durch Besprühen des Vorformteiles mit Wasser und/oder Wasser-Luftgemischen vorgenommen wird. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Sprüheinrich­tung zur Durchführung des genannten Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von α + β Ti-Legierungen bzw. ein Vorformmaterial bzw. einen Vorformteil mit beispielsweise einem Gehalt von etwa 6 Gew.-% Al, etwa 4 Gew.-% V und den herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei die erschmolzene Legierung bzw. das Vormaterial bzw. der Vorformteil gegebenenfalls nach einer Vorverformung, z.B. Schmieden, zur Einstellung ei­nes Verformungsgefüges mit einer lamellaren Matrix aus α + β -Phase bei einer Temperatur von 1040 bis 1060°C zur Einstellung der β -Phase geglüht wird, wobei durch eine erste Abkühlung eine Gefügeumwandlung in feinlamellares α + β -Gefüge oder α′-Gefüge (feinstes α + β -Gefüge) vorgenommen wird, wonach im Zuge einer Warmverformung im Ausmaß von mindestens 60 % Verformungsgrad bei etwa 850 bis 960°C bzw. einer Temperatur von etwa 30 bis 50°C un­terhalb der Umwandlungs- bzw. Transitus- bzw. Transus­temperatur der Legierung, gegebenenfalls von 980 bis 1000°C, eine hohe Versetzungsdichte ausgebildet wird, worauf, gegebenenfalls nach einer weiteren Abkühlung, eine kontrollierte Rekristallisation bzw. Gefügeeinstel­lung durch eine Wärmebehandlung bei etwa 950°C erfolgt und eine β -Matrix mit fein verteilter globulitischer α -Phase im Verhältnis von etwa 50 : 50 Prozent einge­stellt wird,wobei im Zuge einer folgenden Abkühlung ein weitgehend martensitischer Zerfall der β-Matrix erreicht wird, wobei in einem folgenden Glühvorgang die martensi­tische Matrix in eine lamellare α + β -Phase übergeführt wird.

[0002] Bei diesem bekannten Verfahren kommt es insbesondere darauf an, daß das erste Abschrecken nach dem Glühen, mit dem der Ausgangszustand ( α -Phase in α + β -Matrix) von der β -Phase entsprechend rasch und geführt vorgenommen wird, um eine möglichst gleichmäßige und feinkristalline Gefügestruktur in Form von martensitischem α′-Gefüge und/oder in Form einer feinlamellaren α + β-Phase zu er­reichen und Wärmespannungen, die zu Rissen führen, zu vermeiden. Bisher konnte ein optimales Gefüge in riß­freien Teilen aufgrund nicht entsprechender Abschreckbe­dingungen gerade in dieser wichtigen Abschreckphase, ins­besondere bei großen Querschnitten, nicht erreicht wer­den.

[0003] Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgesehen, daß insbesondere zur Erzielung einer einstellbaren, hohen Abkühlungsge­schwindigkeit und einer raschen gleichmäßigen Temperatur­abnahme über der gesamten Oberfläche des Vorformteiles zur Vermeidung von Spannungen und Rißbildung, zumindest die erste Abkühlung gegebenenfalls auch wenigstens einer der weiteren Abkühlschritte durch Besprühen des Vorform­teiles mit Wasser gegebenenfalls mit Preßluftbeimengung vorgenommen wird. Bevorzugt ist es, wenn beim Absprühen darauf geachtet wird, daß während des Absprühvorganges kein Oberflächenbereich des abzukühlenden Vorformteiles länger als 1 Sekunde unbesprüht bleibt. Durch das Ab­sprühen wird auf der gesamten Oberfläche eine gleichmä­ßige, regelbare Abkühlung mit großer Abkühlungsgeschwin­digkeit erreicht. Unregelmäßigkeiten aufgrund von Dampf­blasen (Leidenfrost-Phänomen), die bei einem durch Ein­tauchen erfolgenden Abkühlen auftreten, werden vermieden. Durch die über die gleichmäßig über die Oberfläche er­folgende Temperaturabnahme werden Wärmespannungsrisse vermieden. Aufgrund der hohen aber steuerbaren Abküh­ lungsgeschwindigkeit kann eine optimale Gefügeumwandlung bzw. -einstellung erreicht werden. Diese Tendenz wird dadurch unterstützt, daß das Gefüge des Materials von seiner abgekühlten Oberfläche aus bedingt durch die Kon­traktion des intensiven Abkühlvorganges und gleichmäßigen unter großen sich gleichmäßig verteilenden Druck gesetzt wird, der die Gefügeausbildung in richtung der Ausbildung eines feinen Kornes unterstützt. Zur gleichmäßigen und raschen Abkühlung trägt auch bei, daß kein Bereich der Oberfläche länger als 1 Sekunde unbesprüht bleibt. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das vorzugsweise stangenförmige Vormaterial während des Absprühens mit 1 bis 20, vorzugs­weise 4 bis 10, Umdrehungen pro Minute vor den Wasser­strahlen rotiert wird.

