VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES LAUFRADS EINES ABGASTURBOLADERS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Laufrads eines Abgasturboladers aus einer TiAl-Legierung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine TiAl-Legierung.

[0002] TiAl-Legierungen weisen eine geringe Dichte von etwa 4 g/cm³ und gute spezifische Hochtemperatureigenschaften auf. Ihr Einsatz als Werkstoff des Laufrads des Abgasturboladers führt im Vergleich zu bekannten Nickel-Basislegierungen zu einem signifikant verbesserten Ansprechverhalten des Abgasturboladers und bietet zudem ein hohes Potential in Bezug auf Downsizing beziehungsweise Downspeeding. Das Laufrad des Abgasturboladers wird bei Diesel- beziehungsweise Otto-Brennkraftmaschinen mit Abgastemperaturen von bis zu 1.050 °C und Drehzahlen von bis etwa 220.000 U/min beaufschlagt. Dabei unterliegt es gleichzeitig hohen mechanischen und thermischen Wechselbelastungen. Daraus resultieren Kriechbelastungen, TMF-, HCF- und/oder LCF-Ermüdungsbeanspruchungen, welchen der Werkstoff, also die TiAl-Legierung, standhalten muss. Des Weiteren muss sie auch bei den vorstehend genannten hohen Abgastemperaturen eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit aufweisen und Erosionsangriffen widerstehen können.

[0003] Um das Potential für die Reduzierung der Masse des Laufrads und mithin des Massenträgheitsmoments durch den Einsatz der TiAl-Legierung vollständig ausnutzen zu können, dürfen keine Abstriche hinsichtlich der geometrischen Komplexität sowie der Flügelanzahl des Laufrads gemacht werden. Es müssen identische oder kleinere Wandstärken und identische oder stärkere Verschränkungen der Flügel des Laufrads realisierbar sein, wie bei Laufrädern, die aus der Nickel-Basislegierung mit bekannten Verfahren hergestellt sind. Bei bekannten Laufrädern aus TiAl-Legierungen kann jedoch nicht das volle Potential einer solchen Legierung ausgenutzt werden, weil sie eine geringere Fließfähigkeit aufweist als die Nickel-Basislegierung. Insbesondere sind lediglich einfache Geometrien mit Flügelwandstärken des Laufrads von 1 mm oder größer realisierbar. Auch weisen die verwendeten TiAl-Legierungen eine vergleichsweise geringe Kriechbeständigkeit beziehungsweise Lebensdauer auf und können bei Abgastemperaturen von 950 °C oder mehr, insbesondere 980 °C oder mehr oder 1.000 °C oder mehr nicht eingesetzt werden.

[0004] Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise die Druckschriften WO 2011/048423 A1, US 2004/0040690 A1, WO 2008/049442 A1, EP 0 992 305 A1, DE 10 2010 042 889 A1, DE 10 2004 056 582 A1, die Veröffentlichung "Evaluation of ingots and alpha-extrusions of gamma alloys based on Ti-45Al-6Nb" von T. Carneiro und Y-W. Kim aus Intermetallics 13 (2005) 1000-1007, JP H03-193837 A, DE 40 22 403 A1 sowie DE 10 2007 020 638 A1 bekannt.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Laufrads eines Abgasturboladers aus einer TiAl-Legierung vorzustellen, mit welcher diese Nachteile vermieden werden können.

[0006] Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die TiAl-Legierung neben Titan ausschließlich die folgenden Bestandteile aufweist: Aluminium mit einem Anteil von 43,7 at.-% bis 47,5 at.-%; Niob mit einem Anteil zwischen 3 at.-% und 5 at.-%; Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,3 at.-% bis 0,6 at.-%; und sonstige mit einem Anteil von höchstens 2,0 at.-%, und dass das Laufrad durch Schleudergießen der Legierung ausgebildet wird, wobei eine für das Schleudergießen verwendete Gussform vor dem Einbringen der Legierung in die Gussform auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C aufgeheizt wird, und wobei die Gussform während des Schleudergießens um eine von ihr beabstandete Rotationsachse mit einer Winkelbeschleunigung in einem Beschleunigungszeitraum auf eine Drehzahl beschleunigt wird, sobald die Legierung die Gießtemperatur erreicht hat, wobei eine Drehachse des hergestellten Laufrads auf der Rotationsachse senkrecht steht.

