Procedimiento para la producción de una aleación de base de beta-gamma-TiAl.

Procedimiento para la producción de una aleación de base de g-TiAl que solidifica a través de la fase b (aleaciónde base de b-g-TiAl) mediante fusión con arco eléctrico a vacío,

caracterizado por las siguientes etapas deprocedimiento:

- fundir un electrodo de fusión de base (2) de una aleación primaria de g-TiAl convencional con un contenidodeficitario de titanio y/o en al menos un elemento estabilizante de b con respecto a la aleación de base de b-g-TiAl a producir en al menos una primera etapa de refusión con arco eléctrico a vacío,

- asociar una cantidad de titanio y/o de elemento estabilizante de b correspondiente al contenido deficitario deltitanio y/o del elemento estabilizante de b al electrodo de fusión de base (2) en distribución uniforme a lo largode su longitud y perímetro y

- añadir por aleación la cantidad del titanio y/o del elemento estabilizante de b asociada al electrodo de fusión debase para la formación de la aleación de base de b-g-TiAl homogénea en una última etapa de fusión con arcoeléctrico a vacío.

Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl

La invención se refiere a un principio para la producción de aleaciones de base de γ-TiAl por medio de fusión con arco eléctrico a vacío (VAR) , que solidifican completamente o al menos parcialmente en primer lugar a través de la fase β. Las aleaciones objetivo de este tipo se denominarán en lo sucesivo aleación de base de β-γ-TiAl.

El campo técnico de la presente invención es la producción pirometalúrgica de aleaciones de β-γ-TiAl por medio de fusión con arco eléctrico a vacío (VAR) . A este respecto, inicialmente se prensan, partiendo de las materias primas esponja de titanio, aluminio así como elementos de aleación y aleaciones madre, cuerpos compactos en los que los componentes de aleación deseados se encuentran en forma estequiométricamente adecuada. Opcionalmente, en este caso, mediante la fusión posterior se mantienen las pérdidas de vapor de escape provocadas. Los cuerpos prensados se funden o bien directamente por medio de fusión por plasma para dar los denominados lingotes (PAM)

o se montan para dar electrodos consumibles y se funden dando lingotes (VAR) . En ambos casos se generan materiales cuya homogeneidad química y estructural es inadecuada para un uso técnico y que, por consiguiente, deben volver a fundirse al menos una vez más (véase V. Guether: "Microstructure and Defects in γ-TiAl based Vacuum Arc Remelted Ingot Materials", 3rd Int. Symp. on Structural Intermetallics, septiembre de 2001, Jackson Hole WY, EE.UU.) .

Por el documento DE 101 56 336 A1 se conoce un principio para la producción de lingotes de aleación que presenta las siguientes etapas:

(i) producir electrodos mediante mezclado y compresión de los materiales de partida seleccionados,

(ii) fundir de nuevo al menos una vez los electrodos obtenidos en la etapa (i) mediante un procedimiento pirometalúrgico habitual,

(iii) fundir de manera inductiva los electrodos obtenidos en la etapa (i) o (ii) en una bobina de alta frecuencia,

(iv) homogeneizar la masa fundida obtenida en la etapa (iii) en un crisol de inducción de pared fría y

(v) extraer la masa fundida con enfriamiento del crisol de inducción de pared fría de la etapa (iv) en forma de bloques con diámetro libremente ajustable.

El documento DE 195 81 384 T1 describe compuestos de TiAl intermetálicos y procedimiento para su producción, produciéndose la aleación mediante tratamiento térmico con una concentración de Ti del 42 al 48 % de átomos, una concentración de Al del 44 al 47 % de átomos, una concentración de Nb del 6 al 10 % de átomos y una concentración de Cr del 1 al 3 % de átomos a una temperatura en el intervalo de 1.300 a 1.400 °C.

El documento DE 196 31 583 A1 da a conocer un principio para la producción de un producto de TiAl-Nb-a partir de una aleación, en el que en primer lugar se produce un electrodo de aleación a partir de los componentes de aleación. La formación del electrodo de aleación se realiza mediante compresión y/o sinterización de los componentes de aleación para dar el electrodo. Por último se funde mediante una bobina de inducción.

Por el documento JP 02277736 A se conoce una aleación de base de TiAl resistente al calor, en la que para mejorar la resistencia térmica y la ductilidad se introducen cantidades específicas de V y Cr en un compuesto de Ti-Al intermetálico.

Por último, el documento DE 1 179 006 A da a conocer aleaciones de titanio-aluminio terciarias o superiores con elementos tales que estabilizan la fase α y β del titanio.