[0004] Zur Verbesserung der gewünschten Gefügeeinstellung kann es vorteilhaft sein, wenn der Absprühvorgang intermit­tierend durchgeführt wird und die Zeitdauer der Unter­brechungen in Abhängigkeit von der Rück-Wärmung gewählt wird. Bevorzugt ist es, wenn durch Regelung des Wasser­druckes und/oder der Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Zeitdauer des gegebenenfalls intermittierend geführ­ten Absprühvorganges die Abkühlungsgeschwindigkeit ein­gestellt wird.

[0005] Zweckmäßigerweise wird zur Durchführung des Verfahrens eine Sprüheinrichtung verwendet, die eine Anzahl, vor­zugsweise mindestens drei, Spritzleisten aufweist, die vorzugsweise symmetrisch um den Aufnahmeraum für den ab­zusprühenden Vorformteil angeordnet sind, und gegebenen­falls eine Einrichtung zur Rotation des vorzugsweise stangenförmigen Vorformteiles vorbei an den Spritzlei­sten, umfaßt. Derartige Einrichtungen sind an sich be­ kannt, haben sich aber als ganz besonders gut geeignet erwiesen, die für ein optimales Gefüge erforderlichen Ab­kühlungsbedingungen für die erwähnte Titanbasis-Legierung zu erreichen bzw. einzustellen.

[0006] Auch die weiteren im Zuge der Herstellung der Legierung vorzunehmenden Abkühlungsschritte sind mit der erfin­dungsgemäß verwendeten Sprüheinrichtung leichter be­herrschbar und hinsichtlich der Gefügeeinstellung opti­mierbar. Es ist somit möglich, einen, mehrere oder alle weiteren Abkühlungsschritte mit einer Sprüheinrichtung durchzuführen. Gerade bei dieser Legierung ist eine ex­akte Führung der Abkühlung von besonderer Bedeutung.

[0007] Das erfindungsgemäß erreichte Gefüge besitzt eine gleich­mäßige Kornverteilung mit Körnern < 10 µ Durchmesser und die Phasenanteile an α -Phase und lamellar verteilter β -Phase liegen gleichmäßig über das Material verteilt, gegebenenfalls im Verhältnis von etwa 50 : 50 vor.

[0008] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können strukturell verbesserte Vormaterialien z.B. für Turbinenschaufeln, Zellen für Luft- und Raumfahrzeuge, Schrauben, Bolzen, insbesondere auf Ermüdung beanspruchte Bauteile, usw. hergestellt werden.

[0009] Mit der erfindungsgemäßen Vorgangsweise ist es möglich, bei gegenüber herkömmlichen Abmessungen vergrößerte Ab­messungen besitzenden Vormaterialien die gewünschte Ge­fügestruktur zu erzielen, da aufgrund der erzielbaren höheren Abkühlungsgeschwindigkeit und allenfalls genauer Einregelung z.B. größeren Durchmesser aufweisende Vor­formteile gezielt behandelt werden können.

[0010] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von erfin­dungsgemäß einsetzbaren Sprühvorrichtungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Sprühdüse,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erste Aus­führungsform,

Fig. 3 und 4 eine Draufsicht und einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform,

Fig. 5 und 6 mögliche Anordnungen von Sprüh­düse in Sprühanlagen.