[0007] Grundsätzlich soll die Legierung einen Anteil von wenigstens 1,9 at.-% Niob aufweisen und das Laufrad durch Schleudergießen der Legierung ausgebildet werden. Das Beimengen von Niob mit dem angegebenen Stoffmengenanteil führt zu einer hohen Kriechbeständigkeit, insbesondere auch bei hohen Temperaturen von mindestens 950 °C, mindestens 980 °C oder mindestens 1.000 °C. Gleichzeitig führt er jedoch zu verschlechterten Gießeigenschaften, insbesondere einer weiter verschlechterten Fließfähigkeit, sodass ein Verarbeiten der TiAl-Legierung mit dem üblichen Differenzdruckgießen nicht möglich ist. Vorzugsweise beträgt der Niob-Anteil wenigstens 2 at.-%, wenigstens 2,5 at.-%, wenigstens 3 at.-%, wenigstens 3,5 at.-%, wenigstens 4 at.-%, wenigstens 5 at.-%, wenigstens 6 at.-%, wenigstens 7 at.-% oder wenigstens 8 at.-%. Weiter bevorzugt beträgt der Niob-Anteil höchstens 8,7 at.-%. Besonders bevorzugt liegt der Niob-Anteil zwischen 3 at.-% und 5 at.-%, insbesondere zwischen 3,5 at.-% und 4,5 at.-%, weiter bevorzugt bei genau 4 at.-%.

[0008] Überraschend wurde jedoch festgestellt, dass durch den Einsatz des Schleudergießens trotz der Beimengung von Niob auch feine beziehungsweise komplexe Strukturen des Laufrads, beispielsweise eine geringe Flügelwandstärke, realisiert werden kann. Bei dem Schleudergießen wird eine dazu verwendete Gussform in eine Rotationsbewegung versetzt und dabei die Legierung in die Gussform eingebracht. Wegen der aufgrund der Rotationsbewegung auf die Legierung wirkenden Trägheitskräfte wird eine besonders bevorzugte Struktur der erstarrten Legierung, insbesondere auf der einer Rotationsachse der Gussform abgewandten Seite des ausgebildeten Laufrads erzielt. Unter der Struktur ist insbesondere eine Mikrostruktur und die Oberfläche des Laufrads zu verstehen. Das hergestellte Laufrad weist, insbesondere an den genannten Stellen, einen hohen Reinheitsgrad, weniger Poren, weniger Lunker, weniger Kaltläufe und weniger unerwünschte Oberflächenreaktionen mit der Formschale beziehungsweise Gussform auf. Dies führt zu einer geringen Rauheit der Laufradoberfläche und/oder zu einer deutlich verbesserten Festigkeit, insbesondere Kriechfestigkeit. Bedingt durch die Rotationsbewegung wird aufgrund der Trägheitskräfte ein hoher Gießdruck erzeugt, mit welchem die Legierung in die Gussform gedrängt wird. Entsprechend sind auch komplexe Strukturen und geringe Flügelwandstärken ohne Weiteres erzielbar. Die erwähnten Trägheitskräfte sind beispielsweise Zentrifugalkräfte und/oder die Corioliskraft.

[0009] Das Schleudergießen wird derart durchgeführt, dass die Gussform von der Rotationsachse in radialer Richtung (bezogen auf die Rotationsachse) beabstandet ist. Das bedeutet also, dass nicht etwa die Gussform um eine spätere Drehachse des hergestellten Laufrads rotiert, sondern dass vielmehr diese Drehachse beispielsweise auf der Rotationsachse senkrecht steht. Durch eine entsprechende Wahl des Abstands zwischen der Rotationsachse und der Gussform können mithin die auf die Legierung beziehungsweise das auszubildende Laufrad wirkenden Trägheitskräfte beeinflusst werden. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens können Laufräder hergestellt werden, die wenigstens bereichsweise, insbesondere im Bereich der Flügel, sehr geringe Wandstärken, beispielsweise von höchstens 0,5 mm, aufweisen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine für das Schleudergießen verwendete Gussform vor dem Einbringen der Legierung in die Gussform auf eine Temperatur von 400 °C bis 900 °C aufgeheizt wird. In dem genannten Temperaturbereich zwischen 400 °C und 900 °C (diese Werte jeweils einschließend) sind für eine ausgewählte, erstarrte TiAl-Legierung die Lamellenabstände und die Koloniegrößen nahezu konstant. In diesem Bereich werden also nahezu konstante Gefügestrukturen mit nahezu identischen Eigenschaften erzielt. Besonders bevorzugt wird die Temperatur - die auch als Gussformtemperatur bezeichnet werden kann - aus einem Bereich von 500 °C bis 800 °C, insbesondere zwischen 600 °C und 700 °C, ausgewählt. Die Gussform soll vollständig auf die gewählte Temperatur aufgeheizt werden, bevor die Legierung in sie eingebracht wird.

