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WO2006010356A2 - Verfahren zum herstellen eines gussbauteils - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines gussbauteils Download PDF

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WO2006010356A2 PCT/DE2005/001256 DE2005001256W WO2006010356A2 WO 2006010356 A2 WO2006010356 A2 WO 2006010356A2 DE 2005001256 W DE2005001256 W DE 2005001256W WO 2006010356 A2 WO2006010356 A2 WO 2006010356A2
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    • B22D39/02—Equipment for supplying molten metal in rations having means for controlling the amount of molten metal by volume

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cast component.
  • the present invention relates to the production of components made of an intermetallic titanium-aluminum material, in particular the manufacture of gas turbine components, using a casting method.
  • molds so-called casting molds
  • the casting molds have an inner contour which corresponds to the outer contour of the component to be manufactured.
  • permanent casting molds In principle, in casting processes, a distinction is made between those working with lost casting molds and permanent casting molds. In casting processes that use lost casting molds, only one component can ever be produced with one casting mold. In casting processes that use continuous casting molds, the casting molds can be used several times. Among the casting methods that work with lost molds, among other things, the so-called investment casting. In the casting processes which work with permanent casting molds, reference is made here by way of example to the casting of ingots.
  • the rod-shaped Halb ⁇ stuff for filling a crucible spark erosion or comminuted by Wasser ⁇ jet cutting wherein the inserted into the crucible amount of the rod-shaped semi-finished product is tuned to the Schmelztiegelterrorism.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for producing a cast component.
  • This problem is solved by a method according to claim 1.
  • the method comprises at least the following steps: a) providing a crucible; b) providing a semifinished granulate of a titanium-aluminum intermetallic material; c) filling the crucible with the semi-finished granules, wherein the amount of semifinished granules filled in the crucible corresponds to the amount required for casting the component; d) melting the semi-finished granules of the intermetallic titanium-aluminum material in the crucible; e) providing a mold; f) filling the melt into the mold; g) solidification of the melt in the mold; h) detachment of the cast part from the casting mold.
  • a semifinished granulate made of an intermetallic titanium-aluminum material for the manufacture of an intermetallic cast component.
  • the granulate form offers considerable advantages over the rod shape known from the prior art.
  • a semifinished product in granular form is more flexible to handle.
  • a continuous melting and casting operation can be established by using a granular semifinished product.
  • a crucible is filled with the semifinished granulate in such a way that the quantity of semifinished granulate filled in the crucible corresponds exactly to the quantity required for casting the component.
  • the filled in the crucible amount of semifinished product is therefore not tuned as in the prior art on Schmelztiegelshirts, but rather on the component to be produced. This results in significant cost advantages.
  • the procedure is such that a crucible is provided in a first step.
  • a semi-finished granulate made of an intermetallic Ti ⁇ tan-aluminum material is then provided.
  • the procedure is such that titanium oxide and aluminum oxide are used in a reduction process using magnesium and / or calcium to formulate powders, namely titanium powder and aluminum oxide. powder, be reduced. Subsequently, the reaction products magnesium oxide and / or calcium oxide are removed from the aluminum powder and titanium powder or separated, in particular sieved. The aluminum powder and titanium powder are then ground and heat-treated at a temperature which is below the melting temperature of aluminum and titanium. As a result of the solid state reaction associated therewith, the titanium powder and aluminum powder are converted into an intermetallic titanium-aluminum granulate (Ti x -Al ⁇ granulate).
  • the crucible provided is filled with the semi-finished granules, wherein the amount of semi-finished granules filled in the crucible exactly the amount required for casting the Bau ⁇ part to be produced equivalent.
  • the semi-granulated product is kept ready in boxes arranged above the crucible.
  • at least one of the cheeses is opened and emptied, in which case the semi-finished granules pass into the crucible.
  • the same can be refilled with semifinished granulate independently of the further processing of the semifinished product granulate into crucible and casting mold. As a result, the flexibility of the casting process can be significantly increased.
  • the semifinished granulate from the intermetallic titanium-aluminum material is melted in the crucible.
  • the crucible is also referred to as a cold wall crucible.
  • the semi-finished product melted in the crucible is filled into a casting mold as a melt, the melt being melted in the casting mold. solidified and then the cast component
  • the mold solidified and then the cast component
  • the method according to the invention is preferably used in the production of gas turbine components, in particular in the production of blades for aircraft engines, from an intermetallic titanium-aluminum material.
