VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HOCHBELASTBAREN BAUTEILS AUS EINER ALPHA+GAMMA-TITANALUMINID-LEGIERUNG FÜR KOLBENMASCHINEN UND GASTURBINEN, INSBESONDERE FLUGTRIEBWERKE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochbelastbaren Bauteils aus einer α+γ-Titanaluminid-Legierung für Kolbenmaschinen und Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke.

[0002] Legierungen auf TiAl-Basis gehören zur Gruppe der intermetallischen Werkstoffe, die für Anwendungen im Bereich der Einsatztemperaturen der Superlegierungen entwickelt wurden. Aufgrund ihrer geringen Dichte von etwa 4 g/cm³ bietet dieser Werkstoff ein erhebliches Potenzial zur Gewichtseinsparung sowie zur Reduzierung der Belastungen bewegter Bauteile, z.B. Schaufeln und Scheiben von Gasturbinen oder Bauteile von Kolbenmotoren, bei Temperaturen bis ca. 700 °C. Stand der Technik ist das Feingießen von z. B. Turbinenschaufeln für Flugtriebwerke. Für Anwendungen mit größerer Belastung wie z. B. in schnell laufenden Turbinen für neuartige Getriebefan-Flugtriebwerke sind die Eigenschaften des Gussgefüges nicht mehr ausreichend. Durch thermomechanische Behandlung mittels plastischer Umformung mit definiertem Umformgrad und nachfolgender Wärmebehandlung lassen sich die statischen und dynamischen Eigenschaften von TiAI-Legierungen auf die geforderten Werte steigern. Allerdings sind TiAI-Legierungen wegen ihres hohen Umformwiderstands nicht konventionell schmiedbar. Daher müssen die Umformprozesse bei hohen Temperaturen im Bereich des α+γ- oder α-Phasengebiets in schützender Atmosphäre bei niedrigen Umformgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Zum Erreichen der gewünschten Endgeometrie des Schmiedeteils sind dabei i. d. Regel mehrere aufeinander folgende Schmiedeschritte erforderlich.

[0003] Ein Beispiel eines solchen Verfahrens zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus α+γ-TiAl-Legierungen ist aus DE 101 50 674 B4 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Bauteile, insbesondere für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, dadurch hergestellt, dass gekapselte TiAI-Rohlinge globularen Gefüges durch isotherme Primärumformung im α+γ-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000 - 1340 °C oder im α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1340 - 1360 °C durch Schmieden oder Strangpressen verformt werden, wonach die Vorformlinge durch mindestens einen isothermen Sekundärumformprozess unter gleichzeitiger dynamischer Rekristallisation im α+γ- oder α-Phasengebiet im Temperaturbereich von 1000 - 1340 °C durch Schmieden zum Bauteil vorgegebener Kontur ausgeformt werden, wonach das Bauteil zur Einstellung des Mikrogefüges im α-Phasengebiet lösungsgelüht und anschließend schnell abgekühlt wird. Hier kommt also ein zweistufiger Prozess zum Einsatz, umfassend die Primärumformung im α+γ- oder α-Phasengebiet, gefolgt von der Sekundärumformung unter gleichzeitiger Rekristallisation. Ein solcher zweistufiger Prozess ist jedoch äußerst aufwendig.

[0004] Der Erfindung liegt damit die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines hochbelasteten Bauteils aus einer α+γ-Titanaluminid-Legierung anzugeben, das im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren einfacher zu realisieren ist.

[0005] Zur Lösung dieses Problems dient erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines hochbelastbaren Bauteils aus einer α+γ-Titanaluminid-Legierung für Kolbenmaschinen und Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, das sich dadurch auszeichnet, dass als Legierung eine TiAI-Legierung folgender Zusammensetzung verwendet wird (in Atom%):

40 - 48 % Al,

2-8%Nb,

0,1 - 9 % wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe, Si,

0 - 0,5 % B,

sowie einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei die Umformung einstufig ausgehend von einer Vorform mit über die Längsachse variierender Volumenverteilung erfolgt, wobei das Bauteil im β-Phasenbereich isotherm mit einer logarithmischen Umformgeschwindigkeit von 0,01 - 0,5 1/s umgeformt wird.