[0010] Üblicherweise wird die Legierung bei ihrem Einbringen eine Temperatur beziehungsweise Gießtemperatur aufweisen, welche größer ist als die Temperatur der Gussform. Insoweit liegt zwischen der Temperatur der Legierung und der Temperatur der Gussform eine große Differenz beziehungsweise ein großer Temperaturgradient im Bereich einer mit der Legierung in Kontakt stehenden Innenwandung der Gussform vor. Eine solche große Differenz wird benötigt, um auch in dünnwandigen Elementen des Laufrads, insbesondere seinen Flügeln, eine gerichtete Erstarrung der Legierung zu erzielen. Voraussetzung dafür ist neben der vollständigen Füllung der Gussform eine unterperitektisch erstarrende TiAl-Legierung. Sind diese Bedingungen erfüllt, orientieren sich die Lamellenkolonien beziehungsweise die Lamellen während der Erstarrung deutlich in Richtung des Temperaturgradienten beziehungsweise der Flügelwandstärke, also in Normalenrichtung zu einer Oberfläche der Flügel.

[0011] Weil im Betrieb des Laufrads die dabei entstehenden Trägheitskräfte ebenfalls senkrecht zu der Flügelwandstärke beziehungsweise zu den Lamellenkolonien wirken, führt die beschriebene Ausrichtung der Kolonien zu einer zusätzlich verbesserten Kriechbeständigkeit. Auch führt die durch die große Temperaturdifferenz erfolgende schnelle Erstarrung zu einer ausgeprägten Zwangslösung des in der TiAl-Legierung bevorzugt enthaltenen Kohlenstoffs. Dieser gelöste Kohlenstoff wird bei Beanspruchung, insbesondere während eines Betriebs des Abgasturboladers, in Form von Karbiden ausgeschieden, die als Hindernisse für Versetzungsbewegungen wirken und die auftretende Kriechverformung minimieren. Somit wird eine deutliche Verbesserung der Struktur des Laufrads erzielt. Somit kann die Legierung eine Menge an Kohlenstoff aufweisen, die normalerweise nachteilig wäre. Insbesondere ist ein Anteil von Kohlenstoff an der Legierung von 0,2 at.-% bis 0,6 at.-%, insbesondere mindestens 0,3 at.-%, mindestens 0,4 at.-% oder mindestens 0,5 at.-%, vorgesehen.

[0012] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Legierung mit einer Gießtemperatur, die eine Überhitzung von 40 K bis 150 K bezogen auf die Liquidustemperatur der Legierung aufweist, in die Gussform eingebracht wird. Das bedeutet, dass die Gießtemperatur um den Betrag der Überhitzung größer ist als die Liquidustemperatur. Insbesondere soll die Gießtemperatur derart gewählt werden, dass sie eine Überhitzung aus dem Bereich zwischen 42 K und 142 K (diese Werte jeweils einschließend) aufweist. Bevorzugt beträgt die Überhitzung mindestens 92 K, insbesondere genau 92 K. Eine Variation der Überhitzung in dem genannten Bereich von 40 K bis 150 K führt lediglich zu einer geringen Veränderung des über die Oberfläche des Laufrads abgegebenen Wärmestroms. Der Einfluss der Temperatur der Gussform überwiegt daher den Einfluss der Gießtemperatur in Bezug auf den von der Legierung an die Gussform abgegebenen Wärmestrom.

[0013] Insgesamt führen die Temperaturen in dem genannten Bereich daher nur zu einer geringen Veränderung der Erstarrungszeit der Legierung. Innerhalb des genannten Temperaturbereichs liegt die Erstarrungszeit innerhalb eines optimalen Erstarrungszeitbereichs. Insoweit werden die vorstehend beschriebenen überlegenen Eigenschaften mit einer solchen Gießtemperatur erzielt. Um eine vollständige Formfüllung der Gussform mit der Legierung auch bei Laufrädern mit Wandstärken von höchstens 0,5 mm, insbesondere an einer Flügelspitze des Laufrads, zu erzielen, wird bevorzugt die Überhitzung von mindestens 92 K verwendet.

[0014] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Gussform während des Schleudergießens um eine von ihr beabstandete Rotationsachse mit einer bestimmten Winkelbeschleunigung in einem bestimmten Beschleunigungszeitraum auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt wird, sobald die Legierung die Gießtemperatur erreicht hat. Um das Schleudergießen durchzuführen, wird also die Gussform um die Rotationsachse in Drehbewegung versetzt. Wie bereits vorstehend beschrieben, ist dabei die Gussform von der Rotationsachse beabstandet. Die Beschleunigung erfolgt mit der bestimmten Winkelbeschleunigung, wobei die Gussform innerhalb des bestimmten Beschleunigungszeitraums auf die bestimmte Drehzahl gebracht wird. Bevorzugt wird die Beschleunigung erst dann eingeleitet, wenn die Legierung ihre Gießtemperatur erreicht hat. Zuvor kann es vorgesehen sein, dass die Gussform still steht. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die Legierung bedingt durch die Rotationsbewegung in die Gussform gedrängt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Einfluss der Trägheitskraft ausreichend ist, um die Legierung aus einem Vorratsbehälter, in welchem sie zuvor auf die Gießtemperatur erwärmt wurde, herauszufördern und mit einem bestimmten Gießdruck in die Gussform einzubringen.

