EP1444065B1 - Method for producing alloy ingots - Google Patents
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- EP1444065B1 EP1444065B1 EP02783083A EP02783083A EP1444065B1 EP 1444065 B1 EP1444065 B1 EP 1444065B1 EP 02783083 A EP02783083 A EP 02783083A EP 02783083 A EP02783083 A EP 02783083A EP 1444065 B1 EP1444065 B1 EP 1444065B1
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
- B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
- B22D23/10—Electroslag casting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
Definitions
- the invention relates to a novel melt metallurgical process for the cost-effective production of blocks of metallic and intermetallic alloys (ingots) with high chemical and structural homogeneity, in particular ⁇ -TiAl ingots.
- the intermetallic alloys based on ⁇ -TiAl have made the leap from the development laboratory into industrial applications in aerospace and automotive racing in the year 2000.
- the advantageous high-temperature properties in combination with a low weight enable their use in the aerospace industry.
- the high temperature and corrosion resistance makes the material interesting for fast moving components in machines, eg for valves in internal combustion engines or for blades in gas turbines.
- the properties of this material depend on the chemical and structural homogeneity of a material previously unknown in structural materials. Consequently, the production of correspondingly high-quality ingots is technically very demanding and expensive. Homogeneous ingots are required for various process routes for the production of further semi-finished products or components made of TiAl as starting material (cf. H. Clemens and H.
- the currently used technical alloys based on ⁇ -TiAl have a multiphase structure and, in addition to the ordered tetragonal ⁇ -TiAl as the main phase, contain the ordered hexagonal ⁇ 2 -Ti 3 Al, typically in an amount of 5-15 vol.%.
- Refractory metals as alloying elements can be used to form a metastable krz phase, which occurs either as ⁇ -phase (disordered) or as B2 phase (ordered). These alloying additives improve the oxidation resistance and creep resistance.
- Si, B and C serve in small amounts to increase the strength of the cast structure (cf. B. Inkson and H. Clemens (1999), MRS Symp. Proc. 552, KK3.12 ; S.
- TiAl alloys are usually produced by repeated remelting in a vacuum arc furnace (see Figure 1) as ingots (VAR-Vacuum Arc Remelting).
- VAR-Vacuum Arc Remelting a vacuum arc furnace
- a pressed electrode containing all alloying components melted by increasing their diameter.
- a fundamental problem arises from occurring inhomogeneities in the alloy composition of ⁇ -TiAl ingots.
- a comparison of the Al content in double and triple remelted ⁇ -TiAl ingot material shows that even in twice remelted ⁇ -TiAl ingot local fluctuations of the Al content of ⁇ 2 at.% Are observed (see Figure 2).
- To set sufficient alloy homogeneity a triple remelting in the VAR system is necessary (cf. Güther, A. Otto, H.
- Kestler and H. Clemens (1999) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, DM Dimiduk and MH Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999 ) 225-230 ; V. Güther, Properties, Processing and Applications of ⁇ -TiAl, Proc. 9th Ti World Conference, 08-11 Jun. 1999, St. Louis and V. Güther, H. Kestler, H. Clemens and R. Gerling, Recent Improvements in ⁇ -TiAl Ingot Metallurgy, Proc. Of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, (Seattle, WA, June 2000 ).
- titanium alloy ingots include electron beam melting in the cold hearth and plasma arc cold hearth melting (PACHM). While electron beam melting (see Figure 3 above) has found industrial application only for pure unalloyed titanium, the PACHM process (see Figure 3, below) is used for the production of titanium alloys and also ⁇ -TiAl ingots. Here, the starting material is melted in the cold crucible through a plasma torch and the liquid melt fed via a torch system fired with plasma torches a likewise plasma-heated strand withdrawal. This process has hitherto led to inadequate alloy homogeneity, which can be attributed to the limits of the process (cf. W. Porter, Proceedings of 3rd Int. Symp. Structural Intermetallics, ed.
- PACHM plasma arc cold hearth melting
- the object of the present invention is to provide a process for the reproducible production of ⁇ -TiAl ingots of high chemical homogeneity and low porosity, which can be carried out in a simpler and cheaper manner than the VAR process described above, in which numerous melting steps are necessary to achieve the desired high homogeneity and low porosity.
- the method should provide the opportunity to adjust the dimensions of the alloy ingots, bypassing the limitations of the VAR method described above in a technically reasonable range.
- the process is preferably used for the production of ⁇ -TiAl based intermetallic alloy ingots, which alloys can generally be described by the following empirical formula: Ti x Al y (Cr, Mn, V) u (Zr, Cu, Nb, Ta, Mo, W, Ni) v (Si, B, C, Y) w
- the inductive melting of the electrodes in step (iii) takes place in a high-frequency field with a frequency of preferably 70 to 300 kHz, in particular 70 to 200 kHz and preferably at temperatures of 1400 ° C to 1700 ° C, in particular 1400 ° C to 1600 ° C. to achieve uniform dripping, the electrode is rotated, with a speed of 4 rpm being preferred.
- the lowering speed of the electrode is continuously variable from 0 to 200 mm / min.
- the method is preferably carried out quasi-continuously in the case of inductive melting by one or more electrodes are tracked quasi-continuously, while at the same time a block is withdrawn from the cold wall induction crucible.
- the homogenization of the melt in the cold wall induction crucible in step (iv) is preferably carried out at an overheating of 10 to 100 K, preferably from 40 to 60 K. This corresponds to temperatures of 1400 ° C to 1750 ° C, preferably 1450 ° C to 1700 ° C, depending on the alloy composition.
- the frequency range of the coil is 4 to 20 kHz, preferably 4 to 12 kHz.
- the cooling of the melt in the removal of the blocks in step (v) is preferably carried out with the aid of water-cooled copper segments, and the diameters of the blocks are preferably in a range of 40 to 350 mm, particularly preferably 140 to 220 mm.
- the take-off speeds are adjustable between 5 to 10 mm / min.
- the deduction rate must be adjusted to the drip rate (stage iii). This can be around 50 kg / h.
- the core of the process of the invention is the continuous or quasi-continuous supply of a pre-homogenized melt of the alloy material in a cold wall induction crucible (KIT).
- KIT cold wall induction crucible
- the KIT loses its state of the art corresponding main function, namely the melting of material that is always charged in solid state in the KIT. It is a significant advantage of the method according to the invention that the always observed during the melting of solid, multi-phase alloys in the KIT Segregation phenomena do not occur as cause for inhomogeneities of the final material, since the material already arrives in the liquid state in the KIT.
- Another advantage is that the frequency range of the induction coil which is advantageous for homogenizing the already molten alloy is higher than the frequency range which is advantageous for the melting of a solid alloy. Surprisingly, this significantly reduces the edge porosity of the block drawn off from the solidifying melt in the KIT and thus increases the block quality.
- a particular advantage of the method according to the invention is that all the required dimensions of the alloy ingots can be realized by the dimensions of the cold wall induction crucibles that are freely selectable in a technically sensible framework, which is not guaranteed by the VAR technology.
- the process is preferably carried out under vacuum or under inert gas, and non-contaminated production wastes can be recycled to the process.
- the material loss is according to a technical embodiment of the invention still 12% compared to 35% with the conventional VAR technology.
- the method according to the invention is a realization of local (macroscopic) variations of the main alloying elements aluminum and titanium of ⁇ 0.5 at.%; other metallic alloy components: ⁇ 0.2 at.%; Strength-increasing elements (boron, carbon, silicon): ⁇ 0.05 at.%; possible over the entire ingot.
- Novel combinations of prior art sub-processes which are known per se and which ensure a continuous or quasi-continuous supply of liquid, pre-homogenized material into a cold-wall induction crucible for the purpose of continuous or quasi-continuous strand withdrawal from the KIT are also considered as being inventive ,
- this relates to the combination of an inductively heated ablation device for alloy rods or alloy electrodes (inductive dripping melt) a KIT with a strand extraction device and the combination of a plasma cold wall furnace with fired gutter system, designed as a skull overflow with said KIT and said strand extraction device.
- the inductive melting of metals is for example in the U.S. Patents 4,923,508 . 5 003 551 and 5 014 769 described.
- the inductive melting of electrodes has also been described in connection with the production of titanium alloy powder by the so-called EIGA (Electrode Induction Melting Gas Atomization) method (see. DE-A-41 02 101 . DE-A-196 31 582 ).
- EIGA Electrode Induction Melting Gas Atomization
- the block deduction is also known from the prior art, in particular from the ceramic crucible.
- the patents pertaining to this prior art relate predominantly to the block removal of non-ferrous metals (Cu, brass).
- the patents listed above DE-A-198 52 747 and DE-A-196 50 856 however, include the block vent from the cold wall induction crucible, however, the KIT from which the block vent takes place is supplied as a solid material and not as a pre-homogenized molten material. This situation may, as described above, lead to homogeneity differences in the material withdrawn as a block.
