endkonturnahen TiAI-Bauteilen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von TiAI-Bauteilen, insbesondere durch endkonturnahes Gießen von γ-ΤΊΑΙ-Legierungen. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der TiAI-Bauteile mit dieser Vorrichtung.

Gattungsgemäße Hochtemperaturleichtbauwerkstoffe, welche bei einer geringen Dichte eine große spezifische Festigkeit aufweisen, finden insbesondere an Vorrichtungen zur Energieumwandlung zum Erreichen geforderter Effizienzsteigerungen verstärkte Anwendung. So werden zum Beispiel Titan-Aluminium-Basislegierungen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und ihrer zusätzlichen sehr guten Korrosionsbeständigkeit bei der Herstellung von Komponenten von Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken oder Turboladereinheiten moderner Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Die stetig ansteigende Anzahl an Kraftfahrzeugen und die Verknappung der Energieressourcen erfordert die Verringerung schädlicher Emissionen, des Lärms sowie des Kraftstoffverbrauches der Kraftfahrzeuge. Die Entwicklung von effizient betreibbaren Abgasturboladern stellt dabei eine mögliche Lösung dar.

Durch den Einsatz von Abgasturboladern können Verbrennungsmotoren bei gleichbleibender Leistung kleiner dimensioniert werden. Bei einem aus einer Turbine und einem Verdichter ausgebildeten Abgasturbolader wird das Turbinenlaufrad mit der Energie des Abgasstroms in Rotation versetzt. Eine Welle überträgt das Drehmoment auf das Verdichterrad, welches die in den Verbrennungsraum einströmende Luft komprimiert und in den Motor einleitet. Infolge des durch den verdichteten Luftstrom erzeugten Sauerstoffüberschusses werden der Kraftstoff im Motor nahezu vollständig verbrannt und schädliche Emissionen verringert. Die Abgase eines Dieselmotors erreichen Temperaturen bis etwa 850 °C, während die Abgase von Ottomotoren sogar Temperaturen von etwa 1050 °C aufweisen. Die hohen Temperaturen der Abgase führen zu einer großen thermischen Belastung der im Abgasstrom angeordneten Bauteile. Um die Anforderungen an die insbesondere im Abgasstrom rotierend ausgebildeten Bauteile, wie das Turbinenrad, zu erfüllen, werden die Entwicklung von Hochtemperatur- Leichtbauwerkstoffen sowie deren Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien vorangetrieben. Ein großes Einsatzpotenzial weisen dabei intermetallische Titanaluminium-Legierungen, auch als TiAI-Legierungen oder Titanaluminide bezeichnet, auf Basis der γ-TiAI-Phase mit einer geringen Dichte und einer großen spezifischen Festigkeit bei hoher Temperatur auf.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, γ-ΤίΑΙ-Legierungen durch mehrfaches Umschmelzen in einem Vakuum-Lichtbogenofen als Ingot herzustellen. Dabei wird eine gepresste Elektrode, welche alle Legierungsbestandteile, wie Ti- Schwamm, Aluminium und Vorlegierungen, aufweist, unter Vergrößerung ihres Durchmessers abgeschmolzen. Der Durchmesser liegt im Bereich von etwa 100 mm bis 200 mm.

Die primär abgegossene Elektrode muss anschließend mehrmals, das heißt mindestens zweimal oder dreimal, umgeschmolzen werden, um in der Legierungszusammensetzung auftretende Inhomogenitäten zu beseitigen beziehungsweise den notwendigen Grad der Homogenität zu erreichen.

Im weiteren Verfahren wird die Gießelektrode beziehungsweise das Schmiedevormaterial gießtechnisch verarbeitet. Dabei wird die Gießelektrode in einer Lichtbogenschmelzanlage aufgeschmolzen. Die Schmelze wird nachfolgend mittels einer Zentrifugalgießanlage in permanente Gießformen abgegossen. Die derart hergestellten Halbzeuge mit einem Durchmesser im Bereich von 50 mm bis 90 mm werden in nachfolgenden Verfahrensschritten, wie Gießen und/oder Schmieden, weiterverwendet. Die große Anzahl an Schmelzvorgängen zur Herstellung der Ingots verursacht einen hohen Herstellungsaufwand und Kostenaufwand. Zudem bedingen die Schmelzvorgänge jeweils einen Materialverlust. Die Durchmesser der Ingots sind nicht frei wählbar.