[0015] Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Winkelbeschleunigung zwischen 1 rad/s² bis 100 rad/s' insbesondere von 1 rad/s² bis 10 rad/s² oder von 10 rad/s² bis 100 rad/s² beträgt. Für eine vollständige Füllung der Gussform ist es von Vorteil, wenn der Füllvorgang vor beziehungsweise mit dem Beenden des Beschleunigens abgeschlossen ist. Aus diesem Grund ist besonders bevorzugt eine Winkelbeschleunigung zu wählen, die zu einer möglichst kurzen Fülldauer führt. Eine hohe Winkelgeschwindigkeit führt jedoch gleichzeitig zu einem schnellen Erreichen der bestimmten Drehzahl beziehungsweise einer Enddrehzahl, ab welcher die Gussform nicht weiter beschleunigt wird. Beispielsweise ist die Winkelbeschleunigung größer als 1 rad/s² und kleiner als 100 rad/s² insbesondere größer als 1 rad/s² und kleiner als 10 rad/s² oder größer als 10 rad/ s² und kleiner als 100 rad/s². Die genannten Werte können jedoch auch von dem von ihnen begrenzten Wertebereich jeweils eingeschlossen sein.

[0016] Ab dem Erreichen der Enddrehzahl verringert sich jedoch der Massenstrom der in die Gussform eingebrachten Legierung signifikant und führt zudem zu einem geringeren Fülldruck, insbesondere wenn die Formfüllung zu diesem Zeitpunkt nicht bereits abgeschlossen ist. Dies kann zu einer erhöhten Anzahl an Gießfehlern führen. Eine Erhöhung der Enddrehzahl hat lediglich einen geringen Einfluss auf den Massenstrom beziehungsweise die erreichte Formfüllung, wenn die Formfüllung vor Erreichen der bestimmten Drehzahl abgeschlossen ist. Die Enddrehzahl bestimmt jedoch zusammen mit dem Abstand der Gussform zu der Rotationsachse den Gießdruck. Weil also eine zu geringe Enddrehzahl von Nachteil ist, wird vorzugsweise gemäß den nachfolgenden Ausführungen eine vergleichsweise hohe Enddrehzahl gewählt. Unter der Formfüllung ist insbesondere der Anteil der Gussform zu verstehen, der bereits mit der Legierung gefüllt ist.

[0017] Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Beschleunigungszeitraum eine Länge zwischen 0,05 s und 2,0 s, insbesondere von 0,5 s bis 2,0 s, aufweist. Der Beschleunigungszeitraum wird insbesondere derart gewählt, dass unter Verwendung der gewählten Winkelbeschleunigung die gewählte Drehzahl erreicht wird. Wie bereits vorstehend ausgeführt, sollte der Beschleunigungszeitraum, welcher sich aus diesen Parametern ergibt, derart lang sein, dass der Gießvorgang mit dem Ende des Beschleunigungszeitraums vollständig beendet, die Gussform also vollständig gefüllt ist.

[0018] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Drehzahl zwischen 100 U/min und 500 U/min beträgt. Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist eine zu geringe Drehzahl nachteilig für den Gießdruck, weil diese zusammen mit dem Abstand zwischen der Rotationsachse und der Gussform maßgeblich für ihn ist. Aus diesem Grund soll die Drehzahl aus dem genannten Bereich zwischen 100 U/min und 500 U/min (diese Werte jeweils einschließend) gewählt werden.

[0019] Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen der Gussform, insbesondere einem geometrischen Schwerpunkt der Gussform, und der Rotationsachse zwischen 200 mm und 1500 mm beträgt. Mit einem derartigen Abstand wird, insbesondere unter Verwendung einer Drehzahl aus dem vorstehend genannten Drehzahlbereich, ein Gießdruck erreicht, der zu einer vollständigen Formfüllung der Gussform und/oder zu einer besonders vorteilhaften Gefügestruktur des hergestellten Laufrads führt und/oder das Erreichen einer besonders geringen Flügelwandstärke von 1 mm oder weniger, insbesondere 0,5 mm oder weniger, ermöglicht. Unter dem Abstand zwischen der Gussform kann der Abstand zwischen einem in radialer Richtung am weitesten innen liegenden Punkt der Gussform oder einem in radialer Richtung am weitesten außen liegenden Punkt der Gussform einerseits und der Rotationsachse andererseits verstanden werden. Besonders bevorzugt ist jedoch der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt der Gussform und der Rotationsachse gemeint. Unter der Gussform ist beispielsweise die Bauteilkavität zu verstehen, in welcher das Laufrad ausgebildet wird.