[0011] In Fig. 1 ist eine Sprühdüse 1 bekannter Bauart darge­stellt, mit der Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, mit kegeligem Strahl auf den abzukühlenden Vorformteil ge­spritzt wird. Mit zugeführter Luft mit einem regelbaren Druck von z.B. bis 5 bar wird die Geschwindigkeit und ge­gebenenfalls die Verteilung der Wasserteilchen, die mit einem Druck von bis zu 5 bar ausgesprüht werden, erhöht bzw. die Geschwindigkeit kann damit eingeregelt bzw. er­höht werden. Die Düse ermöglicht in einem Abstand L das Besprühen einer Fläche mit einer definierten Abmessung D. Der Abstand Düse-Vorformteil wird entsprechend einge­stellt, sodaß ein von den Abmessungen des Vorformteiles abhängiger Oberflächenbereich mit entsprechendem Druck besprüht werden kann.

[0012] Fig. 2 zeigt einen zylindrischen Vorormteil 2, der zen­trisch zu drei Düsen 1, bzw. zu horizontalen Spritzlei­sten 4 ähnlich Fig. 3 zusammengefaßten Düsen 1 angeordnet ist und auf Rollen 3 rotiert wird. Die Strahlen des Kühl­mediums treffen entsprechende Mantelflächenbereiche des Vorformteiles 2; durch Einstellung des Sprühwinkels und/­oder der Rotationsgeschwindigkeit kann der Abkühlvorgang geregelt werden.

[0013] Fig. 3 zeigt eine vertikal angeordnete Spritzleiste 4 mit einer Anzahl von Düsen 1, deren Abstand in Bezug auf den zylindrischen Vorformteil 2 händisch oder maschinell ver­änderbar ist. Entsprechend Fig. 4 sind drei Spritzleisten 4 um den Vorformteil angeordnet. Der Vorformteil 2 hängt von einer Trageinrichtung 5 ab, von der er rotiert wird, sodaß die gesamte Mantelfläche abgesprüht wird. Mit 6 ist eine Einrichtung zur Regelung der Menge und des Druckes der Spritzflüssigkeit und der Preßluft, mit 7 eine Ver­stelleinrichtung für die Spritzleiste und mit 8 eine Re­geleinrichtung für die Rotationsgeschwindigkeit bezeich­net. Die einzelnen Einrichtungen sind nur angedeutet.

[0014] Fig. 5 und 6 zeigen die Anordnung von drei bzw. vier Spritzleisten 4 zur Abkühlung eines Vorformteiles 2 mit quadratischem Querschnitt. Auch hier erfolgt eine An­passung der Sprühparameter an die Form des Vorformteiles und die gewünschten Abkühlungsparameter, wobei die Rota­tion des Materials, welches Vierkantquerschnitt aufweist, bei 4-Düsenbeaufschlagung (Fig. 6) unterbleiben kann.

[0015] Bei geformten Vorformteilen können die Sprühparameter einzelner Düsen der Spritzleisten an die Längsform des Vorformteiles angepaßt werden, sodaß z.B. Bereiche ge­ringen Durchmessers weniger besprüht werden, um die Ab­kühlungsgeschwindigkeit in diesen Bereichen an diejenige mit größerem Durchmesser anzupassen. Auch die Durchführung eines gesteuerten intermittierenden Absprühens ermöglicht eine Anpassung der Sprüheinrichtung an verschiedene Vor­formteile.