In der DE 101 56 336 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von metallischen oder intermetallischen Legierungs-Ingots hoher Homogenität und geringer Porosität mit beliebig einstellbarem Durchmesser offenbart. Bei dem Verfahren werden durch Vermischen und Verpressen ausgewählter Ausgangsstoffe Elektroden hergestellt. Anschließend werden die Elektroden in einem schmelzmetallurgischen Verfahren mindestens einmal umgeschmolzen. Nachfolgend werden durch Vermischen und Verpressen hergestellte oder die im schmelzmetallurgischen Verfahren umgeschmolzenen Elektroden in einer Hochfrequenz-Spule induktiv abgeschmolzen und die derart erhaltene Schmelze in einem Kaltwandinduktionstiegel homogenisiert. Im abschließenden Verfahrensschritt wird die Schmelze unter Kühlung aus dem Kaltwandinduktionstiegel in Form von Blöcken mit frei einstellbarem Durchmesser abgezogen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dienen ausschließlich der Herstellung von Halbzeugen zur weiteren Verarbeitung. Die Halbzeuge werden entweder innerhalb von Gießverfahren, beispielsweise dem Feinguss- Verfahren, wieder aufgeschmolzen oder für den Einsatz als Schmiedevormaterial vorbereitet. Vor dieser abschließenden Endbearbeitung, wie dem Gießen und/oder dem Schmieden, durchlaufen die Werkstoffe jedoch stets ein mindestens zweistufiges Schmelzverfahren:

a) Herstellung des Primär-Ingots aus den Rohstoffen und

b) Abgießen beziehungsweise Abziehen der Halbzeuge. Die herkömmlichen Verfahren weisen sehr viele Verfahrensschritte, insbesondere das mehrfache Umschmelzen betreffend, auf. Dabei ist zudem die Bereitstellung von großen Energiemengen notwendig, welche das Verfahren kostenintensiv machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von γ- TiAI-Bauteilen zur Verfügung zu stellen. Die Bauteile sollen direkt aus den Rohstoffen herstellbar sein, ohne dass das Verfahren die zusätzlichen Verfahrensschritte zur Herstellung von Halbzeugen aufweist. Damit sollen die Anzahl der Verfahrensschritte sowie der Einsatz an Prozessenergie und Schmelzenergie verringert werden.

Das mit dem Verfahren hergestellte Bauteil soll aus einem Werkstoff mit homogenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Kriechbeständigkeit bei hoher Festigkeit, speziell bei Hochtemperaturanwendungen, ausgebildet sein. Das Verfahren soll weniger kostenintensiv und weniger zeitaufwändig als die im Stand der Technik bekannten Verfahren sein, wobei das Bauteil mit endabmessungsnahen Dimensionen wirtschaftlich fertigbar sein soll.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von TiAI-Bauteilen, insbesondere durch endkonturnahes Gießen von γ-ΤϊΑΙ- Legierungen, mit den Merkmalen des 1 . Anspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 8 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Nach der Konzeption der Erfindung weist die Vorrichtung eine zur Atmosphäre hin geschlossen ausgebildete Schmelzkammer auf. Die Schmelzkammer ist vollständig evakuierbar und für den Aufbau einer Inertgas-Atmosphäre vorgesehen.

Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen aus einem wärmeleitenden Metall, bevorzugt aus Kupfer, ausgebildeten Schmelztiegel, insbesondere in Form einer wassergekühlten Kupferschale, auf. Der innerhalb der Schmelzkammer angeordnete Schmelztiegel ist in x-, y-, z-Richtung manipulierbar sowie um eine Rotationsachse R kippbar.

Weiterhin ist eine bevorzugt aus Kupfer ausgebildete Kokille innerhalb der Schmelzkammer und in Bezug zum Schmelztiegel derart angeordnet, dass im Schmelztiegel aufgeschmolzenes TiAl direkt in die Kokille abgießbar ist. Von Vorteil ist, dass das aufgeschmolzene TiAl nach dem Aufschmelzen direkt vertikal in die Kokille abgegossen werden kann.

Innerhalb der Kokille ist erfindungsgemäß eine Feingussform angeordnet, welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet.

