METAL 2004
Hradec nad Moravicí
PRESNÉ LITÍ ODLITKU Z INTERMETALICKÝCH SLITIN GAMA TiAl INVESTMENT CASTING OF GAMMA TiAl INTERMETALLICS Ladislav Zemcík a Antonín Dlouhý b a
VUT-FSI, Technická 2, 616 69 Brno, CR,
[email protected] b ÚFM AV CR, Žižkova 22, 616 62 Brno,
[email protected]
Abstrakt Pro úspešné tavení slitin typu gama TiAl je nezbytné vyrešit základní metalurgické problémy spojené s vyparováním hliníku z taveniny, s reakcemi mezi taveninou a žárovzdorninami kelímku a keramických forem, sreakcemi taveniny se zbytkovými plyny v komore pece a sdezoxidací taveniny. V práci jsou uvedeny fyzikálne chemické analýzy uvedených pochodu a jejich kritické hodnocení na základe výsledku experimentálních taveb slitiny typu Ti48Al2Cr2Nb1B(at.%) provádených ve vakuové indukcní peci. Vpríspevku je popsán 1D model výmeny tepla mezi intermetalickým TiAl odlitkem, keramickou formou a okolním prostredím vakuové pece a rovnež i navazující 1D model brždeného smrštování TiAl komponenty behem chlazení z licí na pokojovou teplotu. Parametrická studie a její predbežné výsledky umožnily stanovit teploty predehrevu keramické formy a kinetiku chlazení soustavy keramická forma- TiAl odlitek tak, aby napetí v odlitku byla minimalizována a odlitky nevykazovaly trhliny a praskliny. To be able to melt successfully type gamma TiAl alloys it is absolutely necessary to solve the fundamental metallurgical problems associated with the evaporation of aluminium from the melt, with the reactions between the melt and the refractories of crucibles and ceramic moulds, and with the reactions between the melt and residual gases in the furnace chamber. The paper deals with the physical and chemical analyses of the above processes and gives their evaluation based on the results of experimental melts of the type of Ti48Al2Cr2Nb1B (at.%) obtained in vacuum induction furnace. In present study introduces a 1D model of heat flow in the system composed of a TiAl intermetallic casting, a ceramic shell mould and the vacuum furnace environment. Furthermore, a coupled 1D model of thermal strain evolves in the casting – mould system during cooling to room temperature is also presented. The parametric study aimed at the minimization of thermal stresses provided optimum process parameters used later in investment casting of TiAl turbocharger wheels. The semi-optimized initial mould temperatures and cooling kinetics resulted in macroscopically sound castings that were free of misruns, macrocracks and internal porosity. ÚVOD Vývoj slitin na bázi intermetalické slouceniny gama-TiAl (dále jen slitiny TiAl) byl zahájen zacátkem sedmdesátých let dvacátého století [1]. Vzhledem ke své pomerne nízké hustote a dobré vysokoteplotní pevnosti jsou slitiny TiAl vyvíjeny pro vysokoteplotní aplikace, u kterých snížení hmotnosti prispívá ke zlepšení pracovních charakteristik a ke zvýšení úcinnosti. Typickými príklady techto aplikací jsou dílce s rotacním prípadne vratným pohybem jako jsou lopatky nízkotlakých stupnu jak stacionárních tak i leteckých spalovacích turbín [2-4], turbínová kola turbodmychadel [1-2,4-7] a výfukové ventily spalovacích motoru [1,7-10]. S výjimkou ventilu spalovacích motoru, které jsou odlévány do kovových forem je pro ostatní odlitky používána technologie presného lití pomocí vytavitelného modelu.