- the electrodes are preferably produced by pressing and / or sintering powdery or granular alloy components (cf. DE-A-196 31 582 to -584, DE-A-198 52 747 ).
- Electrodes By means of a conventional melt metallurgical process, for example by means of the VAR technology, pressed electrodes containing all alloy constituents (Ti sponge, Al granules, master alloy granules) are melted down on diameter bars of 150 mm, for example, by enlarging the diameter. These are rods that have a low chemical homogeneity and a certain porosity. These serve as electrodes for the subsequent strand withdrawal.
- the first technological step can be represented by two alternative ways - inductive melting or the PACHM process. Both methods have the goal of producing a pre-homogenized, molten material.
- inductive melting the melted by a conventional method electrode using an RF coil (according to EIGA method, see DE-A-41 02 101 . DE-A-196 31 582 ) melted inductively into a KIT.
- the system Spulel Dripping material and the shape of the coil are in close interaction.
- According to the minimum requirements for Abschmelzraten and block diameter of the frequency range at the outer resonant circuit is 70 to 300 kHz.
- the melting process is realized by plasma torches.
- the plasma torches perform two functions: melting the source material and maintaining constant ambient conditions during the block draw.
- Starting material in the form of mechanically comminuted prealloyed compacts, is successively recharged via a hydraulic ramp into the melting chamber.
- the cold wall crucible (“cold hearth") serves as a "disposal tool” of undesirable high density (tub bottom) and low density inclusions (floating slag) of the melt and as a "reservoir” for supplying the system crucible block vent with molten material.
- the amperage of plasma torches above the cold hearth is between 275-550 A, but may vary depending on the type and number of plasma torches used.
- the melt is fed to the cold wall induction crucible.
- the stirring action of the electromagnetic field further improves the homogeneity of the melt in a larger, substantially constant molten volume.
- the residence time of the melt in the crucible is about 20 minutes to 45 minutes.
- Skull melting in cold wall induction crucibles (KIT) has been an industrially established technique for years. In this case, a field is generated by electromagnetic induction in a water-cooled copper crucible, which is used for heating or melting of the materials. At the same time, the Lorenz forces that occur express that Melting material partially from the crucible walls and establish a circulating flow in the melt, which leads in consequence to a good mixing of the melt phase.
- the continuous feeding of the KIT with melted material is made possible by the connected electrode magazine, which can hold several electrodes at the same time, which are then melted one after the other.
- the recharging of mechanically comminuted prealloyed material occurs via a hydraulic ramp.
- the Bodenskull which in its thickness and its habit depends directly on the shape of the induction field, provides the starting point for a possible production of semi-finished products. Namely, when the soil is lowered during the process, the system reacts in such a way that a new state of equilibrium is formed and thus a new layer grows on the old soil skip.
- the cooling of the melt during the removal of the blocks is preferably carried out with the aid of water-cooled Cu segments.
- the block discharge from the KIT produces a chemically homogeneous and largely pore-free ingot.
- the diameter of the KIT is freely selectable in large areas, so that a variable choice exists in Ingot diameter.
- the take-off speeds may preferably be in a range of 0 to 50 mm / min.
- the products produced according to the invention can be used for various purposes. First and foremost, semifinished products are produced from them in a first forming step (extrusion), which are used for further processing in the forming route (forging, rolling). Ingots of high structural and chemical quality are required for the production of ⁇ -TiAl-based components via the forming route.
- the components are, for example, valves and turbine blades, which have an excellent property profile and must withstand the highest requirements.
- the products of the invention can also serve as Remelter stocks for the production of cast blanks on the investment casting or centrifugal casting.
- Remelter sticks are needed as starting material for the investment casting and centrifugal casting route.
- the chemical and structural quality is not in the foreground, because the material - in contrast to the ingots - is melted again. Therefore, in the method according to the invention, the stage (ii) can be dispensed with and the pressed electrodes can be directly inductively melted or premixed compacts can be melted by the PACHM method.
- the investment casting route is used to produce components with a sophisticated design and complex requirement profiles. An example of this is the already commercialized turbocharger based on ⁇ -TiAl.
- Centrifugal casting is an inexpensive process for the production of mass components (eg valves) with a simple design and requirement profiles.
- the production of Remelter stocks via the process according to the invention leads to products which are significantly more homogeneous than the corresponding products of the prior art, and can be produced by the block deduction in any cylindrical dimension, while in the previously used method on the dimensions the existing mold was instructed.
- the method according to the invention it is possible to freely choose the diameter and the length of the Remelter stocks and thus to be able to immediately consider each customer request in a simple manner.
- the example illustrates the preparation of a continuous ingot of a ⁇ -TiAl alloy with the composition Ti -46.5Al -4 (Cr, Nb, Ta, B) (reported in at .-%) with a diameter of 180 mm and a length of 2,600 mm.
- the first step is the production of 4 single VAR-melted electrodes with a diameter of 150 mm and a length of 1,000 mm from pressing electrodes, all alloying components in the form of Ti sponge, Al granules and suitable master alloys for Cr, Nb, Ta and B included.
- the not yet homogeneous rods serve as electrodes for the production of pre-homogenized, molten material via the inductive melting in an RF coil.
- the electrodes are cone-shaped at the base, wherein the angle of employment is about 45 °.
- an electrode is fed from the magazine, which holds all four electrodes, to the likewise cone-shaped HF melting-off coil and is inductively melted into a cold-wall induction crucible.
- the melt is formed on the entire surface of the cone and converges at the apex of the cone to a melt stream in which the material is pre-homogenized.
- the melt passes, by gravity, into the cold wall induction crucible located below the Abschmelzspule.
- the frequency at the outer ring of the Abschmelzspule is 80.6 kHz.
- the pre-homogenized molten material falls into a cold wall induction crucible with a bottom peel-off tray.
- the diameter of the crucible is 180 mm.
- the melt solidifies in the lower part of the crucible and is drawn off continuously downwards.
- the cooling of the melt when removing the blocks is done with water-cooled copper segments.
- the take-off speed is approx. 1 mm / min.
- the average residence time of the melt for homogenization in the cold wall induction crucible is about 20 minutes, which corresponds to a bath height of about 160 mm.
- the bath temperature is 1580 ° C and the frequency surrounding that of the crucible. Induction coil is applied, is 12 kHz.
- the second electrode is moved to the required position and heated to melting, whereby the strand withdrawal is interrupted during this time. Thereafter, the process continues as described until all 4 electrodes of the magazine have melted.
- the process can be carried out both under vacuum and under protective gas.
- the resulting block has a diameter of about 180 mm and a total length of 2,600 mm and is characterized by a very good chemical and structural homogeneity.
- the local variations for aluminum and titanium are less than ⁇ 0.5 at.%, Those of Cr, Nb and Ta less than ⁇ 0.2 at.% And those for B less than ⁇ 0.05 at.%.
- Embodiment 2 differs in the manner of producing the molten material and the supply into the KIT of Embodiment 1.
- the process is performed under He shielding gas.
- An alternative to inductive melting offers the PACHM process (plasma arc cold hearth melting).
- the starting material in the form of simply VAR-melted electrodes according to Example 1 by means of a He plasma torch (150kW) in a water-cooled copper crucible melted and continued via a water-cooled channel also fired with a He plasma torch (150 kW).
- the current of the plasma torch above the cold hearth is about 500 A.
- the liquid alloy melt flows in the material's own skull to an overflow above the KIT, from where it flows continuously into the KIT.
- the starting material is continuously recharged via a hydraulically controlled ramp.
- the cold crucible performs two main functions: in addition to a reservoir for pre-homogenised, molten material, it also serves as a depository for unwanted high-density and ceramic inclusions.
- the specified technical data in the examples are not intended to limit the invention in any way.
- the number, type and performance of the plasma torch, the material for the cold crucible, power and frequency ranges of the induction coil, diameter of the KIT, bath levels of the melts in the KIT and feed and withdrawal speeds can be varied within the scope of the prior art, without the invention is impaired.
Landscapes
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Description
Die Erfindung betrifft ein neues schmelzmetallurgisches Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Blöcken aus metallischen und intermetallischen Legierungen (Ingots) mit hoher chemischer und struktureller Homogenität, insbesondere Ingots aus γ-TiAl.The invention relates to a novel melt metallurgical process for the cost-effective production of blocks of metallic and intermetallic alloys (ingots) with high chemical and structural homogeneity, in particular γ-TiAl ingots.
