DE60313065T2

DE60313065T2 - Dünne Produkte aus Beta- oder quasi Beta-Titan-Legierungen, Herstellung durch Schmieden

Info

Publication number: DE60313065T2
Application number: DE60313065T
Authority: DE
Inventors: Blandine Barbier; Agathe Venard; Philippe Gallois; Pascal Vignolles; Claude Mons
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: UA77399C2; EP1340832A1; EP1340832B1; JP2003253361A; JP4022482B2; US20030209298A1; RU2303642C2; DE60313065D1; FR2836640B1; US7037389B2; US20060157170A1; FR2836640A1; US7422644B2

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind dünne Produkte aus β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen sowie die Herstellung der dünnen Produkte durch Schmieden.
Genauer gesagt betrifft sie:

– nicht axialsymmetrische Erzeugnisse mit einer Dicke von unter 10 mm, aus β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen, die eine neuartige Mikrostruktur aufweisen;
– ein Verfahren zur Herstellung der Produkte, das kennzeichnenderweise auf einem Schmiedevorgang beruht.

Der vorliegend beanspruchte Gestaltungs- und Entwicklungszusammenhang der Erfindung ist derjenige der Herstellung von aus einem Stück bestehenden beschaufelten Scheiben mit durch lineares Reibschweißen angebrachten Schaufeln. Bezugnehmend auf ihre mechanischen Eigenschaften und vor allem auf ihre Dauerschwingungsfestigkeit, bestehen die genannten einstückigen beschaufelten Scheiben oder Schaufelscheiben im allgemeinen aus einer β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierung. Sie werden heutzutage durch spanende Bearbeitung aus einem massiven Rohling erhalten.
Gegenüber der Herstellung der Schaufeln derartiger Scheiben aus einer β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierung durch Schmieden bestand ein wahres Vorurteil. Das Schmieden von Strukturen aus β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen, d.h. von grobkörnigen Strukturen zur Fertigung von Teilen mit geringen Dicken (Schaufeln), konnte a priori nur zu derartigen Teilen mit enttäuschenden mechanischen Eigenschaften (insbesondere Schlagfestigkeit, Dauerschwingungsfestigkeit) führen.
Vollkommen überraschend wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Schaufeln (dünne Produkte) aus leistungsfähigen β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen (die metallurgisch sehr gesund sind und gute mechanische Eigenschaften aufweisen) durch Schmieden erhalten (d.h. mit einer Materialeinsparung im Vergleich zu der herkömmlicher weise durchgeführten spanenden Bearbeitungstechnik). Die genannten Schaufeln weisen darüber hinaus eine längere Lebensdauer als die durch spanende Bearbeitung hergestellten Schaufeln auf; sie können außerdem mit optimierten Geometrien gefertigt werden, die ermöglichen, die Aerodynamik, also die Leistungen des Motors, bei dem sie zum Einsatz kommen können, zu verbessern.
Die EP-A-0 852 164 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus Titanlegierung, das einen Schmiedeschritt umfaßt, an den sich eine örtlich begrenzte Zwangskühlung der Eintrittskanten der Spitzenabschnitte der genannten Schaufeln anschließt. Bei α- + β- sowie Quasi-β-Legierungen wird das Schmieden bei einer Temperatur durchgeführt, die um 10°C oder mehr unter der β-Transus-Temperatur liegt.