[0006] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch einen einstufigen, isothermen Umformvorgang des Bauteils im β-Phasenbereich bei langsamer Umformgeschwindigkeit aus, wobei eine spezifische TiAI-Legierung verwendet wird, die es ermöglicht, das Bauteil im β-Phasenbereich zu stabilisieren, so dass dort die Umformung erfolgen kann. Zu diesem Zweck enthält die Legierung einen entsprechenden Anteil wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe oder Si, wobei auch Mischungen davon verwendet werden können. Während der langsamen Umformung mit einer logarithmischen Umformgeschwindigkeit von 0,01 - 0,5 1/s bei hoher Temperatur werden die in der kubisch-raumzentrierten β-Phase existenten 12 Gleitebenen aktiviert und eine dynamische Rekristallisation angestoßen. Durch stetig weiter zugeführte Umformenergie wird diese über den gesamten Umformweg aufrechterhalten. Hierbei entsteht bei niedrigerer Fließspannung ein feinkörniges Mikrogefüge. Dagegen ist bei einer Umformung im α+γ- oder α-Phasengebiet, wie in DE 101 50 674 A1 beschrieben, aufgrund der hexagonalen Phasenstruktur nur eine Gleitebene existent, was die Zweistufigkeit des Umformvorgangs erfordert. Demgegenüber lässt das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil eine einstufige Umformung zu, wobei das Bauteil nach Beendigung der Umformung fertig geschmiedet ist.

[0007] Besonders bevorzugt werden als die β-Phase stabilisierende Elemente Mo, V oder Ta verwendet, die einzeln oder als Mischung eingesetzt werden können.

[0008] Bevorzugt beträgt der Gehalt des die β-Phase stabilisierenden Elements 0,1 - 2 %, insbesondere 0,8 - 1,2 %. Dies insbesondere, wenn Mo, V und/oder Ta verwendet werden, da diese eine besonders hohe stabilisierende Eigenschaft besitzen und daher deren Gehalt relativ niedrig gehalten werden kann.

[0009] Bevorzugt wird eine Legierung folgender Zusammensetzung verwendet:

41 - 47 % Al,

1,5-7 % Nb,

0,2 - 8 % wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe, Si,

0 - 0,3 % B,

und einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

[0010] In weiterer Konkretisierung wird bevorzugt eine Legierung folgender Zusammensetzung verwendet:

42 - 46 % Al,

2 - 6,5 % Nb,

0,4 - 5 % wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe, Si,

0 - 0,2 % B,

und einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

[0011] Besonders bevorzugt wird eine Legierung folgender Zusammensetzung verwendet:

42,8 - 44,2 % Al,

3,7 - 4,3 % Nb,

0,8 - 1,2 % Mo,

0,07 - 0,13 % B,

sowie einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

[0012] Die Umformtemperatur im β-Phasenbereich beträgt bevorzugt 1070 - 1250°C, wobei wie beschrieben die Umformung isotherm erfolgt, das heißt, dass die Umformwerkzeuge auf der Umformtemperatur gehalten sind, um das geforderte enge Temperaturfenster nicht zu verlassen. Die logarithmische Umformgeschwindigkeit beträgt 10^-3 s^-1 bis 10^-1 s^-1.

[0013] Die verwendete Vorform weist eine über die Längsachse variierende Volumenverteilung auf, d.h. dass bereits eine vorgegebene dreidimensionale Grundform gegeben ist, aus der durch die erfindungsgemäße einstufige Umformung das fertige Bauteil geschmiedet wird. Diese Vorform wird bevorzugt durch Gießen, Metallformspritzen (MIM) oder additive Verfahren (3D-Druck, Laserauftragsschweißen, etc.) oder eine Kombination der genannten Möglichkeiten hergestellt.

[0014] Zur Umformung werden bevorzugt Werkzeuge aus einem höchst-warmfesten Werkstoff verwendet, bevorzugt aus einer Mo-Legierung. Zweckmäßigerweise werden die Werkzeuge während des Umformvorgangs durch eine inerte Atmosphäre gegen Oxidation geschützt. Um die Werkzeuge auf der Umformtemperatur zu halten werden sie bevorzugt aktiv beheizt, beispielsweise induktiv oder durch Widerstandsheizung.

[0015] Auch die Vorform wird vor dem Umformvorgang erwärmt, beispielsweise in einem Ofen, induktiv oder durch Widerstandsbeheizung.

[0016] Bevorzugt folgt der Umformung eine Wärmebehandlung des umgeformten Bauteils, um die geforderten Gebrauchseigenschaften einzustellen und hierfür die für die Umformung günstige β-Phase durch eine geeignete Wärmebehandlung in ein feinlamellares α+γ-Gefüge umzuwandeln. Hierzu kann die Wärmebehandlung eine Rekristallisationsglühung bei einer Temperatur von 1230 - 1270°C umfassen. Die Haltezeit während der Rekristallisationsglühung beträgt bevorzugt 50 - 100 min. Die Rekristallisationsglühung erfolgt im Bereich der γ/α-Umwandlungstemperatur. Wird, wie erfindungsgemäß ferner vorgesehen, nach der Rekristallisationsglühung das Bauteil auf eine Temperatur von 900 - 950°C in 120 s oder schneller abgekühlt, so kommt es zur Bildung kleiner Lamellenabstände der α+γ-Phase.