Die intermetallischen Legierungen auf γ-TiAl-Basis haben im Jahr 2000 in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilrennsport den Sprung vom Entwicklungslabor in die industrielle Anwendung vollzogen. Die vorteilhaften Hochtemperatureigenschaften in Kombination mit einem geringen Gewicht ermöglichen deren Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Die hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit macht den Werkstoff für schnell bewegliche Bauteile in Maschinen, z.B. für Ventile in Verbrennungsmotoren oder für Schaufeln in Gasturbinen interessant. Die Eigenschaften dieses Werkstoffs hängen dabei in einem bisher bei Strukturwerkstoffen nicht bekanntem Maße von der chemischen und strukturellen Homogenität ab. Demzufolge ist die Herstellung von entsprechend hochqualitativen Ingots technisch sehr anspruchsvoll und teuer. Homogene Ingots werden für verschiedene Prozeßrouten zur Herstellung weiterer Halbzeuge oder Bauteile aus TiAl als Ausgangsmaterial benötigt (vgl.
Die gegenwärtig verwendeten technischen Legierungen auf γ-TiAl Basis sind mehrphasig aufgebaut und enthalten neben dem geordneten tetragonalen γ-TiAl als Hauptphase das geordnete hexagonale α2-Ti3Al, typischerweise mit einem Anteil von 5-15 vol.-%. Refraktärmetalle als Legierungselemente können zur Ausbildung einer metastabilen krz-Phase führen, die entweder als β-Phase (ungeordnet) bzw. als B2-Phase (geordnet) auftritt. Diese Legierungszusätze verbessern die Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit. Si, B und C dienen in geringen Mengen zur Festigkeitssteigerung des Gußgefüges (vgl.
TiAI-Legierungen werden üblicherweise durch mehrfaches Umschmelzen im Vakuum-Lichtbogenofen (s. Figur 1) als Ingots hergestellt (VAR-Vacuum Arc Remelting). Dabei wird eine gepresste Elektrode, die alle Legierungsbestandteile enthält, unter Vergrößerung ihres Durchmessers abgeschmolzen. Eine grundsätzliche Problematik ergibt sich durch auftretende Inhomogenitäten in der Legierungszusammensetzung von γ-TiAl Ingots. Ein Vergleich des Al-Gehalts in zweifach und dreifach umgeschmolzenem γ-TiAl Ingotmaterial zeigt, daß noch in zweifach umgeschmolzenem γ-TiAl Ingot lokale Schwankungen des Al-Gehaltes von ± 2 at.% beobachtet werden (s. Figur 2). Zur Einstellung einer ausreichenden Legierungshomogenität ist ein dreifaches Umschmelzen in der VAR Anlage notwendig (vgl.
Im Gegensatz zu Titanlegierungen (Ingotdurchmesser bis 1,5 m) sind die verarbeitbaren Durchmesser bei γ-TiAl aufgrund der limitierten Umformbarkeit auf deutlich kleinere Werte begrenzt. Gegenwärtig werden vom Markt sogar hauptsächlich Ingots mit lediglich ca. 200 mm Durchmesser angefragt.In contrast to titanium alloys (ingot diameter up to 1.5 m), the processable diameters of γ-TiAl are limited due to the limited formability significantly smaller values limited. At present, the market is mainly asking for ingots with a diameter of only approx. 200 mm.
Pro Schmelze findet unter Anwendung der VAR-Technik eine Durchmesservergrößerung von ca. 40 mm statt. Das bedeutet für einen Enddurchmesser von ca. 200 mm, daß von Preßelektroden mit maximal ca. 60 mm Durchmesser ausgegangen werden muß, deren Porosität bei ca. 40 % liegt. Der kleine Durchmesser limitiert die Festigkeit der Preßelektrode und damit die mögliche einsetzbare Länge auf ca. 1,5 m (entspricht einer Gesamtmasse von ca. 18 kg). Je kleiner die Durchmesser der ersten Preßelektrode sind, um so höher sind die Herstellungskosten, da pro Schmelzzyklus weniger Material erschmolzen werden kann. Für einen dreifach geschmolzenen VAR-Ingot mit einem Durchmesser von 180 mm und einer Länge von 1000 mm sind -entsprechend einer industriellen Ausgestaltung- gemäß dem Stand der Technik -insgesamt 10 Einzelschmelzen erforderlich (6 Erstschmelzen, 3 Zweitschmelzen, 1 Drittschmelze), die einen hohen Kostenaufwand verursachen. Der Materialverlust (Lunker, etc.) pro Ingot beträgt derzeit 35%. Zudem bietet das herkömmliche Herstellungsverfahren keine Flexibilität in der Wahl des Ingot-Durchmessers.Per melt, using the VAR technique, a diameter increase of about 40 mm takes place. This means for a final diameter of about 200 mm, that must be assumed from pressing electrodes with a maximum of about 60 mm diameter, the porosity is about 40%. The small diameter limits the strength of the pressing electrode and thus the possible usable length to about 1.5 m (corresponding to a total mass of about 18 kg). The smaller the diameter of the first pressing electrode, the higher the manufacturing cost, since less material can be melted per melting cycle. For a triple molten VAR ingot with a diameter of 180 mm and a length of 1000 mm - according to an industrial refinement- according to the prior art -in total 10 individual melts are required (6 primary melts, 3 secondary melts, 1 third molten salt), the high Incur costs. The material loss (voids, etc.) per ingot is currently 35%. In addition, the conventional manufacturing method offers no flexibility in the choice of ingot diameter.
Alternative Herstellungsmöglichkeiten für Titanlegierungsingots sind das Elektronenstrahlschmelzen im Kalten Herd sowie das Plasmaschmelzen (PACHM = Plasma Arc Cold Hearth Melting). Während das Elektronenstrahlschmelzen (s. Figur 3 oben) nur für reines unlegiertes Titan industrielle Anwendung gefunden hat, wird das PACHM-Verfahren (s. Figur 3, unten) zur Herstellung von Titanlegierungen und auch γ-TiAl-Ingots eingestetzt. Hier wird das Ausgangsmaterial im kalten Tiegel durch einen Plasmabrenner aufgeschmolzen und die flüssige Schmelze über ein mit Plasmabrennern befeuertes Rinnensystem einem ebenfalls Plasma-beheizten Strangabzug zugeführt. Dieses Verfahren hat bislang zu unzureichender Legierungshomogenität geführt, was auf die Grenzen des Verfahrens zurückgeführt werden kann (vgl.
Darüber hinaus ist die Herstellung von γ-TiAl Basislegierungen mittels Kokillenguß aus einem Kaltwand-Induktions- bzw. Plasmaofen oder mittels Inertgas Verdüsung aus einem Kaltwandtiegel zu γ-TiAl-Pulver und pulvermetallurgischer Weiterverarbeitung technisch realisiert. Diese Alternativen führten bislang zu einer unzureichenden Mikrostruktur (Porosität beim Kokillenguß) bzw. zu hohen Kosten (Pulvermetallurgie).In addition, the production of γ-TiAl base alloys by means of chill casting from a cold wall induction or plasma furnace or by inert gas atomization from a cold wall crucible to γ-TiAl powder and powder metallurgy processing is technically realized. These alternatives have so far led to an insufficient microstructure (porosity in chill casting) or high costs (powder metallurgy).
Stellvertretend für den Stand der VAR-Technik wird auf die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung von γ-TiAl Ingots hoher chemischer Homogenität und geringer Porosität zur Verfügung zu stellen, welches einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden kann als das oben beschriebene VAR-Verfahren, bei welchem zahlreiche Schmelzschritte notwendig sind, um die gewünschte hohe Homogenität und geringe Porosität zu erreichen. Darüber hinaus soll das Verfahren die Möglichkeit bieten, die Dimensionen der Legierungs-Ingots unter Umgehung der oben beschriebenen Beschränkungen des VAR-Verfahrens im technisch sinnvollen Bereich beliebig einzustellen.The object of the present invention is to provide a process for the reproducible production of γ-TiAl ingots of high chemical homogeneity and low porosity, which can be carried out in a simpler and cheaper manner than the VAR process described above, in which numerous melting steps are necessary to achieve the desired high homogeneity and low porosity. In addition, the method should provide the opportunity to adjust the dimensions of the alloy ingots, bypassing the limitations of the VAR method described above in a technically reasonable range.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von metallischen und intermetallischen Legierungs-Ingots laut Kennzeichnugsteil von Anspruch 1 durch kontinuierlichen und quasi-kontinuierlichen Strangabzug aus einem Kaltwand-Induktionstiegel, indem das Legierungsmaterial in schmelzflüssigem und vorhomogenisiertem Zustand kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich einem Kaltwand-Induktionstiegel zugeführt wird (siehe Figur 4). Das Stranggußverfahren zur Herstellung von metallischen und intermetallischen Legierungs-Ingots hoher Homogenität und geringer Porosität ist dabei in einer ersten erfindungsgemäßen Alternative durch die folgenden chronologisch aufgeführten Schritte gekennzeichnet:
- (i) Herstellung von Elektroden durch übliches Vermischen und Verpressen der ausgewählten Ausgangsstoffe,
- (ii) Mindestens einmaliges Umschmelzen der in Stufe (i) erhaltenen Elektroden durch ein übliches schmelzmetellurgisches Verfahren,
- (iii) Induktives Abschmelzen der in Stufe (ii) erhaltenen Elektroden in einer Hochfrequenzspule,
- (iv) Homogenisieren der in Stufe (iii) erhaltenen Schmelze in einem Kaltwand-Induktionstiegel, und
- (v) Abziehen der Schmelze unter Kühlung aus dem Kaltwand-Induktionstiegel von Stufe (iv) in Form von erstarrten Blöcken mit frei einstellbaren Dimensionen.