Un procedimiento habitual para la refusión es la fusión con arco eléctrico a vacío con electrodo consumible, ya que las instalaciones para la fusión por plasma por lo general no están diseñadas para el suministro de lingotes compactos como material de partida. En el caso de aleaciones de base de γ-TiAγ convencionales, construidas en dos fases en forma de colonias laminares de la fase α2-Ti3Al y la fase γ-TiAl, la refusión se produce en el horno de fusión de arco eléctrico de vacío (horno de VAR) sin problema y lleva al resultado deseado (véase V. Guether: "Status and Prospects of γ-TiAl Ingot Production", Int. Symp. on Gamma Titanium Aluminides 2003, Hrsg. H. Clemens, Y. W. Kim and A.H. Rosenberger, San Diego, TMS 2004) .

Una nueva generación de materiales de alto rendimiento de γ-TiAl, por ejemplo las denominadas aleaciones TNM® de la solicitante, tiene una composición estructural diferente de las aleaciones de TiAl convencionales. En particular debido a la disminución del contenido de aluminio hasta habitualmente del 40 % en átomos al 45, 5 % de átomos, pero también debido a la adición por aleación de elementos estabilizantes de β tales como por ejemplo Cr, Cu, Hf, Mn, Mo, Nb, V, Ta y Zr se ajusta una ruta de solidificación primaria a través de la fase β de Ti. De este modo se generan estructuras muy finas, que además de colonias α2/γ laminares contienen también granos β globulares y granos γ globulares, en ocasiones también granos α2 globulares. Los materiales con estructuras de este tipo tienen ventajas decisivas en cuanto las propiedades termomecánicas y la procesabilidad mediante tecnologías de transformación (véase H. Clemens: "Design of Novel β-Solidifying TiAl Alloys with Adjustable β/B2-Phase Fraction and Excellent Hot-Workability", Advanced Engineering Materials 2008, 10, Nº 8, pág. 707-713) . Las aleaciones de este tipo, tal como ya se concretó al principio, se denominan en lo sucesivo aleaciones de base de β-γ-TiAl.

Es desventajoso que en el caso de la nueva refusión de electrodos a partir de este material en el horno de VAR se produzcan formaciones de grietas, cuyo resultado con frecuencia es el desprendimiento de componentes del electrodo de aleación consumible a partir de la zona de primera fusión. Estas partes desprendidas caen al baño de fusión y ya no vuelven a fundirse de nuevo completamente en el mismo. De este modo se generan defectos estructurales en el lingote, con lo que se hace inutilizable el material de lingote. La refusión en el horno de VAR deja de ser posible en estas circunstancias de manera técnicamente reproducible.

Se consideran causa del molesto comportamiento de desprendimiento transformaciones de fase sólida en el intervalo de temperatura entre la temperatura eutectoide y la temperatura de interfase para dar la región monofásica β. Mediante los diferentes coeficientes de dilatación lineal de los distintos componentes de fase se producen, en particular durante las transformaciones de fase, variaciones bruscas del coeficiente de dilatación térmica integral de la aleación y, como consecuencia de ello, tensiones internas que superan la resistencia del material en el intervalo de temperatura dado.

Mediciones de dilatómetro correspondientes en una aleación de TNM®-B1 (Ti - 43, 5A1 - 4, 0Nb - 1, 0Mo - 0, 1B % en átomos) muestran que el coeficiente de dilatación lineal de una muestra de aleación correspondiente en el intervalo de temperatura entre 1.000 °C y 1.200 °C se multiplica por más de cuatro veces desde 9 x 10-6 hasta 40 x 10-6 K-1. Este comportamiento está representado en la figura 4 adjunta, en la que la curva A reproduce los coeficientes de dilatación lineal de esta aleación. La curva R representa la velocidad de calentamiento de la muestra.

Durante la fusión de VAR, con respecto a la longitud del electrodo consumible, se extiende un campo de temperatura desde la temperatura de fusión (aproximadamente 1570 °C) en el lado inferior del electrodo hasta casi temperatura ambiente en la suspensión de electrodo a través del material. Cerca del frente de fusión se alcanza el intervalo de temperatura crítico entre 1000 y 1200 °C. La ductilidad relativamente mala del material intermetálico lleva entonces, en esta zona, a que las tensiones que se forman en la misma se descarguen en forma de grietas, que llevan a su vez al desprendimiento descrito de pedazos refundidos a partir del electrodo.