  • the quality of the components produced by casting technology from the titanium-aluminum material can be significantly increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, durch Gießen. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Schmelztiegels; b) Bereitstellen eines Halbzeug-Granulats aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff; c) Befüllen des Schmelztiegels mit dem Halbzeug-Granulat, wobei die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats der zum Gießen des Bauteil benötigten Menge entspricht; d) Schmelzen des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff in dem Schmelztiegel; e) Bereitstellen einer Gussform; f) Einfüllen der Schmelze in die Gussform; g) Erstarren der Schmelze in der Gussform; h) Herauslösen des Gussbauteils aus der Gussform.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff, insbesondere die Her¬ stellung von Gasturbinenbauteilen, mithilfe eines Gießverfahrens. Beim Gießen werden Formen, sogenannte Gussformen, verwendet, wobei die Guss- formen eine Innenkontur aufweisen, die der Außenkontur des herzustellen¬ den Bauteils entspricht. Prinzipiell unterscheidet man bei Gießverfahren solche, die mit verlorenen Gussformen oder Dauergussformen arbeiten. Bei Gießverfahren, die mit verlorenen Gussformen arbeiten, kann mit einer Gussform immer nur ein Bauteil hergestellt werden. Bei Gießverfahren, die mit Dauergussformen arbeiten, können die Gussformen mehrfach verwendet werden. Zu den Gießverfahren, die mit verlorenen Gussformen arbeiten, zählt unter anderem das sogenannte Feingießen. Bei den Gießverfahren, die mit Dauergussformen arbeiten, sei hier exemplarisch auf das Kokillengie¬ ßen verwiesen.
Bei der gusstechnischen Herstellung von Bauteilen aus einem intermetalli¬ schen Titan-Aluminium-Werkstoff wird nach dem Stand der Technik so vorge¬ gangen, dass ein Schmelztiegel mit einem Halbzeug befüllt wird, wobei es sich nach dem Stand der Technik bei dem Halbzeug um Stangen aus dem in¬ termetallischen Werkstoff handelt, die aus Pressungen der metallischen Elemente durch Lichtbogenschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen herge¬ stellt werden. Die Herstellung dieser Halbzeuge und damit die Herstellung des Gussbauteils ist sehr kostenintensiv, wobei die Werkstoffqualität stark von der zur Bereitstellung des Halbzeugs angewandten Schmelztechno¬ logie abhängt. Nach dem Stand der Technik wird das stangenförmige Halb¬ zeug zum Befüllen eines Schmelztiegels funkenerosiv oder durch Wasser¬ strahlschneiden zerkleinert, wobei die in den Schmelztiegel eingefügte Menge des stangenförmigen Halbzeugs auf das Schmelztiegelmaß abgestimmt ist. Hierdurch ergibt sich eine kostenintensive Befüllung der Schmelztie¬ gel bei der Herstellung von Gussbauteilen aus intermetallischen Werkstof¬ fen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Schmelztiegels; b) Bereitstellen eines Halbzeug- Granulats aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff; c) Be- füllen des Schmelztiegels mit dem Halbzeug-Granulat, wobei die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats der zum Gießen des Bau¬ teil benötigten Menge entspricht; d) Schmelzen des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff in dem Schmelztiegel; e) Bereitstellen einer Gussform; f) Einfüllen der Schmelze in die Gussform; g) Erstarren der Schmelze in der Gussform; h) Herauslösen des Gussbau¬ teils aus der Gussform.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, zum Herstel¬ len eines intermetallischen Gussbauteils ein Halbzeug-Granulat aus einem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff bereitzustellen. Die Granu¬ latform bietet gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Stangen¬ form erhebliche Vorteile. So ist ein Halbzeug in Granulatform flexibler handhabbar. Weiterhin kann ein kontinuierlicher Schmelz- und Gussbetrieb durch Verwendung eines granulatförmigen Halbzeugs etabliert werden. Wei¬ terhin wird im Sinne der Erfindung ein Schmelztiegel derart mit dem Halb¬ zeug-Granulat befüllt, dass die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats exakt der zum Gießen des Bauteils benötigten Menge entspricht. Die in den Schmelztiegel gefüllte Menge an Halbzeug ist dem¬ nach nicht wie beim Stand der Technik auf das Schmelztiegelmaß, sondern vielmehr auf das herzustellende Bauteil abgestimmt. Hierdurch ergeben sich deutliche Kostenvorteile.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Nachfolgend wird das hier vorliegende Verfahren zum Herstellen von Gussbauteilen, insbesondere von Gasturbinengussbauteilen, in größerem Detail beschrieben.
Bei der gusstechnischen Herstellung eines Bauteils aus einem intermetal¬ lischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird so vorgegangen, dass in einem ers¬ ten Schritt ein Schmelztiegel bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt wird sodann ein Halbzeug-Granulat aus einem intermetallischen Ti¬ tan-Aluminium-Werkstoff bereitgestellt.
Bei der Bereitstellung des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird so vorgegangen, dass Titanoxid und Alumi¬ niumoxid in einem Reduktionsprozess unter Verwendung von Magnesium und/oder Calcium zu Elementpulvern, nämlich zu Titanpulver und Aluminium- pulver, reduziert werden. Anschließend werden die Reaktionsprodukte Mag- nesiumoxid und/oder Calciumoxid vom Aluminiumpulver sowie Titanpulver entfernt bzw. getrennt, insbesondere ausgesiebt. Das Aluminiumpulver so¬ wie Titanpulver werden dann vermählen und bei einer Temperatur, die un¬ terhalb der Schmelztemperatur von Aluminium sowie Titan liegt, wärmebe¬ handelt. Durch die hiermit verbundene Festkörperreaktion werden das Ti¬ tanpulver und Aluminiumpulver in ein intermetallisches Titan-Aluminium- Granulat (Tix-Alγ-Granulat) überführt.