1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
1. TAVENÍ SLITIN NA ODLITKY Z hlediska metalurgického je pri príprave slitin gama TiAl treba rešit problémy vyvolané pomerne vysokými licími teplotami, reakcemi obou základních složek slitiny tj. Ti i Al s atmosférou tavicího agregátu, reakcemi Ti s tavicími kelímky prípadne keramickými formami a vyparováním složek slitiny zejména pak Al. Pro tavení a odlévání odlitku ze slitin gama TiAl jsou užívány vakuové indukcní pece bud s keramickým kelímkem [11] nebo se studeným kelímkem tvoreným vodou chlazenými medenými lamelami (tzv. ISM – Induction Skull Melting) [4, 12]. Krome konvencního gravitacního lití je pri odlévání odlitku aplikována i metoda antigravitacního lití CLV, technologie spojující prednosti levitacního tavení ve studeném kelímku a antigravitacního nízkotlakého lití je oznacována jako LEVICAST proces [4, 12]. Z provedených experimentálních prací vyplývá, že za hlavní nedostatky procesu ISM lze pokládat velmi nízkou energetickou úcinnost, obtížné dosažení potrebného prehrátí taveniny [13, 14] a s tím spojené nebezpecí vzniku bublin a nezabehnutí pri lití v atmosfére argonu [15]. Hlavní výhodou procesu ISM je menší nárust obsahu kyslíku behem pretavby v porovnání s keramickými kelímky [16]. Jednou zcest výrazného snížení nákladu na výrobu odlitku ze slitin gama TiAl je použití klasické vakuové indukcní pece osazené keramickým kelímkem. Za nejvhodnejší žárovzdorný materiál tavicích kelímku je z hlediska rustu obsahu kyslíku behem pretavby pokládán oxid vápenatý (CaO) – ovšem s nebezpecím jeho hygroskopicnosti [13], dále pak oxid ytritý (Y2 O3 ), použitelný na celý kelímek [14] nebo v podobe plazmového nástriku na vnitrní stenu kelímku [13]. Akceptovatelné se jeví i použití kelímku z oxidu hlinitého (Al2 O3 ) [14]. Za zcela nevhodné jsou pokládány kelímky z oxidu horecnatého (MgO) a zirkonicitého (ZrO 2 ) [13]. Pro vlastní experimentální práce byla vybrána slitina Ti-48Al-2Cr-2Nb-1B (at%), pretavovány byly ingoty tvaru válcové tyce o prumeru 70 mm dodané firmou Flowserve Corporation, Dayton, OH. Experimentální práce byly provádeny ve vakuové indukcní peci IS2/I HERAEUS osazené kelímkem Al2 O3 a vybavené odporovou pecí od firmy LAC Rajhrad pro predehrev keramických skorepinových forem – obr. 1.
Obr. 1. Vakuová indukcní pec IS2/I HERAEUS
Obr. 2. Cistá hladina taveniny
Fig. 1. Vacuum induction furnace
Fig.2. Clear surface of heat
2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Fyzikálne chemické analýzy vybraných metalurgických procesu byly provedeny pro slitinu smerného složení Ti48Al2Cr2Nb1B (at.%) a teplotu taveniny 1 900 K (1 627 °C) [1718 ]. Pri výpoctech byly užívány Raoultovy aktivity Al stanovené z tlaku nasycených par Al publikovaných v práci [19] (aAl = 0,087) a Raoultovy aktivity Ti vypoctené integrací GibbsDuhemovy rovnice (aTi = 0,133). Vypoctené aktivity jsou v dobré shode s hodnotami uvádenými v práci [20]. Reakci mezi kelímkem tvoreným Al2 O3 a titanem tavené slitiny lze popsat rovnicí: Al2 O3 + 3 [Ti] = 3 TiO + 2 [Al] (1) Termodynamickou pravdepodobnost prubehu reakce (1) zleva doprava lze posoudit na základe zmeny volné entalpie tuto reakci doprovázející (použita termodynamická data z práce [21]) : a 3TiO. a 2Al
? G = ? G ? + R . T ln
a Al
(2)
? G = 6 247 J
. a 3T i 2O 3
Vzhledem k tomu, že ? G > 0 je prubeh reakce v naznaceném smeru termodynamicky nepravdepodobný a uvedenou slitinu lze tavit v kelímku na základe Al2 O3 . Obsahy kyslíku se behem pretavování zvýšily z 0,008 – 0,011 hm.% (výchozí ingot) na 0,034 – 0,039 hm.% (odlitek). Je patrné, že zvýšení obsahu kyslíku pri tavení slitin TiAl vkorundovém kelímku není príliš dramatické a za predpokladu nízkého obsahu kyslíku ve výchozích ingotech je konecný obsah kyslíku v odlitcích prijatelný. Tlak nasycených par hliníku pri teplote 1 900 K pro molový zlomek xAl = 0,48 ciní 29,7 Pa, tavení ve vakuu by proto bylo doprovázeno snižováním obsahu Al ve slitine. Vhodné je proto pred zacátkem natavování pec napouštet inertním plynem. Podle práce [22] lze až do teplot cca 2 000 K pokládat za postacující tlak 133 Pa, svedcí o tom i výsledky spektrální RTG mikroanalýzy odlitého vzorku uvedené v tabulce 1. Tabulka 1. Obsah hliníku v odlitém vzorku Table 1. Aluminium content in casting sample a [ mm ]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Prum.