- (i) preparation of electrodes by customary mixing and compression of the selected starting materials,
- (ii) at least one remelting of the electrodes obtained in step (i) by a standard melt-metallurgical process,
- (iii) inductive melting of the electrodes obtained in step (ii) in a high-frequency coil,
- (iv) homogenizing the melt obtained in step (iii) in a cold wall induction crucible, and
- (v) withdrawing the melt under cooling from the cold wall induction crucible of step (iv) in the form of solidified blocks of freely adjustable dimensions.
Alternativ ist im Patentanspruch 1 auch die nachstehende Abfolge des Stranggußverfahrens zur Herstellung von metallischen und intermetallischen Legierungs-Ingots hoher Homogenität, geringer Porosität angegeben (siehe Figur 5):
- (i) Herstellung von Elektroden durch übliches Vermischen und Verpressen der ausgewählten Ausgangsstoffe,
- (ii) Mindestens einmaliges Umschmelzen der in Stufe (i) erhaltenen Elektroden durch ein übliches schmelzmetallurgisches Verfahren,
- (iii) Erzeugung eines vorhomogenisierten, schmelzflüssigen Materials aus dem in Stufe (ii) erhaltenen Elektrodenmaterial durch Abschmelzen in einem Plasmaofen mit kaltem Tiegel,
- (iv) Homogenisieren der in Stufe (iii) erhaltenen Schmelze in einem Kaltwandlnduktionstiegel, und
- (v) Abziehen der unter Kühlung erstarrten Schmelze aus dem Kaltwand-Induktionstiegel von Stufe (iv) in Form von zylindrischen Blöcken mit frei einstellbaren Durchmessern und Längen.
- (i) preparation of electrodes by customary mixing and compression of the selected starting materials,
- (ii) at least one remelting of the electrodes obtained in step (i) by a conventional melt metallurgical process,
- (iii) producing a pre-homogenized molten material from the electrode material obtained in step (ii) by melting in a cold crucible plasma furnace,
- (iv) homogenizing the melt obtained in step (iii) in a cold wall crucible, and
- (v) withdrawing the melt solidified under cooling from the cold wall induction crucible of step (iv) in the form of cylindrical blocks of freely adjustable diameters and lengths.
Das Verfahren wird vorzugsweise zur Herstellung von intermetallischen Legierungs-Ingots auf γ-TiAl Basis verwendet, wobei sich die Legierungen allgemein durch die folgende Summenformel beschreiben lassen:
TixAly(Cr,Mn,V)u(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)v(Si,B,C,Y)w
The process is preferably used for the production of γ-TiAl based intermetallic alloy ingots, which alloys can generally be described by the following empirical formula:
Ti x Al y (Cr, Mn, V) u (Zr, Cu, Nb, Ta, Mo, W, Ni) v (Si, B, C, Y) w
Die Konzentrationen der Legierungsbestandteile liegen üblicherweise innerhalb der folgenden Grenzen (angegeben in at.%):
- X = 100-y-u-v-w
- y = 40 bis 48, vorzugsweise 44 bis 48
- u = 0,5
bis 5 - v = 0,1 bis 10 und
- w = 0,05
bis 1.
- X = 100-yuvw
- y = 40 to 48, preferably 44 to 48
- u = 0.5 to 5
- v = 0.1 to 10 and
- w = 0.05 to 1.
Das induktive Abschmelzen der Elektroden in Stufe (iii) erfolgt in einem Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz von vorzugsweise 70 bis 300 kHz, insbesondere 70 bis 200 kHz und vorzugsweise bei Temperaturen von 1400°C bis 1700°C, insbesondere 1400°C bis 1600°C um ein gleichmäßiges Abtropfen zu erzielen, wird die Elektrode rotiert, wobei eine Geschwindigkeit von 4 UpM bevorzugt wird. Die Absenkgeschwindigkeit der Elektrode ist von 0 bis 200 mm/min kontinuierlich variierbar.The inductive melting of the electrodes in step (iii) takes place in a high-frequency field with a frequency of preferably 70 to 300 kHz, in particular 70 to 200 kHz and preferably at temperatures of 1400 ° C to 1700 ° C, in particular 1400 ° C to 1600 ° C. to achieve uniform dripping, the electrode is rotated, with a speed of 4 rpm being preferred. The lowering speed of the electrode is continuously variable from 0 to 200 mm / min.
Das Verfahren wird im Falle des induktiven Abschmelzens vorzugsweise quasi-kontinuierlich durchgeführt, indem eine oder mehrere Elektroden quasi-kontinuierlich nachgeführt werden, während gleichzeitig ein Block aus dem Kaltwandinduktionstiegel abgezogen wird.The method is preferably carried out quasi-continuously in the case of inductive melting by one or more electrodes are tracked quasi-continuously, while at the same time a block is withdrawn from the cold wall induction crucible.
Die Homogenisierung der Schmelze im Kaltwandinduktionstiegel in Stufe (iv) erfolgt vorzugsweise bei einer Überhitzung von 10 bis 100 K, vorzugsweise von 40 bis 60 K. Dies entspricht Temperaturen von 1400 °C bis 1750°C, vorzugsweise 1450°C bis 1700°C, je nach Legierungszusammensetzung. Der Frequenzbereich der Spule liegt bei 4 bis 20 kHz, vorzugsweise 4 bis 12 kHz.The homogenization of the melt in the cold wall induction crucible in step (iv) is preferably carried out at an overheating of 10 to 100 K, preferably from 40 to 60 K. This corresponds to temperatures of 1400 ° C to 1750 ° C, preferably 1450 ° C to 1700 ° C, depending on the alloy composition. The frequency range of the coil is 4 to 20 kHz, preferably 4 to 12 kHz.
Die Kühlung der Schmelze beim Abziehen der Blöcke in Stufe (v) erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von wassergekühlten Kupfersegmenten, und die Durchmesser der Blöcke liegen vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 350 mm, besonders bevorzugt 140 bis 220 mm.The cooling of the melt in the removal of the blocks in step (v) is preferably carried out with the aid of water-cooled copper segments, and the diameters of the blocks are preferably in a range of 40 to 350 mm, particularly preferably 140 to 220 mm.
Die Abzugsgeschwindigkeiten sind zwischen 5 bis 10 mm/min einstellbar. Dabei muß die Abzugsrate auf die Abtropfrate (Stufe iii) abgestimmt sein. Diese kann bei ca. 50 kg/h liegen.The take-off speeds are adjustable between 5 to 10 mm / min. The deduction rate must be adjusted to the drip rate (stage iii). This can be around 50 kg / h.
Durch das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, neue intermetallische Legierungs-Ingots auf γ-TiAl-Basis herzustellen, die sich durch eine neue Kombination von Dimensionsabmessungen einerseits und Homogenität andererseits auszeichnen, wie sie nachfolgend characterisiert sind :
- (a) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von >12,
- (b) eine Homogenität, bezogen auf lokale Schwankungen des Aluminiums und Titans von <
0,5 at.%: weitere metallische Legierungsbestandteile: ± 0,2 at.%; nichtmetallische Legierungszusätze (Bor, Kohlenstoff, Silizium) ± 0,05 at.%.t
- (a) a length to diameter ratio of> 12,
- (b) a homogeneity, based on local variations of aluminum and titanium of <t 0.5 at.%: other metallic alloy constituents: ± 0.2 at.%; non-metallic alloying additives (boron, carbon, silicon) ± 0.05 at.%.
Das Kernstück des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Zufuhrung einer vorhomogenisierten Schmelze des Legierungsmaterials in einen Kaltwand-Induktionstiegel (KIT). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, daß es beim Aufschmelzen des zur Herstellung von metallischen und intermetallischen Legierungs-Ingots dienenden Elektrodenmaterials zu einer beträchtlichen Homogenisierung des Materials kommt, so daß ein einzelner anschließender Homogenisierungsschritt im Kaltwand-Induktionstiegel ausreicht, um mittels dieser beiden Schritte eine weitestgehende Homogenisierung zu erreichen, wie sie beim VAR-Verfahren vergleichsweise nur mit sehr vielen Umschmelzstufen erreicht werden kann. Das erfindunsgemäße Verfahren ist damit im Vergleich zu dem bislang verwendeten VAR-Verfahren wesentlich einfacher und kostengünstiger.The core of the process of the invention is the continuous or quasi-continuous supply of a pre-homogenized melt of the alloy material in a cold wall induction crucible (KIT). In the context of the present invention, it has surprisingly been found that substantial melting of the electrode material used to produce metallic and intermetallic alloy ingots results in substantial homogenization of the material, so that a single subsequent homogenization step in the cold wall induction crucible is sufficient to accomplish these two steps To achieve the greatest possible homogenization, as can be achieved comparatively only with very many remelting stages in the VAR process. The erfindunsgemäße method is thus much simpler and cheaper compared to the previously used VAR method.