[0020] Es kann vorgesehen sein, dass die Winkelbeschleunigung derart gewählt wird, dass sie größer ist als das Ergebnis der Division einer Größe zwischen 100 mm²/s² und 300.000 mm²/s², insbesondere einer Größe von 100 mm²/s² bis 1.000 mm²/s², sowie dem Produkt aus einer Flügelwandstärke des Laufrads und dem Abstand der Gussform von der Rotationsachse. Unter der Flügelwandstärke des Laufrads ist dabei beispielsweise eine minimale Flügelwandstärke oder alternativ eine maximale oder eine durchschnittliche Flügelwandstärke des Laufrads zu verstehen. Die Winkelbeschleunigung wird in rad/s² angegeben. Bevorzugt wird sie größer gewählt als das Divisionsergebnis einer Zahl zwischen 100 und 300.000 (diese Werte jeweils eingeschlossen), insbesondere einer Zahl von 100 bis 1.000, und dem Produkt aus der Flügelwandstärke in Millimetern und dem Abstand der Gussform von der Rotationsachse in Millimetern.

[0021] Zudem kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl derart gewählt wird, dass sie größer ist als das Produkt aus einer Größe zwischen 0,04 1/min und 50 1/min sowie dem Quotienten aus dem Abstand der Gussform von der Rotationsachse und der Flügelwandstärke des Laufrads. Die beiden letztgenannten Größen sind bevorzugt gemäß den vorstehenden Ausführungen definiert. Die Drehzahl beziehungsweise die Enddrehzahl - in der Einheit Umdrehungen pro Minute - ist nun beispielsweise größer als das Produkt aus einer Zahl zwischen 0,4 und 500 (diese Werte jeweils eingeschlossen) und dem Quotienten aus dem Abstand der Gussform von der Rotationsachse in Zentimetern und der Flügelwandstärke des Laufrads, insbesondere der mittleren Flügelwandstärke des Laufrads, in Millimetern.

[0022] Auch kann vorgesehen sein, dass die Länge des Beschleunigungszeitraums derart gewählt wird, dass sie höchstens dem Produkt aus einer Größe zwischen 0,1 s/mm und 20 s/mm sowie der Flügelwandstärke des Laufrads entspricht. Die Länge des Beschleunigungssollzeitraums soll also in Sekunden ausgedrückt höchstens dem Produkt aus einer Zahl von 0,1 bis 20 und der Flügelwandstärke in Millimetern entsprechen. Besonders bevorzugt entspricht die Länge des Beschleunigungszeitraums der Fülldauer der Gussform. Jedenfalls soll die Länge des Beschleunigungszeitraums mindestens der Fülldauer entsprechen.

[0023] Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen der Gussform und der Rotationsachse derart gewählt wird, dass er größer oder gleich dem Produkt aus einer Zahl zwischen 100 bis 5.000 und der Flügelwandstärke des Laufrads ist. In Zentimetern ausgedrückt ist also der Abstand zwischen der Gussform und der Rotationsachse größer oder gleich dem Produkt aus der Zahl von 10 bis 500 (diese Zahlen jeweils eingeschlossen) und der Flügelwandstärke des Laufrads in Millimetern.

[0024] Vorzugsweise wird die Gussform vor dem Einbringen der Legierung evakuiert. Entsprechend liegt in ihr bezüglich eines Umgebungsdrucks ein Unterdruck vor. Der Absolutdruck in der Gussform beträgt beispielsweise höchstens 1 mbar, insbesondere höchstens 0,1 mbar, besonders bevorzugt höchstens 0,05 mbar oder höchstens 0,01 mbar. Durch das Evakuieren wird einer Versprödung des Laufrads, welche ansonsten bedingt durch die hohe Affinität der Legierung zu Sauerstoff auftreten kann, entgegengewirkt.

[0025] Weiterhin wird eine TiAl-Legierung für ein Laufrad eines Abgasturboladers beschrieben, die neben Titan die folgenden Bestandteile aufweist:

• Aluminium mit einem Anteil von 43,7 at.-% bis 47,5 at.-%,
• Niob mit einem Anteil von 1,9 at.-% bis 8,7 at.-%,
• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,3 at.-% bis 0,6 at.-%, und
• Sonstige mit einem Anteil von höchstens 2,0 at.-%.

[0026] Auf die Vorteile der TiAl-Legierung wurde bereits hingewiesen. Die TiAl-Legierung kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird. Die angegebene Legierung kann selbstverständlich auch für das vorstehend beschriebene Verfahren verwendet werden. Dies gilt auch für im folgenden beschriebene Legierungen.