Al 47,0 47,8 48,7 47,8 47,0 46,3 49,4 46,9 47,4 49,0 49,3 47,9 [ at%]
Pro posouzení interakcí mezi taveninou a pecní atmosférou byly vypocteny hodnoty rovnovážných tlaku kyslíku pro uvažované reakce 4 [Al] + O = 2 Al O 2 [Ti ] + O 2 = 2 TiO (3) 2 2 3 3 3 2
? G = ? G ? + R . T . ln
a Al3 O 2
4
3
?
a Al3 . a O2 ? G = ? G ? + R . T . ln
a 2TiO a 2T i . a O2
p O2 =
? p O2 =
101 325 4
= 8 .10 -14 Pa
a Al3 . exp( - ? G ? / R . T) 101 325
a 2T i .
exp( - ? G ? / R . T)
= 1.10 -13 Pa
Výpocet byl proveden pomocí dat použitých k vycíslení rovnice (2).
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Rovnovážné tlaky kyslíku pro obe základní složky taveniny jsou velmi nízké a jejich dosažení pri tavení ve vakuu prípadne v inertní atmosfére je nepravdepodobné. Presto je pri tavení uvedené slitiny pozorována kovove cistá hladina – obr.2. Vzhledem k tomu, že prvkem s nejvetší afinitou ke kyslíku je hliník je to možné vysvetlit tvorbou jeho oxidu s vysokými tlaky par Al2 O prípadne AlO. 2. ODLÉVÁNÍ ODLITKU DO KERAMICKÝCH SKOREPIN Technologie tavení slitin ?-TiAl ve vakuové indukcní peci osazené kelímkem tvoreným Al2 O3 s následným gravitacním litím do keramické zirkon - molochitové skorepinové formy zhotovené metodou vytavitelného modelu byla úspešne vyzkoušena na odlitcích jednoduchého tvaru (turbínové lopatky). Pri odlévání odlitku komplikovaných tvaru jakými jsou turbíno vá kola plnícího turbodmychadla se na listech lopatek zacaly objevovat trhliny vzniklé zrejme jako dusledek kombinace brždeného smrštování v nepoddajné keramické forme a neschopnosti slitiny vznikající napjatost akomodovat plastickou deformací [17-18 ]. V dalším postupu proto bylo úsilí venováno numerickému modelování licího procesu a experimentálnímu overení optimalizovaných rešení s cílem minimalizovat termoelastická napetí v prubehu chlazení. Pro zjednodušení vytvárených matematických modelu a jejich experimentální verifikace byl zvolen odlitek tvaru „nosníku I“ – obr.3.
a
b
Obr. 3 Experimentální odlitek, umístení termoclánku Fig. 3 Experimental casting, thermocouple position Zvolený tvar experimentálního odlitku dovoluje modelové zjednodušení pri popisu procesu vedení tepla v soustave odlitek-forma. Vzhledem k tomu, že plocha nosníku je podstatne vetší než plochy horního a dolního žebra, lze vedení tepla v soustave považovat za
4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
jednorozmerné (1D) ve smeru kolmém na rovinu nosníku (obr.3d). Horní a dolní žebro kotví nosník v keramické forme a prispívá tak ke vzniku tahového napetí v rovine nosníku kolmé na roviny horního a dolního žebra (obr.3d). Tahové napetí behem chlazení roste nebot neukotvený intermetalický odlitek by s klesající teplotou smrštoval rychleji než keramická forma. V dusledku jednoduché geometrie je proto možné napjatost indukovanou v odlitku behem poklesu teploty popsat jednoosým (1D) tahovým napetím, jehož hodnota se mení nejen s klesající teplotou ale i s podílem plochy keramické formy a odlitku v ploše rezu znázornené schematicky na obr. 3c. Dva vázané 1D procesy vedení tepla a vzniku termoelastického napetí v soustave TiAl odlitek-keramická forma byly studovány numericky s využitím programového prostredí Mathematica 5.0. Simulace vázaných procesu probíhajících behem chlazení soustavy na pokojovou teplotu byla rozdelena do dvou cástí. V prvním kroku byla rešena rovnice
?T ? 2T a2 ? ? ?q; a? ?t ?x2
? ?c p
(4)
?