Damit verliert der KIT auch seine dem Stand der Technik entsprechende Hauptfunktion, nämlich das Aufschmelzen von Material, das stets im festen Aggregatzustand in den KIT chargiert wird. Es ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die während des Aufschmelzens von festen, mehrphasig aufgebauten Legierungen im KIT stets beobachteten Seigerungserscheinungen als Ursache für Inhomogenitäten des Endmaterials nicht auftreten, da das Material bereits im flüssigen Zustand in den KIT getangt.Thus, the KIT loses its state of the art corresponding main function, namely the melting of material that is always charged in solid state in the KIT. It is a significant advantage of the method according to the invention that the always observed during the melting of solid, multi-phase alloys in the KIT Segregation phenomena do not occur as cause for inhomogeneities of the final material, since the material already arrives in the liquid state in the KIT.
Als weiterer Vorteil zeigt sich, dass der für eine Homogenisierung der bereits schmelzflüssigen Legierung vorteilhafte Frequenzbereich der Induktionsspule höher liegt als der für das Aufschmelzen einer festen Legierung vorteilhafte Frequenzbereich. Überraschenderweise kann dadurch die Randporosität des aus der erstarrenden Schmelze im KIT abgezogenen Blockes maßgeblich verringert und damit die Blockqualität erhöht werden.Another advantage is that the frequency range of the induction coil which is advantageous for homogenizing the already molten alloy is higher than the frequency range which is advantageous for the melting of a solid alloy. Surprisingly, this significantly reduces the edge porosity of the block drawn off from the solidifying melt in the KIT and thus increases the block quality.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die im technisch sinnvollen Rahmen frei wählbaren Dimensionen des Kaltwandinduktionstiegels alle erforderlichen Dimensionen der Legierungs-Ingots realisiert werden können, was durch die VAR-Technologie nicht gewährleistet ist.A particular advantage of the method according to the invention is that all the required dimensions of the alloy ingots can be realized by the dimensions of the cold wall induction crucibles that are freely selectable in a technically sensible framework, which is not guaranteed by the VAR technology.
Das Verfahren wird vorzugsweise im Vakuum oder unter Schutzgas ausgeführt, und nicht verunreinigte Produktionsabfälle können in das Verfahren zurückgeführt werden. Der Materialverlust beträgt entsprechend einer erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung noch 12 % im Vergleich zu 35 % mit der herkömmlichen VAR-Technologie.The process is preferably carried out under vacuum or under inert gas, and non-contaminated production wastes can be recycled to the process. The material loss is according to a technical embodiment of the invention still 12% compared to 35% with the conventional VAR technology.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Realisierung von lokalen (makroskopischen) Schwankungen der Hauptlegierungselemente Aluminium und Titan von < ± 0,5 at.%; weitere metallische Legierungsbestandteile : ± 0,2 at.%; festigkeitssteigernde Elemente (Bor, Kohlenstoff, Silizium): ± 0,05 at.%; über den gesamten Ingot hinweg möglich.With the method according to the invention is a realization of local (macroscopic) variations of the main alloying elements aluminum and titanium of <± 0.5 at.%; other metallic alloy components: ± 0.2 at.%; Strength-increasing elements (boron, carbon, silicon): ± 0.05 at.%; possible over the entire ingot.
Als erfindungsgemäß werden auch neuartige Kombinationen aus an sich bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Teilverfahren angesehen, die eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Zufuhr von flüssigem, vorhomogenisiertem Material in einen Kaltwand-Induktionstiegel zum Zweck des kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Strangabzugs aus dem KIT gewährleisten.Novel combinations of prior art sub-processes which are known per se and which ensure a continuous or quasi-continuous supply of liquid, pre-homogenized material into a cold-wall induction crucible for the purpose of continuous or quasi-continuous strand withdrawal from the KIT are also considered as being inventive ,
Insbesondere betrifft dies die Kombination aus einer induktiv beheizten Abschmelzeinrichtung für Legierungsstäbe bzw. Legierungselektroden (induktives Abtropfschmelzen) einen KIT mit einer Strangabzugseinrichtung und die Kombination eines Plasma-Kaltwand-Ofens mit befeuertem Rinnensystem, eines als Skull ausgebildeten überlaufs mit besagtem KIT und besagter Strangabzugseinrichtung. Beide erfindungsgemäßen Verfahrenskombinationen werden anhand von Ausgestaltungs-Beispielen weiter unten ausführlich beschrieben.In particular, this relates to the combination of an inductively heated ablation device for alloy rods or alloy electrodes (inductive dripping melt) a KIT with a strand extraction device and the combination of a plasma cold wall furnace with fired gutter system, designed as a skull overflow with said KIT and said strand extraction device. Both process combinations according to the invention are described in detail below on the basis of design examples.
Wichtige Teilschritte dieser erfindungsgemäßen Verfahrenskombinationen, wie das induktive Abschmelzen von Elektroden, das PACHM-Verfahren, das Erschmelzen von Legierungen im Kaltwand-Induktionstiegel und der Blockabzug von Legierungen aus keramischen sowie Kaltwand-Induktionstiegeln sind unter deutlich verschiedenen Randbedingungen, Zielen und Materialien bekannt und bereits zum Einsatz gekommen.Important sub-steps of these inventive combinations of processes, such as the inductive melting of electrodes, the PACHM process, the melting of alloys in the cold wall induction crucible and the block deduction of alloys of ceramic and cold wall induction crucibles are known under clearly different boundary conditions, targets and materials and already Use came.
Das induktive Schmelzen von Metallen ist beispielsweise in den
Bezüglich des Standes der Technik zum Aufschmelzen von Materialien im Kaltwandinduktionstiegel sei auf die beiden US-Pantentschriften 5 892 790 und 6 144 690 verwiesen. Beide Patente befassen sich allerdings nicht mit der Ingotherstellung. Anders verhält es sich mit den Patentschriften
Der Blockabzug ist gleichfalls aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere aus dem keramischen Tiegel. Die mit diesem Stand der Technik befassten Patente betreffen überwiegend den Blockabzug von Buntmetallen (Cu, Messing). Die oben aufgeführten Patente
Die Herstellung der Elektroden erfolgt vorzugsweise durch Pressen und/oder Sintern pulverförmiger oder granulatförmigen Legierungskomponenten (vgl.
Die Zeichnungen zeigen
- Fig. 1
- den VAR-Prozeß für mehrfach umgeschmolzene γ-TiAl Ingots: (1) Elektrodenvorschub, (2) Ofenkammer, (3) luftgekühlte Stromversorgung, (4) Sammelschiene für Kabel, (5) Elektrodenführung, (6) Tiegel mit Wassermantel, (7) Teil der Vakuumeinrichtung, (8) XY_Anpassung, (9) Druckmeßdose,
- Fig. 2
- Abweichungen des Al-Gehaltes in Längsrichtung des Ingots nach zweifachem (schwarze Symbole) und dreifachem (graue Symbole) VAR-Umschmelzvorgang,
- Fig. 3
- Schematische Darstellung des Kalt-Wand-Elektronenstrahl-Schmelzens (oben) und des Kalt-Wand-Plasma-Schmelzens (unten)
- Fig. 4
- das erfindungsgemäße Verfahren (Beispiel 1) zur Fertigung chemisch homogener γ-TiAl Blöcke mit variablen Dimensionen: (1) rotierende Elektrode, (2) induktive HF-Spule, (3) Kaltwand-Induktionstiegel und (4) Kühlvorrichtung und Blockabzug,
- Fig. 5
- das erfindungsgemäße Verfahren (Beispiel 2) zur Fertigung chemisch homogener γ-TiAl Blöcke mit variablen Dimensionen: (1) Chargierrampe, (2) Plasmabrenner, (3) Kalter Herd, (4) Kaltwand-Induktionstiegel (KIT) und (5) Kühlvorrichtung und (6) Blockabzug.
- Fig. 1
- the VAR process for multiple remelted γ-TiAl ingots: (1) electrode feed, (2) furnace chamber, (3) air-cooled power supply, (4) cable busbar, (5) electrode guide, (6) water jacket crucible, (7) Part of the vacuum device, (8) XY_adjustment, (9) load cell,
- Fig. 2
- Deviations of the Al content in the longitudinal direction of the ingot after double (black symbols) and triple (gray symbols) VAR remelting process,
- Fig. 3
- Schematic of Cold Wall Electron Beam Melting (top) and Cold Wall Plasma Melting (bottom)
- Fig. 4
- the inventive method (Example 1) for producing chemically homogeneous γ-TiAl blocks with variable dimensions: (1) rotating electrode, (2) inductive RF coil, (3) cold wall induction crucible and (4) cooling device and block deduction,
- Fig. 5
- the inventive method (Example 2) for the production of chemically homogeneous γ-TiAl blocks with variable dimensions: (1) charging ramp, (2) plasma torch, (3) cold hearth, (4) cold wall induction crucible (KIT) and (5) cooling device and (6) block deduction.