[0016] In einem Versuch wurde eine Legierung der Zusammensetzung 6,03 Gew.% Al, 4,03 Gew.-% V, 0,012 Gew.-% C, 74 ppm H, 0,024 Gew.-% N, 0,14 Gew.-% 0, 0,14 Gew.-% Verunreini­gungen, Rest Ti erschmolzen und entsprechend dem erfin­dungsgemäßen Verfahren Formteile hergestellt. Ver­gleichsversuche mit Formteilen, die durch Eintauchen in Wasser abgeschreckt wurden, ergaben, daß erfindungsge­mäße Formteile mit gegenüber den durch Eintauchen wasser­abgeschreckten Formteilen bei doppeltem Durchmesser noch immer ein feineres Gefüge und entsprechend bessere Kenn­daten bzw. Prüfwerte als diese besaßen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von α + β Ti-Legierungen bzw. Vorformmaterial bzw. Vorformteil mit beispielsweise einem Gehalt von etwa 6 Gew.-% Al, etwa 4 Gew.-% V und den herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei die er­schmolzene Legierung bzw. das Vormaterial bzw. der Vor­formteil gegebenenfalls nach einer Vorverformung , z.B. Schmieden, zur Einstellung eines Verformungsgefüges mit einer lamellaren Matrix aus α + β -Phase bei einer Tem­peratur von 1040 bis 1060°C zur Einstellung der β -Phase geglüht wird, wobei durch eine erste Abkühlung eine Ge­fügeumwandlung in feinlamellares α + β -Gefüge oder α ′-­Gefüge (feinstesα + β -Gefüge) vorgenommen wird, wonach im Zuge einer Warmverformung im Ausmaß von mindestens 60 % Verformungsgrad bei etwa 850 bis 960°C bzw. einer Tem­peratur von etwa 30 bis 50°C unterhalb der Umwandlungs-­Transitus- bzw. Transustemperatur der Legierung, gege­benenfalls von 980 bis 1000°C, eine hohe Versetzungs­dichte ausgebildet wird, worauf, gegebenenfalls nach ei­ner weiteren Abkühlung, eine kontrollierte Rekristallisa­tion bzw. Gefügeeinstellung durch eine Wärmebehandlung bei etwa 950°C erfolgt und eine β -Matrix mit fein ver­teilter globulitischer α -Phase eingestellt wird, wobei im Zuge einer folgenden Abkühlung ein weitgehend marten­sitischer Zerfall der β -Matrix erreicht wird, wobei in einem folgenden Glühvorgang die martensitische Matrix in eine lamellare α + β -Phase übergeführt wird, dadurch ge­kennzeichnet, daß insbesondere zur Erzielung einer ein­stellbaren, hohen Abkühlungsgeschwindigkeit und einer raschen gleichmäßigen Temperaturabnahme über die gesamte Oberfläche des Vorformteiles zur Vermeidung von Spannun­gen und Rißbildung zumindest die erste Abkühlung gege­ benenfalls auch wenigstens einer der weiteren Abkühl­schritte durch Besprühen des Vorformteiles mit Wasser­strahlen und/oder Wasser-Luft-Gemischen vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Absprühen darauf geachtet wird, daß während des Ab­sprühvorganges kein Oberflächenbereich des abzukühlenden Vorformteiles länger als 1 Sekunde unbesprüht bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, daß das vorzugsweise stangenförmige Vormaterial während des Absprühens mit 1 bis 20, vorzugsweise 4 bis 10, Umdrehungen pro Minute vor den Wasserstrahlen bzw. Wasser-Luft-Strahlen rotiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absprühvorgang intermittierend durchgeführt wird und die Zeitdauer der Unterbrechungen in Abhängigkeit von der Rück-Wärmung gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Regelung des Wasserdruckes und/­oder der Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Zeitdauer des gegebenenfalls intermittierend geführten Absprühvor­ganges die Abkühlgeschwindigkeit eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei eckigen Querschnitt besitzenden Vorformteilen jeder Fläche eine Spritzleiste zugeordnet wird, mit der die jeweilige Fläche zur Gänze bzw. voll­ständig besprüht wird. (Fig. 6)

7. Verwendung einer Sprüheinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Verwendung einer Sprüheinrichtung, die eine Anzahl, vorzugsweise mindestens drei, Spritzleisten aufweist, die vorzugsweise symmetrisch um den Aufnahmeraum für den ab­zuspritzenden Vorformteil angeordnet sind, und gegebenen­falls eine Einrichtung zur Rotation des vorzugsweise stangenförmigen Vorformteiles vorbei an den Spritzleisten umfaßt, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Zeichnung