[0027] Um die optimale Legierungszusammensetzung für das Laufrad herauszufinden, wurden zahlreiche Legierungen untersucht. Als optimaler Anteil des Aluminiums stellte sich dabei der Bereich von 43,7 at.-% bis 47,5 at.-% heraus. Unterhalb eines Aluminiumgehalts von 44,8 at.-% verläuft dabei der Erstarrungspfad über die beta-Phase. Ein Aluminiumgehalt von mindestens 44,8 at.-% bis weniger als 47,3 at.-% führt zu einem unterperitektischen Erstarrungspfad, während bei einem Aluminiumanteil von 47,3 at.-% ein peritektischer Erstarrungspfad gegeben ist. Ein Aluminiumanteil von mehr als 47,3 at.-% führt dagegen zu einem überperitektischen Erstarrungspfad. Die innerhalb des erfindungsgemäßen Aluminiumgehalts von 43,7 at.-% bis 47,5 at.-% (diese Werte jeweils einschließend) liegenden Legierungen, die unterperitektisch erstarren, zeigen dabei verglichen mit den über die beta-Phase erstarrten Legierungen bessere Kriecheigenschaften auf. Die unterperitektisch erstarrten Legierungen werden daher besonders bevorzugt. Insbesondere beträgt der Aluminiumgehalt genau 45,8 at.-%.

[0028] Rein beispielhaft werden die folgenden Zusammensetzungen angegeben:

• Legierung 1: 45 at.-% Aluminium, 3,7 at.-% Niob, 0,25 at.-% Chrom und 0,5 at.-% Kohlenstoff;
• Legierung 2: 45,8 at.-% Aluminium, 3,9 at.-% Niob und 0,3 at.-% Kohlenstoff;
• Legierung 3: 45,8 at.-% Aluminium, 3,9 at.-% Niob und 0,6 at.-% Kohlenstoff;
• Legierung 4: 47,0 at.-% Aluminium, 8,7 at.-% Niob und 0,3 at.-% Kohlenstoff.

[0029] Die restlichen Bestandteile der angegebenen Legierungen werden von Titan sowie sonstigen Bestandteilen, beispielsweise Verunreinigungen, mit einem Anteil von höchstens 2 at.-% dargestellt.

[0030] Der Aluminiumanteil kann alternativ auch mithilfe des Aluminiumäquivalents angegeben werden. Im binären TiAl-Phasendiagramm liegen die obere und die untere Al-Grenze für eine unterperitektische Erstarrung bei 44,8 at.-% und 47,3 at.-%. Durch das Legieren mit Niob und/oder Kohlenstoff werden diese Grenzen verschoben und können entsprechend mithilfe eines Aluminiumäquivalents spezifiziert werden. Niob verschiebt die Grenzen zu höheren und Kohlenstoff zu niedrigeren Werten. Daher wird der jeweilige Elementgehalt mit einem Berechnungsfaktor multipliziert und entsprechend von den Grenzen subtrahiert oder addiert. Der Berechnungsfaktor für Niob beträgt 0,3, während er für Kohlenstoff -4,2 ist.

[0031] Der minimale Aluminiumgehalt Al_min ist 44,8 at.-%, der maximale Aluminiumgehalt Al_max beträgt 47,3 at.-%. Die untere Grenze für das Aluminiumäquivalent ergibt sich nun für den kleinsten angegebenen Niobgehalt von 1,9 at/% und dem größten angegebenen Kohlenstoffgehalt von 0,6 at/%. Daraus ergibt sich die untere Grenze für das Aluminiumäquivalent zu 44,8 at.-% + 1,9 at.-% · 0,3 - 0,6 at.-% · 4,2 = 42,85 at.-%. Die obere Grenze für das Aluminiumäquivalent ergibt sich dagegen aus dem größten Niobgehalt von 8,7 at.-% und einem kleinsten Kohlenstoffgehalt von 0,0 at.-% gemäß 47,3 at.-% + 8,7 at.-% · 0,3 - 0,0 at.-% · 4,2 = 48,8 at.-%. Alternativ ist die TiAl-Legierung also dadurch gekennzeichnet, dass sie Aluminium, Niob und Kohlenstoff mit einem Aluminiumäquivalent von 42,85 at.-% bis 48,8 at.-% aufweist. Zudem können sonstige Bestandteile mit einem Anteil von höchstens 2,0 at.-% enthalten sein.

[0032] Besonders bevorzugt besteht die Legierung ausschließlich aus den angegebenen Bestandteilen; es sind also keine weiteren Bestandteile beziehungsweise Verunreinigungen enthalten.

[0033] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung erfolgt. Dabei zeigt die einzige

Figur

eine schematische Darstellung einer Gießeinrichtung zum Herstellen eines Laufrads eines Abgasturboladers aus einer TiAl-Legierung.