Der Schmelztiegel ist derart kippbar angeordnet, dass die nach der Verflüssigung und der Vermischung der Einsatzmaterialien vorliegende TiAl als Inhalt des Schmelztiegels in Richtung der Schwerkraft in die innerhalb der Kokille angeordnete Feingussform eingießbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kokille aus mindestens zwei Zonen ausgebildet, wobei die erste Zone, welche bevorzugt aus Kupfer ausgebildet ist, mindestens eine Induktionsspule aufweist

Um die zweite Zone ist vorteilhaft keine Induktionsspule angeordnet. Eine Kombination und/oder eine Erweiterung der Kokille mit weiteren Induktionsspulen ist möglich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Feingussform aus einer Keramik ausgebildet.

Die keramische Feingussform ist dabei bevorzugt aus Schichten ausgebildet, wobei die äußeren Schichten mit elektrisch- und wärmeleitenden Materialien durchsetzt sind, um durch ein Ankoppeln eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes einen steuerbaren Wärmeeintrag in die keramische Feingussform zu ermöglichen. Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die äußeren Schichten der keramischen Feingussform mit Eisen-Pulver durchsetzt.

Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind in den äußeren Schichten der keramischen Feingussform elektrische Leiterbahnen aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet.

Nach alternativen Ausgestaltungen der Erfindung weist die Vorrichtung eine Plasmadüse oder eine Elektronenstrahleinrichtung oder eine Induktionsspule auf, um die in den Schmelztiegel einzutragende Schmelzenergie entweder mittels eines Plasmastrahls oder mittels eines Elektronenstrahls oder mittels eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes zu erzeugen.

Die Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von TiAI-Bauteilen mit einer vorbeschriebenen Vorrichtung gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung weist das Verfahren folgende Schritte auf:

- Herstellen von kompaktiertem TiAI-Vormaterial,

- Einschmelzen des kompaktierten TiAI-Vormaterials innerhalb eines Schmelztiegels und

- Abgießen des im Schmelztiegel aufgeschmolzenen TiAl in eine in einer Kokille angeordnete keramische Feingussform sowie

- Abkühlen der Schmelze bis zur Erstarrung in der Feingussform (7), welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet, wobei durch eine um die Kokille und die Feingussform (7) angeordnete Induktionsspule (8) eingetragene Wärmeenergie die Erstarrung des TiAl derart beeinflusst, dass ausreichend flüssige Schmelze zur Restspeisung von auftretenden Schrumpfungsporositäten oder Lunker vorhanden ist.

Das kompaktierte Vormaterial wird bevorzugt in einem Plasmaofen eingeschmolzen, sodass die Schmelzenergie über ein Plasma erzeugt wird. Alternativ kann das kompaktierte Vormaterial auch in einem Kaltwand- Induktionsofen eingeschmolzen werden, wobei die Schmelzenergie mittels einer Induktionsspule erzeugt wird. Nach einer weiteren Alternative ist das kompaktierte Vormaterial auch mittels eines Elektronenstrahls einschmelzbar. Das aufgeschmolzene ΤΊΑΙ wird nach dem Aufschmelzen vorteilhaft direkt in eine, bevorzugt aus Kupfer, ausgebildete Kokille, vertikal und damit in Wirkrichtung der Schwerkraft abgegossen.

Die Abkühlung der Schmelze bis zur Erstarrung innerhalb der in der Kokille angeordneten keramischen Feingussform, welche die Konturen des herzustellenden TiAI-Bauteils abbildet, ermöglicht die endkonturnahe Fertigung beziehungsweise das endkonturnahe Gießen von γ-ΤΊΑΙ-Legierungen.

Nach alternativen Ausgestaltungen der Erfindung wird das Vormaterial aus Einsatzmaterial in Form von Primärrohstoffen oder in Form von Recycle- Material oder in Form von pulvermetallurgischem Material hergestellt.