Zusammenfassend handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine schmelzmetallurgische Technologie zur Herstellung chemisch und strukturell homogener Legierungs-Ingots, insbesondere von γ-TiAl-Blöcken als Ingot-Material für die Umformroute oder für Remelter-Stocks für die Gußroute. Die Technologie umfaßt die Kombination aus:
- der Herstellung von vorhomogenisiertem, schmelzflüssigem Material mit Hilfe des induktiven Abschmelzens in einer HF-Spule oder dem PACHM-Verfahren. In beiden Fällen enthält das Ausgangsmaterial die Summe aller Legierungsbestandteile, die aber nur unzureichend homogen verteilt sind,
- der Zufuhr von schmelzflüssigem Material in einen Kaltwand-Induktionstiegel
- der weiteren Homogenisierung des flüssigen (abgeschmolzenen) Materials im Kaltwand-Induktions-Tiegels (KIT), und
- dem vorzugsweise kontinuierlichen Blockabzug aus dem KIT.
- the production of pre-homogenised, molten material by means of inductive melting in an RF coil or the PACHM process. In both cases, the starting material contains the sum of all alloy constituents, which, however, are only insufficiently homogeneously distributed,
- the supply of molten material into a cold wall induction crucible
- the further homogenization of the liquid (melted) material in the cold wall induction crucible (KIT), and
- the preferably continuous block discharge from the KIT.
Die einzelnen Verfahrensschritte sollen nachfolgend noch einmal ausführlich beschrieben werden.The individual process steps will be described again in detail below.
Zunächst erfolgt die Herstellung der Elektroden. Mit Hilfe eines üblichen schmelzmetallurgischen Verfahrens, zum Beispiel mittels der VAR-Technologie, werden gepreßte Elektroden, die alle Legierungsbestandteile (Ti-Schwamm, Al-Granalien, Vorlegierungsgranalien) enthalten, unter Vergrößerung des Durchmessers auf Stäbe mit einem Durchmesser von beispielsweise 150 mm abgeschmolzen. Es handelt sich dabei um Stäbe, die über eine geringe chemische Homogenität und eine gewisse Porosität verfügen. Diese dienen als Elektroden für den nachfolgenden Strangabzug.First, the production of the electrodes. By means of a conventional melt metallurgical process, for example by means of the VAR technology, pressed electrodes containing all alloy constituents (Ti sponge, Al granules, master alloy granules) are melted down on diameter bars of 150 mm, for example, by enlarging the diameter. These are rods that have a low chemical homogeneity and a certain porosity. These serve as electrodes for the subsequent strand withdrawal.
Der erste technologische Schritt läßt sich über zwei alternative Wege -dem induktiven Abschmelzen bzw. dem PACHM-Verfahren darstellen. Beide Verfahren haben die Herstellung eines vorhomogenisierten, schmelzflüssigen Materials zum Ziel.
Bei dem induktiven Abschmelzen wird die nach einem üblichen Verfahren erschmolzene Elektrode mit Hilfe einer HF-Spule (gemäß EIGA-Verfahren, siehe
In inductive melting, the melted by a conventional method electrode using an RF coil (according to EIGA method, see
Bei Anwendung des PACHM-Verfahrens wird der Schmelzprozess durch Plasmabrenner realisiert. Die Plasmabrenner erfüllen zwei Funktionen: das Erschmelzen des Ausgangsmaterials und das Erhalten konstanter Umgebungsbedingungen während des Blockabzugs. Ausgangsmaterial, in Form von mechanisch zerkleinerten vorlegierten Compacts, wird sukzessive über eine hydraulische Rampe in die Schmelzkammer nachchargiert. In dem wassergekühlten Kaltwandtiegel aus Kupfer wird das Material schließlich mit Hilfe der Plasmabrenner aufgeschmolzen. Der Kaltwandtiegel ("Kalter Herd") dient als "Beseitigungsinstrument" von unerwünschten hochdichten (Wannenboden) und niederdichten Einschlüssen (aufschwimmende Schlacke) der Schmelze und als "Reservoir" für die Versorgung des Systems Tiegel-Blockabzug mit geschmolzenem Material. Die Stromstärke der Plasmabrenner über dem kalten Herd liegen zwischen 275-550 A, können aber je nach Art und Anzahl der verwendeten Plasmabrenner variieren.When using the PACHM process, the melting process is realized by plasma torches. The plasma torches perform two functions: melting the source material and maintaining constant ambient conditions during the block draw. Starting material, in the form of mechanically comminuted prealloyed compacts, is successively recharged via a hydraulic ramp into the melting chamber. In the water-cooled cold wall crucible made of copper, the material is finally melted using the plasma torch. The cold wall crucible ("cold hearth") serves as a "disposal tool" of undesirable high density (tub bottom) and low density inclusions (floating slag) of the melt and as a "reservoir" for supplying the system crucible block vent with molten material. The amperage of plasma torches above the cold hearth is between 275-550 A, but may vary depending on the type and number of plasma torches used.
Im nächsten Schritt wird die Schmelze dem Kaltwand-Induktionstiegel zugeführt. In dem mit einem mit beweglichem Boden ausgestatteten KIT wird durch die Rührwirkung des elektromagnetischen Feldes die Homogenität der Schmelze in einem größeren, weitgehend konstant gehaltenem schmelzflüssigen Volumen weiter verbessert. Die Verweilzeit der Schmelze im Tiegel beträgt etwa 20 min bis 45 min. Das Skull-Schmelzen im Kaltwandinduktionstiegel (KIT) ist eine seit Jahren industriell etablierte Technik. Dabei wird durch elektromagnetische Induktion in einem wassergekühlten Kupfertiegel ein Feld erzeugt, das zur Erwärmung bzw. Schmelzen der Materialien genutzt wird. Gleichzeitig drücken die auftretenden Lorenzkräfte das Schmelzmaterial teilweise von den Tiegelwänden ab und etablieren eine Umlaufströmung in der Schmelze, die in der Konsequenz zu einer guten Durchmischung der Schmelzphase führt. Im Bereich des Tiegelbodens und im unteren Teil der Tiegelwand kommt es, bedingt durch die Form des elektromagnetischen Feldes zur Ausbildung einer arteigenen festen Randschale (Skull). Dieser Skull, in Kombination mit der durch die Lorentzkräfte erzeugten freien Oberfläche, verhindert den direkten Kontakt des Schmelzmaterials mit dem Tiegel, so daß für die gesamte Schmelzphase die Kontaminationsgefahr beseitigt und die Anlagensicherheit gewährleistet sind.In the next step, the melt is fed to the cold wall induction crucible. In the KIT equipped with a movable bottom, the stirring action of the electromagnetic field further improves the homogeneity of the melt in a larger, substantially constant molten volume. The residence time of the melt in the crucible is about 20 minutes to 45 minutes. Skull melting in cold wall induction crucibles (KIT) has been an industrially established technique for years. In this case, a field is generated by electromagnetic induction in a water-cooled copper crucible, which is used for heating or melting of the materials. At the same time, the Lorenz forces that occur express that Melting material partially from the crucible walls and establish a circulating flow in the melt, which leads in consequence to a good mixing of the melt phase. In the area of the bottom of the crucible and in the lower part of the crucible wall, due to the shape of the electromagnetic field, the formation of a species-specific, fixed marginal shell (skull) occurs. This skull, in combination with the free surface created by the Lorentz forces, prevents the direct contact of the melt material with the crucible, so that the risk of contamination throughout the melting phase and the plant safety are guaranteed.
Die kontinuierliche Speisung des KIT's mit Schmelzgut wird im Falle des induktiven Abschmelzens durch das angeschlossene Elektrodenmagazin ermöglicht, das mehrere Elektroden gleichzeitig aufnehmen kann, die dann nacheinander abgeschmolzen werden. Im Falle des PACHM-Verfahrens erfolgt das Nachchargieren von mechanisch zerkleinerten vorlegiertem Material über eine hydraulische Rampe.