Die US-A-4 854 977 beschreibt ein Grobschmiedeverfahren, das sich ganz besonders für die Fertigung von Verdichterscheiben für Flugzeugantriebssysteme eignet. Der durchgeführte Vorgang des Schmiedens umfaßt ein Grobschmieden sowie ein Fertigschmieden, das vorteilhafter weise in β begonnen und in α-β beendet wird.
Die Erfindung ist also in diesem Zusammenhang der Herstellung der aus einem Stück bestehenden beschaufelten Scheiben in nicht offensichtlicher Weise entworfen und entwickelt worden. Sie ist jedoch in keiner Weise auf den genannten Zusammenhang begrenzt; sie kommt auch ganz selbstverständlich in mehr oder weniger benachbarten Zusammenhängen, wie dem der Herstellung von einstückigen beschaufelten Ringen, denjenigen der Reparatur der genannten einstückigen beschaufelten Scheiben und einstückigen beschaufelten Ringe und allgemeiner demjenigen der Herstellung von dünnen Produkten aus β-Titan- oder Quasi-β-Titan zum Ausdruck.
Die Beherrschung des Schmiedens, gemäß der Erfindung, von Rohlingen aus β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen, mit geringen Dicken ermöglichte die Herstellung von dünnen Produkten aus den genannten β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen, die aufgrund ihrer Mikrostruktur mit Kern neuartig sind.
Die genannten Produkte bilden den ersten Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Das beherrschte Schmiedeverfahren, das zu den Produkten führt, bildet deren zweiten Gegenstand.
Nach ihrem ersten Gegenstand betrifft die vorliegende Erfindung also nicht axialsymmetrische Erzeugnisse (Fäden sind somit ausgeschlossen) mit einer Dicke von unter 10 mm (diese 10 mm präzisieren die Begriffe „geringe Dicke", „dünne Produkte", die in dem vorliegenden Text verwendet werden), aus Quasi-β-Titanlegierungen, deren Mikrostruktur mit Kern von ganzen Körnern gebildet ist, die einen Schlankheitsgrad von über 4 sowie einen Äquivalentdurchmesser zwischen 10 und 300 μm aufweisen.
Die β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen (die auch als „nahe β" bezeichnet werden können) sind dem Fachmann vertraut. Sie weisen eine kompakte Sechseckstruktur auf. Vor allem in den (US) amerikanischen Handbooks, dem ASMH (AMERICAN SOCIETY MATERIAL HANDBOOK) und dem MILH (MILITARY HANDBOOK) sind sie perfekt definiert. Ihre Verwendung ist heutzutage auf die Herstellung von massiven oder große Dicken aufweisenden Schmiedeteilen begrenzt.
Kennzeichnenderweise sind die Erzeugnisse der Erfindung aus den genannten Legierungen dünne Produkte, die das Erbe ihres Herstellungsverfahrens tragen, das auf einem oder mehreren Schmiedevorgängen beruht. Ihre Mikrostruktur mit Kern ist neuartig. Die Körner der Mikrostruktur mit Kern sind verformt worden.
Sie weisen einen Schlankheitsgrad von über 4 auf, wobei der Schlankheitsgrad herkömmlicher weise als das Verhältnis der größten Abmessung zur kleinsten Abmessung in der axialen Schnittebene definiert ist.
Sie weisen einen Äquivalentdurchmesser zwischen 10 und 300 μm auf.