Als Einsatzmaterial können vorteilhaft sämtliche TiAI-Legierungen verwendet werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird kompaktiertes Vormaterial als Ausgangsmaterial für das Einschmelzen entweder einzeln oder als Compact gattiert. Unter einem Compact ist dabei eine Art von Brikett zu verstehen. Bei der Herstellung des Compacts werden die Vormaterialien, wie Titanschwamm, Vorlegierungen und Aluminium, dosiert und vermischt sowie anschließend mittels einer Pressvorrichtung zu Briketts verpresst. Jeder Compact enthält damit die gleiche definierte Zusammensetzung und Konsistenz, um zum einen eine homogene Schmelze zu erzeugen. Zum anderen wird erreicht, dass das Vormaterial während des Einschmelzens innerhalb des Schmelztiegels verbleibt und nicht durch zum Beispiel die physisches Kraft eines Plasmastrahls aus dem Schmelztiegel verdrängt wird. Ein weiteres Umschmelzen oder eine weitere Wärmebehandlung des erstarrten Gussteils ist nicht notwendig, da die mechanischen Werkstoffeigenschaften durch das generierte Gefüge schon vollständig eingestellt sind. Eine weiterführende Wärmebehandlung ist jedoch möglich, wenn spezielle mechanische Eigenschaften eingestellt werden sollen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist zusammenfassend folgende Vorteile auf:

- direktes endkonturnahes Gießen von γ-ΤΊΑΙ-Legierungen, auch als direkter Feinguss bezeichnet, und damit verbunden eine direkte Herstellung von γ-

TiAI-Bauteilen aus den Legierungsbestandteilen ohne zusätzliche Verfahrensschritte des Umschmelzens oder der Herstellung von Halbzeugen,

- nach dem Verfahren sind die mechanischen Werkstoffeigenschaften des Bauteils optimal eingestellt, sodass keine zusätzlichen Verfahrensschritte der Wärmebehandlung des Bauteils notwendig sind, was zu einer deutlichen Einsparung von aufzuwendender Energie führt,

- das sehr kurze und kompakte Verfahren weist nur eine geringe Anzahl an Verfahrensschritten auf, was zu deutlich geringeren Anfälligkeiten in Bezug auf Schwankungen innerhalb des Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik führt,

- die sehr kurze Verfahrenskette ist zudem kostengünstig und wenig anfällig in Bezug auf Störungen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.

Die Fig. zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von TiAI-Bauteilen. Die Vorrichtung weist eine zur Atmosphäre hin geschlossen ausgebildete Schmelzkammer 2 auf. Die Schmelzkammer 2 ist vollständig evakuierbar und für den Aufbau einer Inertgas-Atmosphäre vorgesehen.

Das Inertgas strömt in Strömungsrichtung 3 im unteren Bereich der Schmelzkammer 2 ein und wird in Strömungsrichtung 4 im oberen Bereich der Schmelzkammer 2 abgeleitet.

Innerhalb der Schmelzkammer 2, welche auch als Ofenraum bezeichnet wird, ist ein Schmelztiegel 5 angeordnet. Der Schmelztiegel 5 ist aus einem wärmeleitenden Metall ausgebildet und dient der Aufnahme des zu schmelzenden ΤΊΑΙ in Form eines kompaktierten Vormaterials.

Die Schmelzenergie wird mittels eines von einer Plasmadüse 6 erzeugten Plasmastrahls an das sich im Schmelztiegel befindliche TiAl übertragen und damit innerhalb der Inertgasatmosphäre erzeugt. Als Inertgas wird beispielsweise Argon oder Helium verwendet. Der Schmelztiegel 5 ist in x-, y- und z-Richtung manipulierbar sowie um eine Rotationsachse R kippbar. Die x-Richtung entspricht dabei der horizontalen Richtung quer zur Rotationsachse R, welche in z-Richtung und ebenfalls horizontal ausgerichtet ist. Die y-Richtung ist vertikal zu der von der x-Richtung und der z-Richtung aufgespannten Ebene ausgerichtet.

Die Plasmadüse 6 ist beweglich angeordnet und in y-Richtung höhenverstellbar, um eine in y-Richtung ausgerichtete sowie um eine in horizontaler z-Richtung ausgerichtete Achse schwenkbar. Die Plasmadüse 6 ist vorteilhaft auch in x-Richtung sowie in z-Richtung und damit horizontal verschiebbar.

Ein Kippen des nach oben, das heißt in y-Richtung, offenen Schmelztiegels 5 um die Rotationsachse R bewirkt ein Abgießen des aufgeschmolzenen TiAl in eine ebenfalls innerhalb der Schmelzkammer 2 unterhalb des Schmelztiegels 5 angeordnete Kokille.