Der Bodenskull, der in seiner Dicke und seinem Habitus direkt von der Form des Induktionsfeldes abhängt, bietet den Ansatzpunkt für eine mögliche Halbzeugherstellung. Wenn nämlich während des Prozesses der Boden abgesenkt wird, reagiert das System in der Weise, daß sich ein neuer Gleichgewichtszustand ausbildet und somit auf den alten Bodenskull eine neue Schicht aufwächst. Die kontinuierliche Absenkung des Bodens führt damit zu einem System sich ständig anpassender Gleichgewichtszustände und in Folge zu einer nahezu kontinuierlich aufwachsenden Bodenschicht. Da die Grundfläche des Bodenskulls über den Tiegelboden festgelegt ist, führt das Aufwachsen neuer Schichten in der Konsequenz zur Entstehung eines Halbzeugs (Block). Allerdings bedingt der ständige Masseaustrag aus dem KIT auch die Zufuhr des neuen schmelzflüssigen Materials.In the case of inductive melting, the continuous feeding of the KIT with melted material is made possible by the connected electrode magazine, which can hold several electrodes at the same time, which are then melted one after the other. In the case of the PACHM process, the recharging of mechanically comminuted prealloyed material occurs via a hydraulic ramp.
The Bodenskull, which in its thickness and its habit depends directly on the shape of the induction field, provides the starting point for a possible production of semi-finished products. Namely, when the soil is lowered during the process, the system reacts in such a way that a new state of equilibrium is formed and thus a new layer grows on the old soil skip. The continuous lowering of the soil thus leads to a system of constantly adapting equilibrium states and consequently to an almost continuously growing soil layer. As the ground surface of the soil screed is fixed above the crucible bottom, the growth of new layers leads to the formation of a semi-finished product (block). However, the constant mass depletion from the KIT also causes the supply of new molten material.
Die Kühlung der Schmelze beim Abziehen der Blöcke erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von wassergekühlten Cu-Segmenten.The cooling of the melt during the removal of the blocks is preferably carried out with the aid of water-cooled Cu segments.
Durch den Blockabzug aus dem KIT wird ein chemisch homogener und weitestgehend porenfreier Ingot hergestellt. Bei diesem Verfahren ist der Durchmesser des KIT in großen Bereichen frei wählbar, so daß eine variable Wahl im lngotdurchmesser besteht. Die Abzugsgeschwindigkeiten können dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 50 mm/min liegen.The block discharge from the KIT produces a chemically homogeneous and largely pore-free ingot. In this method, the diameter of the KIT is freely selectable in large areas, so that a variable choice exists in Ingot diameter. The take-off speeds may preferably be in a range of 0 to 50 mm / min.
Die erfindungsgemäß hergestellten Produkte können zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden. In erster Linie werden aus ihnen in einem ersten Umformschritt (Strangpressen) Halbzeuge gefertigt, die zur Weiterverarbeitung in der Umformroute (Schmieden, Walzen) eingesetzt werden. Zur Herstellung von Bauteilen auf γ-TiAl-Basis über die Umformroute werden Ingots hoher struktureller und chemischer Qualität benötigt. Bei den Bauteilen handelt es sich zum Beispiel um Ventile und Turbinenschaufeln, die über ein ausgezeichnetes Eigenschaftsprofil verfügen und den höchsten Anforderungsbedingungen standhalten müssen.The products produced according to the invention can be used for various purposes. First and foremost, semifinished products are produced from them in a first forming step (extrusion), which are used for further processing in the forming route (forging, rolling). Ingots of high structural and chemical quality are required for the production of γ-TiAl-based components via the forming route. The components are, for example, valves and turbine blades, which have an excellent property profile and must withstand the highest requirements.
Des weiteren können die erfindungsgemäßen Produkte auch als Remelter-Stocks zur Fertigung von Gußrohlingen über den Feinguß oder Schleuderguß dienen. Remelter-Stocks werden als Ausgangsmaterial für die Feinguß- und Schleudergußroute benötigt. Die chemische und strukturelle Qualität steht hier nicht im Vordergrund, da das Material -im Gegensatz zu den Ingots- nochmals erschmolzen wird. Deshalb kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Stufe (ii) verzichtet und die gepreßten Elektroden unmittelbar induktiv abgeschmolzen werden bzw. vorgemischte Compacts über das PACHM-Verfahren erschmolzen werden. Die Feingußroute dient zur Herstellung von Bauteilen mit anspruchsvollem Design und komplexen Anforderungsprofilen. Als Beispiel sei hier der bereits kommerzialisierte Turbolader auf Basis von γ-TiAl genannt. Beim Schleuderguß handelt es sich um ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Massenbauteilen (z.B. Ventilen) mit einfachem Design und Anforderungsprofilen. Die Herstellung von Remelter-Stocks über das erfindungsgemäße Verfahren führt zu Produkten, die deutlich homogener sind als die entsprechenden Produkte des Standes der Technik, und können durch den Blockabzug in einer beliebigen zylindrischen Dimension hergestellt werden, während man bei dem bislang angewandten Verfahren auf die Abmessungen der vorhandenen Kokille angewiesen war. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, den Durchmesser und die Länge der Remelter-Stocks frei zu wählen und damit unmittelbar jeden Kundenwunsch auf einfache Weise berücksichtigen zu können.Furthermore, the products of the invention can also serve as Remelter stocks for the production of cast blanks on the investment casting or centrifugal casting. Remelter sticks are needed as starting material for the investment casting and centrifugal casting route. The chemical and structural quality is not in the foreground, because the material - in contrast to the ingots - is melted again. Therefore, in the method according to the invention, the stage (ii) can be dispensed with and the pressed electrodes can be directly inductively melted or premixed compacts can be melted by the PACHM method. The investment casting route is used to produce components with a sophisticated design and complex requirement profiles. An example of this is the already commercialized turbocharger based on γ-TiAl. Centrifugal casting is an inexpensive process for the production of mass components (eg valves) with a simple design and requirement profiles. The production of Remelter stocks via the process according to the invention leads to products which are significantly more homogeneous than the corresponding products of the prior art, and can be produced by the block deduction in any cylindrical dimension, while in the previously used method on the dimensions the existing mold was instructed. By the method according to the invention, it is possible to freely choose the diameter and the length of the Remelter stocks and thus to be able to immediately consider each customer request in a simple manner.
Die nachfolgenden Beispiele zur konkreten Ausgestaltung der Erfindung dienen zur besseren Erläuterung.The following examples for the specific embodiment of the invention serve to better explain.
Das Beispiel erläutert die Herstellung eines Stranggussblockes aus einer γ-TiAl-Legierung mit der Zusammensetzung Ti -46,5AI -4(Cr,Nb,Ta,B) (Angaben in at.-%) mit einem Durchmesser von 180 mm und einer Länge von 2.600 mm.The example illustrates the preparation of a continuous ingot of a γ-TiAl alloy with the composition Ti -46.5Al -4 (Cr, Nb, Ta, B) (reported in at .-%) with a diameter of 180 mm and a length of 2,600 mm.
Der erste Schritt besteht in der Herstellung von 4 einfach VAR-geschmolzenen Elektroden mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Länge von 1.000 mm aus Presselektroden, die alle Legierungsbestandteile in Form von Ti-Schwamm, Al-Granalien und geeigneten Vorlegierungen für Cr, Nb, Ta und B enthalten. Die noch nicht homogenen Stäbe dienen als Elektroden für die Herstellung von vorhomogenisiertem, schmelzflüssigem Material über das induktive Abschmelzen in einer HF-Spule. Die Elektroden sind am Fußpunkt kegelförmig ausgestaltet, wobei der Anstellungswinkel etwa 45° beträgt.The first step is the production of 4 single VAR-melted electrodes with a diameter of 150 mm and a length of 1,000 mm from pressing electrodes, all alloying components in the form of Ti sponge, Al granules and suitable master alloys for Cr, Nb, Ta and B included. The not yet homogeneous rods serve as electrodes for the production of pre-homogenized, molten material via the inductive melting in an RF coil. The electrodes are cone-shaped at the base, wherein the angle of employment is about 45 °.
Beim induktiven Abschmelzen wird eine Elektrode aus dem alle 4 Elektroden fassenden Magazin der ebenfalls kegelförmig ausgebildeten HF-Abschmelzspule zugeführt und induktiv in einen Kaltwand-Induktionstiegel abgeschmolzen. Die Schmelze entsteht an der gesamten Kegeloberfläche und läuft an der Kegelspitze zu einem Schmelzstrahl, in dem das Material vorhomogenisiert wird, zusammen. Die Schmelze gelangt unter Nutzung der Schwerkraft in den sich unter der Abschmelzspule befindlichen Kaltwand-Induktionstiegel. Die Frequenz am Außenschwingkreis der Abschmelzspule beträgt 80,6 kHz. Durch gleichmäßiges Vorheizen der Abtropfelektrode mittels induktiver Erwärmung (Mittelfrequenz etwa 500 Hz bis 1 kHz) über eine oberhalb der Abschmelzspule angebrachte Hilfsspule auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung (ca. 1300°C) wird eine erhöhte Schmelzleistung von über 50 kg / h erreicht. Die Elektrode wird mit einer Geschwindigkeit von 4 Upm gedreht; die Absenkgeschwindigkeit beträgt ca. 12 mm/min.During inductive melting, an electrode is fed from the magazine, which holds all four electrodes, to the likewise cone-shaped HF melting-off coil and is inductively melted into a cold-wall induction crucible. The melt is formed on the entire surface of the cone and converges at the apex of the cone to a melt stream in which the material is pre-homogenized. The melt passes, by gravity, into the cold wall induction crucible located below the Abschmelzspule. The frequency at the outer ring of the Abschmelzspule is 80.6 kHz. By uniformly pre-heating the Abtroefeldektrode by means of inductive heating (center frequency about 500 Hz to 1 kHz) via an above the Abschmelzspule attached auxiliary coil to temperatures below the melting point of the alloy (about 1300 ° C), an increased melting capacity of over 50 kg / h is achieved. The electrode is rotated at a speed of 4 rpm; the lowering speed is approx. 12 mm / min.