Anstelle der abgestumpften Grobkörner, die in der Struktur von durch spanende Bearbeitung erhaltenen gleichwertigen (dünnen) Produkten zu finden sind, sind im Kern der Produkte der Erfindung ganze, zusammengedrückte, linsenförmige Körner zu finden.
Die Erzeugnisse der Erfindung sind aufgrund der oben genannten Eigenschaften neuartige Produkte. Diese neuartigen Produkte sind geeignet, durch Schmieden erhalten zu werden. Wie zuvor erläutert, bestand ein wahres Vorurteil gegenüber dem Bestreben, dünne Strukturen durch Schmieden von dickeren, grobkörnigen Strukturen zu erhalten, und vollkommen überraschend erwiesen sich derartige dünne Strukturen als Strukturen mit sehr günstigen Eigenschaften.
Die Erzeugnisse der Erfindung bestehen vorteilhafter weise in Schaufeln von Turbomaschinenverdichtern.
Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf diesen Zusammenhang begrenzt. Die betreffenden Produkte können auch in Schiffsschrauben, vor allem von Unterseebooten, in Blättern von Ventilatoren oder Mischern (die geeignet sind, in Umgebungen zum Einsatz zu kommen, welche die Bildung der genannten Blätter aus β-Titan- oder Quasi-β-Titanlegierungen rechtfertigen) bestehen. Diese Liste kann nicht erschöpfend sein.
Nach einer besonders bevorzugten (keinesfalls einschränkenden) Variante bestehen die Erzeugnisse der Erfindung aus Ti₁₇-Legierung. Diese Legierung, welche dem Fachmann vertraut ist, wird heutzutage verwendet, um massive Teile, insbesondere Scheiben von Verdichtern zu fertigen. Sie weist hohe Fließspannungen auf und gilt auch als schwer schmiedbar.
Genauer gesagt handelt es sich um folgende Legierung:
TA₅CD₄, nach der metallurgischen Nomenklatur,
TiAl₅Cr₂Mo₄, nach der chemischen Nomenklatur.
Vollkommen überraschend haben die Erfinder im Rahmen der vorliegend beanspruchten Erfindung dünne Teile aus der genannten Ti₁₇-Legierung, mit hohen Verschmiedungsgraden geschmiedet; wobei die geschmiedeten Teile hohe mechanische Eigenschaften aufwiesen.
Von hier kommt man nun zum zweiten Gegenstand der vorliegenden Erfindung, nämlich dem Verfahren zur Herstellung der neuartigen Produkte, gemäß Patentanspruch 5.
Das zu schmiedende Produkt wird herkömmlicherweise zuvor emailliert.
Das Produkt wird vorteilhafter weise durch Umformen eines emaillierten Rohlings erhalten. Es besteht im allgemeinen aus einem Halbzeug, das durch Strangpressen oder Schmieden eines Ausgangsmaterials mit größerem Äquivalentdurchmesser (mit größerer Dicke) erhalten wird. Es kann sich vor allem um eine Stange (die beispielsweise einen Durchmesser von 25 mm aufweist) handeln, welche durch Strangpressen eines Knüppels erhalten wird. Die β-Titan- oder nahe β-Titanlegierungen existieren nämlich hauptsächlich in Form von derartigen Knüppeln (die für die Herstellung von Verdichtungsscheiben durch spanende Bearbeitung bestimmt sind).
Dieses emaillierte Produkt, im allgemeinen also emaillierte Halbzeug, mit einem (Äquivalent-)Durchmesser von weniger als 100 mm wird gemäß der Erfindung durch Schmieden in ein Erzeugnis mit einer Dicke von weniger als 10 mm umgeformt.
Für den Erhalt eines solchen Erzeugnisses mit den optimierten Eigenschaften, wird die Durchführung des Schmiedens unter den nachfolgenden Bedingungen empfohlen. Der Vorgang des Schmiedens umfaßt wenigstens zwei Hitzen:

– eine erste Hitze in Sub- oder Super-β-Transus, im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen 700 und 1000°C;
– eine letzte Hitze in Super-β-Transus, im allgemeinen bei einer Temperatur von über 880°C.

Die entsprechenden Temperaturen sind selbstverständlich von der betreffenden β-Ti- oder Quasi-β-Ti-Legierung abhängig.
Der Reduktionsgrad bei jeder Hitze ist größer als oder gleich (vorteilhafter weise größer als) 2, und die Schmiedegeschwindigkeiten (oder Druckverformungsgeschwindigkeiten) liegen zwischen 1 und 1·10^–5 s^–1.
Der Vorgang des Schmiedens kann absolut auf die zwei Hitzen, wie sie vorstehend erläutert wurden, begrenzt sein (wobei die zweite der zwei genannten Hitzen zwingend eine Hitze in Super-Transus ist). Er kann eine zusätzliche Hitze, in Sub- oder Super-β-Transus, vor der letzten (dritten) Hitze in Super-β-Transus einschließen. Es ist nicht vollkommen ausgeschlossen, daß er mehr als drei Hitzen einschließt (wobei die letzte dieser Hitzen zwingend eine Hitze in Super-β-Transus ist), jedoch ist der Vorteil, die Anzahl der Hitzen so zu vervielfachen, nicht einleuchtend.
Der Schmiedevorgang schließt also im allgemeinen zwei oder drei Hitzen ein, die unter den oben präzisierten Bedingungen durchgeführt werden.
Herkömmlicherweise wird das geschmiedete Produkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hitzen eventuell erneut emailliert.
Nach einer vorteilhaften Durchführungsvariante wird das Schmiedegesenk auf einer Temperatur zwischen 100 und 700°C gehalten.
An den Vorgang des Schmiedens schließt sich herkömmlicher weise ein Härten (im allgemeinen unmittelbar ein solches Härten) an. Ein solches Härten kann vor allem unter Umluft, unter ruhiger Luft, in einem Ölbad oder am Gesenk durchgeführt werden. Vorteilhafterweise wird es unter Bedingungen durchgeführt, die eine Abkühlgeschwindigkeit induzieren, welche unter oder gleich derjenigen liegt bzw. ist, die durch ein Härten in einem Ölbad induziert wird.
Das Vergüten des geschmiedeten, gehärteten Produkts wird vorteilhafter weise bei einer Temperatur zwischen 620 und 750°C, über 3 bis 5 Stunden durchgeführt. Seine Durchführungsbedingungen werden in Abhängigkeit der für das Endprodukt gewünschten Eigenschaften optimiert. Es wird darauf geachtet, das Vergüten unter Inertatmosphäre (insbesondere Vakuum oder Argon) durchzuführen, wenn die Emaillierung rissig oder gesplittert ist.
Nach einer besonders vorteilhaften Variante wird das Verfahren der Erfindung unter den nachfolgenden Bedingungen durchgeführt:

– das emaillierte lange Produkt besteht aus Ti₁₇-Legierung (TA₅CD₄ oder TiAl₅Cr₂Mo₄);
– das Schmieden umfaßt eine erste Hitze bei einer Temperatur kleiner oder gleich 840 ± 10°C (in Sub-β-Transus) oder bei einer Temperatur größer oder gleich 940 ± 10°C (in Super-β-Transus) sowie eine zweite Hitze bei einer Temperatur von 940 ± 10°C (in Super-β-Transus);
– das Härten wird am Gesenk, anschließend an ruhiger Luft durchgeführt;
– das Vergüten wird bei 630°C während 4 Stunden vollzogen.

Es führt zu einem Produkt, wie es im ersten Teil dieses Textes beschrieben ist, das vor allem in einer Schaufel bestehen kann.
Die Herstellung einer solchen Schaufel wird in dem nachfolgenden, rein zur Unterrichtung gegebenen Beispiel genau erläutert.
Die beiliegenden 1 und 2 zeigen in unterschiedlichen Maßstäben die Mirkostruktur mit Kern – neuartige Mikrostruktur – einer solchen Schaufel.
In 1 – Schnitt in den drei Richtungen: Querschnitt entlang der Ebene A, Längsschnitt entlang der Ebene B und stirnseitiger Schnitt entlang der Ebene C; Vergrößerung: × 20 – ist die Linsenform der Körner klar ersichtlich: Sie sind in Quer- und Längsrichtung stark zusammengedrückt und weisen im stirnseitigen Schnitt eine breite Seite auf.
In 2 – starke Vergrößerung: × 5000 – ist die innere Mikrostruktur der Körner zu erkennen. Mit 1 ist ein kaltverfestigtes Korn, mit 2 ein rekristallisiertes Korn bezeichnet. Die Nadeln α sind sehr fein und sehr verschachtelt.
Beispiel: Herstellung einer Schaufel aus Ti₁₇ durch Schmieden.
Das durchgeführte Verfahren umfaßt die nachfolgenden aufeinanderfolgenden Schritte:

– Strangpressen einer Stange (ϕ < 100 mm), um einen Rohling (ϕ: 27 mm) mit einer Länge von 240 mm zu erhalten;
– Emaillieren;
– radiales Druckverformen der stranggepreßten Stange, um das Blatt und den Fuß zu bilden;
– das Schmiedegesenk wird auf 200°C erwärmt;
– Schlaggeschwindigkeit (Schraubenpresse): 10^–4 s^–1;
– 1. Hitze: Der emaillierte, für 45 Min. auf 940°C (Hitze in Super-β-Transus) gehaltene Rohling wird zusammengedrückt, bis er eine Dicke zwischen 13 und 8 mm aufweist.
– 2. Hitze: identische Bedingungen wie bei der 1. Hitze. Das erneute Zusammendrücken erzeugt ein Teil, dessen Dicke zwischen 9 und 1 mm variiert.
– Abkühlen am Gesenk, anschließend durch ruhige Luft auf dem Tisch;
– direktes Vergüten nach dem Schmieden bei 630°C/4 Stunden.

Es bringt eine Schaufel hervor, deren Mikrostruktur mit Kern so aussieht, wie sie in den beiliegenden Figuren gezeigt ist.

Claims

Nicht axialsymmetrische Erzeugnisse aus Quasi-β-Titanlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweisen: – eine Dicke von unter 10 mm und – eine Mikrostruktur mit Kern, die von ganzen Körnern gebildet ist, welche linsenförmig sind und einen Schlankheitsgrad von über 4 sowie einen Äquivalentdurchmesser zwischen 10 und 300 μm aufweisen.
Erzeugnisse nach Anspruch 1, die geeignet sind, durch Schmieden erhalten zu werden.
Erzeugnisse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bestehend aus Schaufeln von Turbomaschinenverdichtern.
Erzeugnisse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aus Ti₁₇-Legierung: TA₅CD₄ oder TiAl₅Cr₂Mo₄.
Verfahren zur Herstellung eines Produktes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das aufeinanderfolgende Schritte zum Schmieden, zum Härten des geschmiedeten Produktes und zum Vergüten des geschmiedeten, gehärteten Produktes umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß: – das Schmieden an einem emaillierten langen Produkt mit einem Äquivalentdurchmesser von unter 100 mm durchgeführt wird; und dadurch, daß – das Schmieden wenigstens zwei Hitzen umfaßt, die erste in Sub- oder Super-β-Transus und die letzte in Super-β-Transus; wobei der Reduktionsgrad bei jeder Hitze größer oder gleich 2 ist und die Schmiedegeschwindigkeiten zwischen 1 und 1·10^–5 s^–1 liegen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden drei Hitzen umfaßt; eine erste und eine zweite unabhängig in Sub- oder Super-β-Transus sowie ein dritte in Super-β-Transus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein erneutes Emaillieren des Produktes zwischen zwei Hitzen umfaßt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiedegesenk auf einer Temperatur zwischen 100 und 700°C gehalten wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten unter Bedingungen durchgeführt wird, die eine Abkühlgeschwindigkeit induzieren, welche unter oder gleich derjenigen liegt bzw. ist, die durch ein Härten in einem Ölbad induziert wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergüten bei einer Temperatur zwischen 620 und 750°C während 3 bis 5 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß: – das emaillierte lange Produkt aus Ti₁₇-Legierung: TA₅CD₄ oder TiAl₅Cr₂Mo₄ besteht; – das Schmieden eine erste Hitze bei einer Temperatur kleiner oder gleich 840 ± 10°C oder bei einer Temperatur größer oder gleich 940 ± 10°C sowie eine zweite Hitze bei einer Temperatur von 940 ± 10°C umfaßt; – das Härten am Gesenk, anschließend an ruhiger Luft durchgeführt wird; und – das Vergüten bei 630°C während 4 Stunden vollzogen wird.