rídící vedení tepla ve smeru osy x kolmé na rovinu experimentálního odlitku, obr. 3d. Parametry ? , cp a ? predstavují postupne hustotu, merné teplo a tepelnou vodivost TiAl odlitku nebo materiálu keramické formy. Velicina q popisuje normalizovanou rychlost produkce tepla v jednotce objemu souvisící zejména s uvolnováním latentního krystalizacního tepla pri tuhnutí odlitku. Rozložení teplot podél osy x v soustave odlitek-forma a jeho casový vývoj získaný v prvním kroku rešení predstavuje vstup do programového modulu simulujícího vznik termoelastických napetí ve smeru osy y, viz. obr. 3d.. Brždené smrštování odlitku behem poklesu teploty je spojeno s ustavením rovnováhy mezi tahovou silou pusobící v odlitku a tlakovou silou namáhající keramickou formu. Predpokládá se, že odlitek podstupuje jak deformaci plastickou (creep) tak i deformaci elastickou, na rozdíl od keramické formy, která se deformuje pouze elasticky. Tento rozbor jednorozmerného smrštování ve smeru osy y vede k obycejné diferenciální rovnici popisující vývoj napetí ? c v odlitku ve tvaru d? dT dT A ? c ? B ?? c n ? ? m ? m ? ? c ? c dt dt dt
(5)
kde Tm a Tc jsou strední teploty (stredováno podél osy x) keramické formy a odlitku v case t. Parametr A lze vyjádrit jako kombinaci Youngových modulu TiAl (Ec) a keramické formy (Em ) a podílu plochy odlitku (X1/X2) a formy ((X2-X1)/X2) v ploše kolmého rezu, viz. obr. 3c. Druhý clen na levé strane rovnice (5) reprezentuje rychlost creepu v odlitku (Nortonuv zákon), kde parametry B a n byly urceny na základe rozsáhlých creepových experimentu [23]. Rozdíl rychlostí deformace pri smrštování zpusobený rozdílem teplotní kinetiky a rozdílem koeficientu teplotní roztažnosti formy (? m ) a odlitku (? c) tvorí pravou stranu rovnice (5). Teplotní zmeny registrované termoclánky 1 a 2 behem experimentu (obr. 3c) byly porovnány s prubehem teplot, který predpovedel 1D model ve stejných místech keramické formy za podmínek shodných s podmínkami experimentu. Obrázek 4 obsahuje jak záznamy zmen teploty porízené termoclánky 1 a 2 (znázornené individuálními body) tak i krivky, které odpovídají rešení rovnice (4). Je zrejmé, že shoda mezi experimentálními daty a výsledky numerického rešení je velmi dobrá. Hlavním cílem provádených prací je snížení termoelastického napetí v odlitku na minimum. Z tohoto duvodu byly hledány takové kombinace pocátecních a okrajových podmínek (teplota taveniny v okamžiku lití, pocátecní teplota keramické formy a zpusob
5
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
chlazení), které by minimalizovaly termoelastické napetí v odlitku pri pokojové teplote. Príklad provádené optimalizace je dokumentován na obr. 5. Na tomto obrázku je vynesena závislost tahového napetí v odlitku v okamžiku, kdy odlitek dosáhne behem ochlazování teploty 500 K na teplote predehrevu formy v prípade, kdy ostatní parametry procesu jsou nemenné. V grafu na obr. 5 jsou hodnoty napetí v odlitku normovány napetím meze kluzu pri 500 K. Podobne teploty predehrevu formy jsou normovány jinou charakteristickou teplotou licího procesu. Presto, že závislost na obr. 5 je tvorena body, které jsou výsledky simulace individuálních licích cyklu, je zrejmé, že výsledná tahová napetí v odlitku s rostoucí teplotou predehrevu formy nejprve klesají a po dosažení minima opet rostou.
Obr. 4. Fig. 4.
Obr. 5. Fig. 5.
6
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Nalezené optimální kombinace pocátecní teploty keramické skorepinové formy, licí teploty a režimu ochlazování odlitku na pokojovou teplotu byly overeny odlitím zkušební serie odlitku – obr. 6. Odlitky vykazují dobrou kvalitu bez vad typu nezabehnutí, makroskopických trhlin a staženin.
Obr. 6. Odlitky z intermetalických slitin gama TiAl Fig. 6. Gamma TiAl intermetallics castings
ZÁVER
Behem experimentálních prací byla úspešne vyzkoušena technologie tavení slitin ?TiAl ve vakuové indukcní peci osazené korundovým kelímkem. Pozornost byla zamerena na optimalizaci klícových parametru procesu s cílem minimalizovat termoelastická napetí vznikající v odlitku. Optimalizované parametry procesu presného lití (prehrátí taveniny, pocátecní teplota keramické skorepinové formy a režim ochlazování) umožnují dosažení minimálního termoelastického napetí v odlitcích a snižují tak pravdepodobnost vzniku trhlin. Podekování: Práce vznikla s podporou projektu GACR 106/04/0853. Autori pokládají za milou povinnost podekovat pracovníkum firmy LAC Rajhrad za vstrícný prístup k rešení problému ohrevu keramických skorepinových forem a rízeného ochlazování odlitých odlitku a pracovníkum slévárny presného lití První brnenské strojírny Velká Bíteš a.s. za prípravu keramických skorepinových forem. LITERATURA 1. Balsone, S.J. et al. Materials Beyond Superalloys: Exploiting High-Temperature Composites. In International Symposium on Structural Intermetallics. Jackson Hole, Wyoming, Sept. 2001 2. Smarsly W.., “Titanium Aluminides for Automotive and Gas Turbine Applications,” In Structural Intermetallics 2001, Warrendale, PA: TMS, 2001, p.25-34.