[0034] Die Figur zeigt eine Einrichtung 1, insbesondere eine Schleudergießeinrichtung, zum Herstellen eines nicht näher dargestellten Laufrads eines Abgasturboladers. Die Einrichtung 1 weist dabei einen Vorratsbehälter 2 für eine TiAl-Legierung 3 sowie eine Gussform 4 auf. Sowohl der Vorratsbehälter 2 als auch die Gussform 4 sind in einer Kammer 5 eines Gussformträgers 6 angeordnet. Der Gussformträger 6 ist an einem Arm 7 befestigt und mittels diesem um eine Rotationsachse 8 drehbar gelagert. Die Rotation erfolgt dabei beispielsweise in Richtung des Pfeils 9. Bevorzugt ist auf der dem Gussformträger 6 bezüglich der Rotationsachse 8 abgewandten Seite ein Ausgleichsgewicht 10 an dem Arm 7 befestigt. Die Einrichtung 1 verfügt zudem über eine in Richtung des Doppelpfeils 11 verlagerbare Heizspule 12. Anstelle des Ausgleichsgewichts 10 kann selbstverständlich auch ein weiterer Gussformträger vorgesehen sein, welcher bevorzugt identisch zu dem Gussformträger 6 ausgebildet ist. Somit können parallele Gießvorgänge durchgeführt werden.

[0035] Zur Vorbereitung eines Gießvorgangs wird die Kammer 5 bevorzugt evakuiert, insbesondere über einen Anschlussstutzen 13, wobei ein Abführen der in der Kammer 5 vorliegenden Luft entlang der Pfeile 14 erfolgt. Auch wird die Gussform 4 bevorzugt auf eine bestimmte Temperatur zwischen 400 °C und 900 °C aufgeheizt. Zudem wird die in dem Vorratsbehälter 2 enthaltene Legierung 3 mithilfe der Heizspule 12, welche insbesondere als Hochfrequenz-Spule vorliegt, auf eine Gießtemperatur aufgeheizt. Ist die Gießtemperatur erreicht, so wird die Heizspule 12 derart angeordnet, dass sie den Vorratsbehälter 2 nicht mehr umgreift, insbesondere durch eine Verlagerung nach unten. Dann wird eine Rotation des Gussformträgers 6 um die Rotationsachse 8 eingeleitet. Während des Schleudergießens wird die Gussform 4 mithin um die von ihr beabstandete Rotationsachse 8 mit einer bestimmten Winkelbeschleunigung in einem bestimmten Beschleunigungszeitraum auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt, sobald die Legierung ihre Gießtemperatur erreicht hat.

[0036] Bedingt durch die aufgrund der Rotation entstehende Trägheitskraft wird die geschmolzene Legierung 3 in radialer Richtung (bezogen auf die Rotationsachse 8) nach außen gedrängt. Dies bedeutet, dass sie in Richtung des Pfeils 15 aus dem Vorratsbehälter 2 heraus und in die Gussform 4 hinein gedrängt wird. Das Hineindrängen in die Gussform 4 erfolgt dabei mit einem Gießdruck, welcher im Wesentlichen von einem Abstand zwischen der Rotationsachse 8 und der Gussform 4 einerseits sowie der momentanen Drehzahl des Gussformträgers 6 andererseits beeinflusst wird. Durch die beabstandete Anordnung der Gussform 4 von der Rotationsachse 8 kann mithilfe eines derartigen Schleudergießens beziehungsweise Schleuderfeingießens ein sehr hoher Gießdruck erzielt werden. Dies resultiert in einem besonders guten Gießergebnis, auch bei TiAl-Legierungen, welche mit anderen Gießverfahren nicht oder lediglich mit großem Aufwand verarbeitbar sind. Dies gilt insbesondere für eine TiAl-Legierung, welche einen Anteil von wenigstens 1,9 at.-% Niob aufweist.

[0037] Mithilfe des Schleudergießens lassen sich deutlich feinere Gefüge in Form von geringeren Lamellenabständen im Vergleich zu Differenzdruckgießen herstellen. Dies gilt unabhängig von dem Aluminiumgehalt und dem Niobgehalt der TiAl-Legierung. Die höhere Feinheit des Gefüges ist verantwortlich für die besseren Kriecheigenschaften des aus der Legierung hergestellten Laufrads im Vergleich mit dem Differenzdruckgießen. Insbesondere weist das durch Schleudergießen hergestellte Laufrad eine um 50 K höhere Einsatztemperatur auf als ein mittels Differenzdruckgießen hergestelltes Laufrad.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Laufrads eines Abgasturboladers aus einer TiAl-Legierung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die TiAl-Legierung (3) neben Titan ausschließlich die folgenden Bestandteile aufweist:

- Aluminium mit einem Anteil von 43,7 at.-% bis 47,5 at.-%,

- Niob mit einem Anteil zwischen 3 at.-% und 5 at.-%,

- Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,3 at.-% bis 0,6 at.-%, und

- Sonstige mit einem Anteil von höchstens 2,0 at.-%, und dass

das Laufrad durch Schleudergießen der Legierung (3) ausgebildet wird, wobei eine für das Schleudergießen verwendete Gussform (4) vor dem Einbringen der Legierung (3) in die Gussform (4) auf eine Temperatur von 500 °C bis 800 °C aufgeheizt wird, und wobei die Gussform (4) während des Schleudergießens um eine von ihr beabstandete Rotationsachse (8) mit einer Winkelbeschleunigung in einem Beschleunigungszeitraum auf eine Drehzahl beschleunigt wird, sobald die Legierung (3) die Gießtemperatur erreicht hat, wobei eine Drehachse des hergestellten Laufrads auf der Rotationsachse (8) senkrecht steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung (3) mit einer Gießtemperatur, die eine Überhitzung von 40 K bis 150 K bezogen auf die Liquidustemperatur der Legierung (3) aufweist, in die Gussform (4) eingebracht wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbeschleunigung zwischen 1 rad/s² bis 100 rad/s² beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungszeitraum eine Länge zwischen 0,05 s und 2,0 s aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl zwischen 100 U/min und 500 U/min beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Gussform (4) und der Rotationsachse (8) zwischen 200 mm und 1500 mm beträgt.

Claims

1. Method for producing an impeller of an exhaust gas turbo charger from a TiAl alloy (3), characterised in that the TiAl alloy (3) has, in addition to titanium, exclusively the following components:

- aluminium with a proportion from 43.7 at.% to 47.5 at.%,

- niobium with a proportion between 3 at.% and 5 at.%,

- carbon with a proportion from 0.3 at.% to 0.6 at.%, and

- other components with a proportion of at most 2.0 at.%, and that

the impeller is formed by centrifugal casting of the alloy (3), wherein a mould (4) used for the centrifugal casting is heated to a temperature from 500°C to 800°C before the introduction of the alloy (3) into the mould (4), and wherein, during the centrifugal casting, the mould (4) is accelerated with an angular acceleration to a rotational speed around a rotational axis (8) at a distance to it in an acceleration period as soon as the alloy (3) has reached the casting temperature, wherein a rotational axis of the produced impeller is perpendicular to the rotational axis (8).

2. Method according to claim 1, characterised in that the alloy (3) is introduced into the mould (4) at a casting temperature which is overheated from 40K to 150K with regard to the liquid temperature of the alloy (3).

3. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the angular acceleration is between 1 rad/s² to 100 rad/s².

4. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the acceleration period has a length between 0.05s and 2.0s.

5. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the rotational speed is between 100rpm and 500rpm.

6. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the distance between the mould (4) and the rotational axis (8) is between 200mm and 1500mm.

Revendications

1. Procédé pour fabriquer un rotor d'un turbocompresseur en un alliage TiAl (3), caractérisé en ce que l'alliage TiAl (3) comporte, outre le titane, exclusivement les composants suivants :

- aluminium avec un pourcentage atomique compris entre 43,7 % et 47,5 %,

- niobium avec un pourcentage atomique compris entre 3 % et 5 %,

- carbone avec un pourcentage atomique compris entre 0,3 % et 0,6 %, et

- autres avec un pourcentage atomique de 2,0 % au maximum,

et en ce que le rotor est réalisé par coulée centrifuge de l'alliage (3),
dans lequel un moule de coulée (4) utilisé pour la coulée centrifuge est chauffé à une température de 500 °C à 800 °C avant d'amener l'alliage (3) dans le moule de coulée (4) et dans lequel le moule de coulée (4) est accéléré pendant la coulée centrifuge à une certaine vitesse de rotation autour d'un axe de rotation (8) situé à distance du moule avec une accélération angulaire dans un intervalle de temps d'accélération dès que l'alliage (3) a atteint la température de coulée, un axe de rotation du rotor fabriqué étant perpendiculaire à l'axe de rotation (8).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage (3) est amené dans le moule de coulée (4) avec une température de coulée qui présente une surchauffe de 40 K à 150 K par rapport à la température de liquidus de l'alliage (3).

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'accélération angulaire est comprise entre 1 rad/s² et 100 rad/s².

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'intervalle de temps d'accélération a une longueur comprise entre 0,05 s et 2,0 s.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse de rotation est comprise entre 100 tours/min et 500 tours/min.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance entre le moule de coulée (4) et l'axe de rotation (8) est comprise entre 200 mm et 1500 mm.

Zeichnung