Das vorhomogenisierte, schmelzflüssige Material fällt in einen Kaltwand-Induktionstiegel mit einem nach unten abziehbaren Boden. Der Durchmesser des Tiegels beträgt 180 mm. Die Schmelze erstarrt im unteren Bereich des Tiegels und wird kontinuierlich nach unten abgezogen. Die Kühlung der Schmelze beim Abziehen der Blöcke erfolgt mit wassergekühlten Kupfer-Segmenten. Die Abzugsgeschwindigkeit beträgt ca. 1 mm/min. Die durchschnittliche Verweilzeit der Schmelze zur Homogenisierung im Kaltwand-Induktionstiegel beträgt ca. 20 min, was einer Badhöhe von etwa 160 mm entspricht. Die Bad-Temperatur liegt bei 1580 °C und die Frequenz, die an der den Tiegel umgebenden . Induktionsspule anliegt, beträgt 12 kHz.The pre-homogenized molten material falls into a cold wall induction crucible with a bottom peel-off tray. The diameter of the crucible is 180 mm. The melt solidifies in the lower part of the crucible and is drawn off continuously downwards. The cooling of the melt when removing the blocks is done with water-cooled copper segments. The take-off speed is approx. 1 mm / min. The average residence time of the melt for homogenization in the cold wall induction crucible is about 20 minutes, which corresponds to a bath height of about 160 mm. The bath temperature is 1580 ° C and the frequency surrounding that of the crucible. Induction coil is applied, is 12 kHz.
Nachdem die erste Elektrode abgeschmolzen ist, wird die zweite Elektrode in die erforderliche Position gefahren und bis zum Abschmelzen erwärmt, wobei der Strangabzug während dieser Zeit unterbrochen wird. Danach wird der Prozess wie beschrieben fortgeführt, bis alle 4 Elektroden des Magazins abgeschmolzen sind.After the first electrode has melted off, the second electrode is moved to the required position and heated to melting, whereby the strand withdrawal is interrupted during this time. Thereafter, the process continues as described until all 4 electrodes of the magazine have melted.
Das Verfahren kann sowohl unter Vakuum als auch unter Schutzgas durchgeführt werden.The process can be carried out both under vacuum and under protective gas.
Der erhaltene Block besitzt einen Durchmesser von ca. 180 mm und eine Gesamtlänge von 2.600 mm und zeichnet sich durch eine sehr gute chemische und strukturelle Homogenität aus. Die lokalen Schwankungen für Aluminium und Titan sind kleiner als ± 0,5 at.%, die der Elemente Cr, Nb und Ta kleiner als ± 0,2 at.% und die für B kleiner als ± 0,05 at.%.The resulting block has a diameter of about 180 mm and a total length of 2,600 mm and is characterized by a very good chemical and structural homogeneity. The local variations for aluminum and titanium are less than ± 0.5 at.%, Those of Cr, Nb and Ta less than ± 0.2 at.% And those for B less than ± 0.05 at.%.
Das Ausführungsbeispiel 2 unterscheidet sich durch die Art und Weise der Erzeugung des schmelzflüssigen Materials und der Zufuhr in den KIT vom Ausführungsbeispiel 1. Das Verfahren wird unter He-Schutzgas durchgeführt. Eine Alternative zum induktiven Abschmelzen bietet der PACHM-Prozeß (Plasma Arc Cold Hearth Melting). In der vorliegenden Ausgestaltung wird das Ausgangsmaterial in Form von einfach VAR-geschmolzenen Elektroden entsprechend Beispiel 1 mittels eines He-Plasmabrenners (150kW) in einem wassergekühlten Kupfertiegel erschmolzen und über eine ebenfalls mit einem He-Plasmabrenner (150 kW) befeuerte wassergekühlte Rinne weitergeführt. Die Stromstärke der Plasmabrenner über dem kalten Herd liegt bei ca. 500 A. Die flüssige Legierungsschmelze fließt im materialeigenen Skull bis zu einem Überlauf oberhalb des KIT, von wo es kontinuierlich in den KIT fließt. Das Ausgangsmaterial wird kontinuierlich über eine hydraulisch angesteuerte Rampe nachchargiert. Der kalte Tiegel übernimmt zwei Hauptfunktionen: Neben einem Reservoir für vorhomogenisiertes, schmelzflüssiges Material dient er zusätzlich als Ablagerungsstätte für unerwünschte hochdichte und keramische Einschlüsse.
Der weitere Prozeß verläuft analog des im Beispiel 1 beschriebenen Ablaufs.The further process is analogous to the procedure described in Example 1.
Die angegebenen technischen Daten in den Beispielen sollen die Erfindung in keiner Weise beschränken. Insbesondere die Anzahl, Art und Leistung der Plasmabrenner, das Material für die kalten Tiegel, Leistung und Frequenzbereiche der Induktionsspulen, Durchmesser des KIT, Badhöhen der Schmelzen im KIT und Vorschub- bzw. Abzugsgeschwindigkeiten können im Rahmen des Standes der Technik variiert werden, ohne dass die Erfindung damit beeinträchtigt wird.The specified technical data in the examples are not intended to limit the invention in any way. In particular, the number, type and performance of the plasma torch, the material for the cold crucible, power and frequency ranges of the induction coil, diameter of the KIT, bath levels of the melts in the KIT and feed and withdrawal speeds can be varied within the scope of the prior art, without the invention is impaired.
Claims (11)
- A method of producing metallic and intermetallic alloy ingots by continuous or quasi-continuous billet withdrawal from a cold wall induction crucible, in particular of producing metallic and intermetallic alloy ingots of high homogeneity and low porosity of any adjustable diameter, characterized in that it is based on the following sequence:(i) producing electrodes by customarily mixing and compressing the selected starting materials;(ii) at least once remelting the electrodes obtained in step (i) in a conventional fusion-metallurgical process;(iii) producing a pre-homogenized, molten material of the electrode material obtained in step (ii) by melting off in a cold crucible plasma furnace or by inductively melting off in a high frequency coil;(iv) homogenizing the pre-homogenized, molten material obtained in step (iii) in a cold wall induction crucible, by this alloy material being supplied in a molten and pre-homogenized state continuously or quasi-continuously to the cold wall induction crucible, and(v) withdrawing the melt, solidified by cooling, from the cold wall induction crucible of step (iv) in the form of solidified ingots of freely adjustable diameters and lengths.
- A method according to claim 1, characterized in that inter-metallic γ-TiAl-based alloy ingots are produced.
- A method according to claim 1 and 2, characterized in that the alloys are described by the following summation formula:
TixAly(Cr,Mn,V)u(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)v(Si,B,C,Y)w
with the concentrations of the alloying constituents being within the following ranges (in atomic percent):x = 100-y-u-v-wy = 40 to 48, preferably 44 to 48u = 0.5 to 5v = 0.1 to 10 andw = 0.05 to 1. - A method according to any of the claims 1 to 3, characterized in that the melting process for producing the pre-homogenized, molten material takes place in a high frequency field of a frequency in the range of 70 to 300 kHz.
- A method according to claims 1 to 4, characterized in that the temperature of the pre-homogenized, molten material ranges between 1400 to 1600°C.
- A method according to any of the claims 1 to 5, characterized in that the electrodes in step (iii) used for producing the molten, pre-homogenized material by means of an induction coil rotate preferably at a speed between 2 and 5 revolutions per minute.
- A method according to any of the claims 1 to 6, characterized in that the method is executed quasi-continuously by one or several electrodes, in case of inductive melting, being quasi-continuously fed while an ingot is simultaneously withdrawn from the cold wall induction crucible.
- A method according to any of the claims 1 to 7, characterized in that homogenization in the cold wall induction crucible in step (iv) takes place at a temperature of 1400 to 1700°C.
- A method according to any of the claims 1 to 8, characterized in that homogenization in the cold wall induction crucible in step (iv) takes place in a range of frequency of 4 to 20 kHz.
- A method according to any of the claims 1 to 9, characterized in that cooling the melt upon ingot withdrawal in step (v) takes place by the aid of water-cooled copper segments.
- A method according to any of the claims 1 to 10, characterized in that the diameter of the ingots withdrawn in step (v) is in the range of 40 to 350 mm.
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