Partiendo de esta problemática descrita del estado de la técnica, el objetivo de la invención se basa en indicar un principio para la producción de una aleación de base de γ-TiAl que solidifica a través de la fase β, en lo sucesivo denominada de forma abreviada aleación de base de β-γ-TiAl, que, evitando la problemática de la formación de grietas, lleva a una producción fiable de una aleación objetivo de este tipo.

Este objetivo se logra mediante las etapas de procedimiento indicadas en la reivindicación 1 tal como sigue:

- fundir... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción de una aleación de base de γ-TiAl que solidifica a través de la fase β (aleación de base de β-γ-TiAl) mediante fusión con arco eléctrico a vacío, caracterizado por las siguientes etapas de procedimiento:

- fundir un electrodo de fusión de base (2) de una aleación primaria de γ-TiAl convencional con un contenido deficitario de titanio y/o en al menos un elemento estabilizante de β con respecto a la aleación de base de β-γ-TiAl a producir en al menos una primera etapa de refusión con arco eléctrico a vacío,

- asociar una cantidad de titanio y/o de elemento estabilizante de β correspondiente al contenido deficitario del titanio y/o del elemento estabilizante de β al electrodo de fusión de base (2) en distribución uniforme a lo largo de su longitud y perímetro y

- añadir por aleación la cantidad del titanio y/o del elemento estabilizante de β asociada al electrodo de fusión de base para la formación de la aleación de base de β-γ-TiAl homogénea en una última etapa de fusión con arco eléctrico a vacío.

2. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrodo de fusión de base (2) de la aleación primaria de γ-TiAl convencional presenta un contenido de aluminio del 45 % en átomos al 50 % en átomos.

3. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el electrodo de fusión de base (2) presenta un déficit de titanio y/o al menos un elemento de acción estabilizante de β en aleaciones de TiAl del grupo de B, Cr, Cu, Hf, Mn, Mo, Nb, Si, Ta, V y Zr.

4. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el electrodo de fusión de base (2) se produce mediante refusión individual o múltiple de un electrodo compactado que presenta los componentes de aleación del electrodo de fusión de base (2) en distribución homogénea.

5. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para asociar la cantidad de titanio y/o de elemento estabilizante de β correspondiente al contenido deficitario del titanio y/o del elemento estabilizante de β al electrodo de fusión de base se produce un electrodo compuesto (19, 19’) que se compone del electrodo de fusión de base (2) y una capa (15) uniforme a lo largo de su perímetro y longitud de grosor correspondiente de titanio y/o del elemento estabilizante de β.

6. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la capa se compone de una envoltura de lámina de titanio (15) que se extiende a lo largo de la longitud del electrodo de fusión de base (2) .

7. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la envoltura de lámina de titanio (15) está fijada al electrodo de soldadura de base con puntos de soldadura (18) distribuidos de manera uniforme a lo largo de su superficie lateral (16) y/o un cordón de soldadura que discurre a lo largo de todo su perímetro sobre el borde superior (17) del electrodo de soldadura (2) .

8. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la envoltura de lámina de titanio (15) se forma por un revestimiento superficial en el lado interior de la coquilla de refusión (4) del horno de fusión de arco eléctrico de vacío (1) , en el que en una etapa de refusión intermedia se une por fusión la envoltura de lámina de titanio (15) al electrodo de fusión de base (2) con la formación de un electrodo intermedio y a continuación el electrodo intermedio se funde de nuevo en una última etapa de fusión con arco eléctrico a vacío para la formación de la aleación de base β-γ-TiAl homogénea.

9. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque para asociar la cantidad de titanio y/o de elemento estabilizante de β correspondiente al contenido deficitario del titanio y/o del elemento estabilizante de β al electrodo de fusión de base se produce un electrodo compuesto (19’) que se compone del electrodo de fusión de base (2) y varias barras (20) de grosor correspondiente de titanio y/o del elemento estabilizante de β, distribuidas de manera uniforme a lo largo del perímetro del electrodo de fusión de base, dispuestas paralelas al eje longitudinal en el mismo.

10. Procedimiento para la producción de una aleación de base de β-γ-TiAl de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la última etapa de fusión con arco eléctrico a vacío para la formación de la aleación de base de β-γ-TiAl homogénea se lleva a cabo en un dispositivo de fusión de costra de arco eléctrico a vacío, después de lo cual el material fundido de la aleación de base de β-γ-TiAl se cuela para dar cuerpos de colada mediante fundición de precisión o fundición en coquilla a partir de la aleación de base de β-γ-TiAl.