Die TiAI-Schmelze strömt in eine innerhalb der Kokille angeordnete Feingussform 7. Die aus einer Keramik ausgebildete Feingussform 7 bildet bereits die Konturen des herzustellenden Bauteils ab. Damit ist die Vorrichtung 1 vorteilhaft für ein endkonturnahes Gießen von γ-TiAI-Legierungen ausgebildet.

Die Kokille umfasst mindestens zwei Zonen Z1 und Z2. Die erste Zone Z1 ist dabei aus Kupfer ausgebildet und weist eine umlaufende Induktionsspule 8 auf. Die zweite Zone Z2 ist in y-Richtung, das heißt vertikal, unterhalb der ersten Zone Z1 angeordnet. Die Kokille ist mittels einer Höhenverstellvorrichtung 9 innerhalb der beiden Zonen Z1 , Z2 verschiebbar. Die Kokille ist auf einer die Höhenverstellvorrichtung 9 im oberen Bereich abschließenden Ebene positioniert.

Die innerhalb der Kokille, welche sich in dem von der Induktionsspule 8 erzeugten zeitlich veränderlichen Magnetfeld befindet, angeordnete keramische Feingussform 7 ist aus Schichten ausgebildet. Die äußeren Schichten sind mit elektrisch- und wärmeleitenden Materialien, insbesondere Eisen-Pulver, durchsetzt. Möglich ist auch die Anordnung von elektrischen Leiterbahnen in den äußeren Schichten der Feingussform 7. Damit werden das Ankoppeln des von der Induktionsspule 8 erzeugten zeitlich veränderlichen Magnetfeldes an die keramische Feingussform 7 und der Wärmeeintrag in den zu formenden Werkstoff verbessert.

Zum Abkühlen des Bauteils kann die Feingussform 7 mit Hilfe der Höhenverstellvorrichtung 9 von der ersten Zone Z1 in die zweite Zone Z2 verbracht werden und kann von dort aus der Schmelzkammer 2 entnommen werden.

Das fertige Bauteil aus TiAl weist eine hohe chemische und strukturelle Homogenität sowie eine geringe Porosität auf. Die strukturelle Homogenität wird dabei beispielsweise durch das Schmelzen mittels des Plasmastrahls innerhalb des Schmelztiegels 5 entweder durch eine Rührbewegung des Plasmastrahls oder/und durch ein mittels einer weiteren, unterhalb des Schmelztiegels 5 angeordneten Induktionspule erzeugtes zeitlich veränderliches Magnetfeld erreicht. Das Magnetfeld wird dabei bevorzugt derart gesteuert, dass es innerhalb des Schmelztiegels 5 rotiert. Die geringe Porosität wird durch den Einsatz der in der ersten Zone Z1 der Kokille um die Feingussform 7 angeordneten Induktionsspule 8 und damit den gesteuerten Eintrag von Wärmeenergie in die TiAI-Schmelze während der Erstarrung erreicht. Mit der Anordnung und dem Einsatz der Induktionsspule 8 kann der Erstarrungsprozess des herzustellenden Bauteils derart beeinflusst werden, dass stets ausreichend flüssige Schmelze zur Restspeisung von auftretenden Schrumpfungsporositäten oder Lunkern vorhanden ist.

Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren wird die Schmelze nicht in einem Kaltwandinduktionstiegel abgezogen, sondern vorteilhaft direkt in die Feingussform 7 abgegossen, welche von einer Induktionspule 8 umgeben ist. Die Feingussform 7 wird dabei anstelle des Kaltwandinduktionstiegels verwendet.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Vorrichtung

2 Schmelzkammer

3 Strömungsrichtung Inertgas

4 Strömungsrichtung Abgas

5 Schmelztiegel

6 Plasmadüse

7 Feingussform

8 Induktionsspule

9 Höhenverstellvorrichtung

Z1 erste Zone der Feingussform

Z2 zweite Zone der Feingussform x Richtung, Bewegungsrichtung des Schmelztiegels 5 y Richtung, Bewegungsrichtung des Schmelztiegels 5 z Richtung, Bewegungsrichtung des Schmelztiegels 5

R Rotationsachse des Schmelztiegels 5