[0017] Bevorzugt schließt sich ein zweiter Wärmebehandlungsschritt an, in dem das Bauteil zunächst auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend auf eine Stabilisierungs- oder Entspannungstemperatur von 850 - 950°C erwärmt wird. Alternativ kann auch direkt von der nach der Rekristallisationsglühung schnell erreichten Temperatur von 900 - 950 °C wie zuvor beschrieben auf die Stabilisierungs- und Entspannungstemperatur von 850 - 950°C gegangen werden. Die bevorzugte Haltezeit auf der Stabilisierungs- und Entspannungstemperatur, unabhängig davon, wie diese erreicht wird, beträgt bevorzugt 300 - 360 min.

[0018] Nach Ablauf der Haltezeit wird bevorzugt mit einer definierten Abkühlrate die Bauteiltemperatur auf eine Temperatur unterhalb 300°C reduziert. Die Abkühlrate beträgt bevorzugt 0,5 - 2 K/min, das heißt, die Abkühlung erfolgt relativ langsam, was zur Stabilisierung und Entspannung des Gefüges dient. Bevorzugt beträgt die Abkühlrate 1,5 K/min.

[0019] Die jeweilige Abkühlung kann in einer Flüssigkeit, z.B. in Öl, oder in Luft oder einem Inertgas erfolgen.

[0020] Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Bauteil aus einer α+γ-Titanaluminid-Legierung, insbesondere für eine Kolbenmaschine, ein Flugtriebwerk oder eine Gasturbine, das in einem Verfahren der beschriebenen Art hergestellt ist. Ein solches Bauteil kann beispielsweise eine Schaufel oder eine Scheibe einer Gasturbine oder ähnliches sein.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines hochbelastbaren Bauteils aus einer α+γ-Titanaluminid-Legierung für Kolbenmaschinen und Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, dadurch gekennzeichnet, dass als Legierung eine TiAI-Legierung folgender Zusammensetzung verwendet wird (in Atom%):

40-48% Al,

2-8% Nb,

0,1-9% wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe, Si,

0-0,5% B,

sowie einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei die Umformung einstufig ausgehend von einer Vorform mit über die Längsachse variierender Volumenverteilung erfolgt, wobei das Bauteil im β-Phasenbereich isotherm mit einer logarithmischen Umformgeschwindigkeit von 0,01 - 0,5 1/s umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die β-Phase stabilisierende Element nur Mo, V, Ta oder eine Mischung davon in der Legierung vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des die β-Phase stabilisierenden Elements 0,1 - 2 %, insbesondere 0,8 - 1,2% beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine TiAI-Legierung folgender Zusammensetzung verwendet wird:

41 - 47 % Al,

1,5-7 % Nb,

0,2 - 8 % wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe, Si,

0 - 0,3 % B,

und einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine TiAI-Legierung folgender Zusammensetzung verwendet wird:

42 - 46 % Al,

2 - 6,5 % Nb,

0,4 - 5 % wenigstens eines die β-Phase stabilisierenden Elements, gewählt aus Mo, V, Ta, Cr, Mn, Ni, Cu, Fe, Si,

0 - 0,2 % B, und einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung folgender Zusammensetzung verwendet wird:

42,8-44,2% Al,

3,7-4,3% Nb,

0,8-1,2% Mo,

0,07-0,13% B,

sowie einem Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformtemperatur im β-Phasenbereich 1070-1250°C beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform durch Gießen, Metallformspritzen (MIM), additive Verfahren, insbesondere 3D-Druck, Laserauftragsschweißen, oder eine Kombination davon hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung Werkzeuge aus einem höchst-warmfesten Werkstoff, insbesondere aus einer Mo-Legierung verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge während des Umformvorgangs durch eine inerte Atmosphäre geschützt sind.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Umformung verwendeten Werkzeuge aktiv, insbesondere induktiv beheizt werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform in einem Ofen, induktiv oder durch Widerstandsbeheizung vor der Umformung erwärmt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformung eine Wärmebehandlung des umgeformten Bauteils folgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine Rekristallisationsglühung bei einer Temperatur von 1230-1270°C umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit während der Rekristallisationsglühung 50-100 min beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Rekristallisationsglühung das Bauteil auf eine Temperatur von 900-950°C in 120s oder schneller abgekühlt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird und anschließend auf eine Stabilisierungs- und Entspannungstemperatur von 850-950°C erwärmt wird, oder dass das Bauteil ohne vorherige Abkühlung auf einer Stabilisierungs- und Entspannungstemperatur von 850-950°C gehalten wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit auf der Stabilisierungs- und Entspannungstemperatur 300-360min beträgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend eine Abkühlung des Bauteils auf eine Temperatur unter 300°C mit einer Abkühlrate von 0,5-2 K/min, insbesondere 1,5 K/min erfolgt.

20. Bauteil aus einer α+γ-Titanaluminid-Legierung, insbesondere für eine Kolbenmaschine, ein Flugtriebwerk oder eine Gasturbine, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.