7
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
3. Austin, C.M. Current Status of Gamma Ti Aluminides for Aerospace Applications. Current Opinion in Solid State & Materials Science, 4 (1999), p. 239-242. 4. Noda,T.: Application of Cast Gamma TiAl for Automobiles. Intermetallics, 6, 1998, p.709 5. Tetsui, T. Development of TiAl turbocharger for passenger vehicles. Materials Science & Engineering, A329-311 (2002), p. 582 6. Loria, E.A. Gamma titanium aluminides as prospective structural materials. Intermetallics 8 (2000), p. 1339 7. Loria, E.A. Quo vadis gamma titanium aluminide. Intermetallics 9 (2001), p.997. 8. Blum, M. et al. Prototype plant for the economical production of TiAl- valves. Materials Science & Engineering A329-331 (2002), p. 616 9. Eylon, D., Keller, M.M., Jones, P.E. Development of permanent- mold cast TiAl automotive valves. Intermetallics 6 (1998), p. 703 10. Choudhury, A., Blum, M.: Economical production of titanium-aluminide automotive valves using cold wall induction melting and centrifugal casting in permanent mold, Vacuum. Vol. 47, 1996, No. 6-8, p. 829 11. Hanamura T., Hashimoto K. Ductility improvement of direct cast gamma TiAl based alloy sheet. In High Temperature Ordered Intermetallic Alloys VII. Materials Research Society, Pittsburgh 1997, p. 71 12. Demukai, N. Development of a new type titanium casting technology/LEVICAST process. In 2001 JACT Investment Casting Seminar, Japanese Association of Casting Technology, Tokyo 2001, p. 13-1 13. Kuang, J.P., Harding, R.A., Campbell, J.: Investigation into refractories as crucible and mould materials for melting and casting ??-TiAl alloys, Materials Science and Technology, Vol. 16, September 2000, p. 1007 14. Kuang., J.P., Harding, R.A., Campbell, J. A study of refractories as crucible and mould materials for melting and casting ??-TiAl alloys, International Journal of Cast Metals Research, 2001, 13, p. 277 15. Mi., J., Harding, R.A., Wickins, M., Campbell, J. Entrained oxide films in TiAl castings, Intermetallics 11 (2003), p. 377 16. Kuang, J.P., Harding, R.A., Campbell, J. Examination of defects in gamma titanium aluminide investment castings, International Journal of Cast Metals Research, 2000, 13, p. 125 17. Zemcík, L., Dlouhý, A. Processing of Gamma TiAl Intermetallics from the Viewpoint of Physics and Physical Chemistry. In Materials Week 2002. Munich 2002 18. Zemcík, L., Dlouhý, A.: Metalurgie intermetalických slitin typu gama TiAl. In: 12. mezinárodní konference metalurgie a materiálu METAL 2003. Ostrava: Tanger 2003. 19. Guo, J., Liu, Y., Su, Y., Ding, H., Liu, G., Jia, J. Evaporation behavior of Aluminium during the Cold Crucible induction skull melting of titanium aluminium alloys, Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 31B, August 2000, p.837 20. Maeda, M., Kiwake, T., Shibuya, K., Ikeda, T. Activity of aluminium in molten Ti/Al alloys. Materials Science and Engineering A239-240 (1997), p. 276 21. Komorová L., Imriš, I. Termodynamika v hutníctve. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1990. 289 s. 22. Yanquing, S et al. Composition control of TiAl melt during the induction skull melting (ISM) process. Journal of Alloys and Compounds,334 (2002), p. 261 23. Dlouhý A., Kucharová K., Horkel T., Creep and Microstructure of Near-Gamma TiAl Intermetallics. In: Proceedings of the Sixth Liège Conference Materials for Advanced Power Engineering 1998, Jülich: Forschungszentrum Jülich, 1998, p.1219
8