Die Herstellung eines solchen Halbzeug-Granulats aus einem intermetalli¬ schen Titan-Aluminium-Werkstoff verfügt gegenüber der Bereitstellung der aus dem Stand der Technik bekannten stangenförmigen Halbzeuge über den Vorteil, dass das Halbzeug wesentlich geringere Schwankungen der Legie¬ rungsbestandteile aufweist. Das Halbzeug-Granulat wird ohne die nach dem Stand der Technik erforderlichen Schmelzvorgänge hergestellt, was den Vorteil mit sich bringt, dass eine bei den Schmelzvorgängen stattfindende Abdampfung von Legierungsbestandteilen sowie Reaktionen der Legierungsbe¬ standteile vermieden werden. Weiterhin lässt sich ein granulatförmiges Halbzeug wesentlich einfacher handhaben und weiterverarbeiten als ein stangenförmiges Halbzeug.
Nach dem Bereitstellen des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff wird der bereitgestellte Schmelztiegel mit dem Halbzeug-Granulat befüllt, wobei die Menge des in den Schmelztiegel ge¬ füllten Halbzeug-Granulats exakt der zum Gießen des herzustellenden Bau¬ teils benötigten Menge entspricht.
Nach einem weiteren Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird das Halb¬ zeug-Granulat in oberhalb des Schmelztiegels angeordneten Kästen bereit¬ gehalten. Zum Befüllen des Schmelztiegels wird mindestens einer der Käs¬ ten geöffnet und entleert, wobei dann das Halbzeug-Granulat in den Schmelztiegel gelangt. Nach dem Entleeren eines solchen Kastens kann der¬ selbe unabhängig von der Weiterverarbeitung des Halbzeug-Granulats in Schmelztiegel sowie Gussform neu mit Halbzeug-Granulat befüllt werden. Hierdurch kann die Flexibilität des Gießverfahrens deutlich gesteigert werden.
Nach dem Befüllen des Schmelztiegels mit Halbzeug-Granulat wird das Halb¬ zeug-Granulat aus dem intermetallischen Titan-Aluminium-Werkstoff im Schmelztiegel geschmolzen. Der Schmelztiegel wird auch als Kaltwandtiegel bezeichnet. Das in dem Schmelztiegel geschmolzene Halbzeug-Granulat wird als Schmelze in eine Gussform eingefüllt, wobei die Schmelze in der Guss- form erstarrt und anschließend das Gussbauteil aus der Gussform herausge¬ löst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Verwendung bei der Her¬ stellung von Gasturbinenbauteilen, insbesondere bei der Herstellung von Schaufeln für Flugtriebwerke, aus einem intermetallischen Titan- Aluminium-Werkstoff. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Quali¬ tät der gusstechnisch hergestellten Bauteile aus dem Titan-Aluminium- Werkstoff deutlich gesteigert werden. Des weiteren ergibt sich eine er¬ höhte Flexibilität des Gießverfahrens sowie ein Kostenvorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Gastur¬ binenbauteils, durch Gießen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Schmelztiegels; b) Bereitstellen eines Halbzeug-Granulats aus einem intermetalli¬ schen Titan-Aluminium-Werkstoff; c) Befüllen des Schmelztiegels mit dem Halbzeug-Granulat, wobei die Menge des in den Schmelztiegel gefüllten Halbzeug-Granulats der zum Gießen des Bauteil benötigten Menge entspricht; d) Schmelzen des Halbzeug-Granulats aus dem intermetallischen Ti¬ tan-Aluminium-Werkstoff in dem Schmelztiegel; e) Bereitstellen einer Gussform; f) Einfüllen der Schmelze in die Gussform; g) Erstarren der Schmelze in der Gussform; h) Herauslösen des Gussbauteils aus der Gussform.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung des Halbzeug-Granulats aus dem intermetalli¬ schen Titan-Aluminium-Werkstoff Titanoxid und Aluminiumoxid zu Ti¬ tanpulver und Aluminiumpulver reduziert werden, dass das Titanpulver und das Aluminiumpulver anschließend vermählen und durch eine Wärme¬ behandlung bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur die¬ ser Elemente in ein intermetallisches Tix-Alγ-Granulat überführt wer¬ den.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion von Titanoxid und Aluminiumoxid zu Titanpulver und Aluminiumpulver unter Verwendung von Magnesium und/oder Calcium durchgeführt wird, wobei die Reaktionsprodukte Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid vor dem Vermählen des Titanpulvers und Alumini¬ umpulvers entfernt, insbesondere ausgesiebt, werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug-Granulat in oberhalb des Schmelztiegels angeordne¬ ten Kästen bereitgehalten wird, wobei zum Befüllen des Schmelztie¬ gels mindestens einer der Kästen geöffnet und entleert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entleeren des oder jedes Kastens und während des Schmelzen des Halbzeug-Granulats in dem Schmelztiegel der oder jede Kasten mit Halbzeug-Granulat neu befüllt wird.
6. Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zum Herstellen von Gasturbinenschaufeln.
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