Wie werden Laufräder und Leiträder aus Titanlegierungen gegossen?

Laufräder und Leiträder aus Titanlegierungen werden unter Vakuum mit geschütztem Schmelzen und Formfüllen gegossen, da Titanschmelze leicht mit Gasen und vielen Formstoffen reagiert. Beim Laufrad kommen eine Graphitschale für den Feinguss und Zentrifugalguss zum Einsatz; beim Leitrad eine behandelte Graphitform und Vakuum-Zentrifugalfüllung. Zu den behandelten Gusswerkstoffen gehören die Titan-Gusslegierungen Ti-6Al-4V und Ti-5Al-2.5Sn; die typische Zusammensetzung und die Eigenschaften von Ti-6Al-4V sind unten aufgeführt.

Zusammensetzung und Eigenschaften der gegossenen Titanlegierung Ti-6Al-4V

Hinweis: Die Legierung enthält in der Regel auch geringe Mengen an C, O, N und H, wobei der Rest aus Titan besteht.

Das Gießen von Titanlegierungen ist schwierig. Die Schmelztemperaturen liegen in der Regel über 1700 °C, und Titan ist hochreaktiv. Oberhalb von 500 °C reagiert es mit vielen Materialien, während geschmolzenes Titan mit fast allen feuerfesten Materialien sowie mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff reagieren kann. Außerdem weist es eine schlechte Fließfähigkeit auf. Formmaterialien, Schmelzverfahren und die Formfüllung erfordern daher besondere Maßnahmen. Formmaterialien müssen eine hohe Feuerfestigkeit und thermische Stabilität aufweisen und dürfen nicht mit der Schmelze reagieren. Zu den derzeit verwendeten Formsystemen gehören gestampfte Graphitformen, Feingussschalen, Keramikformen und Zirkonsandformen.

Aufgrund dieser Reaktivität müssen das Schmelzen von Barren mit Verbrauchs-Elektroden und das Gießen von Titan unter Vakuum oder unter Schutzgas in einem zwangsgekühlten Tiegel erfolgen. In der Produktion kommt üblicherweise ein Vakuum-Schmelzofen zum Einsatz.

Titan-Laufrad im Feinguss mit Graphitschale

Bei diesem Laufrad kommt eine Feingussform zum Einsatz. Das Formsystem verwendet Phenolharz als Bindemittel sowie Graphitpulver und Sand unterschiedlicher Korngrößen als feuerfeste Füllstoffe und Stuck. Die Festigkeit der Form beträgt 5,7–6,8 MPa. Die Formen für Laufräder und Lüfterrotoren haben eine Außenabmessung von 350 mm × 350 mm × 350 mm. Die Form wird in einer vertikalen Zentrifugalgussmaschine in der Mitte des Drehtellers positioniert, und die Vakuumkammer wird zum Evakuieren und Schmelzen geschlossen.

Nach dem Schmelzen neigt sich der Schädelofen automatisch zum Gießen. Die Formgeschwindigkeit während des Gießvorgangs beträgt 200–400 U/min. Die so hergestellten Gussteile können eine Mindestwandstärke von 1,5–2 mm und eine Oberflächenrauheit von Ra 3,2–6,3 μm aufweisen.

Titan-Leitrad aus einer Graphitform

Das Führungsrad hat einen maximalen Durchmesser von 363,5 mm und 18 gleichmäßig verteilte Schaufeln. Die Wandstärke an den Schaufelspitzen beträgt 4 mm, die Toleranz der Schaufeldicke liegt unter 0,2 mm und der Schaufelbogenfehler beträgt weniger als 0,15 mm. Die Schaufeloberflächen müssen eine Rauheit von Ra 6,3 μm aufweisen, während die bearbeiteten Oberflächen des Führungsrades eine Bearbeitungszugabe von 2–3 mm haben.

Ein einziger ringförmiger Kern bildet alle Schaufeln und trägt so zur Kontrolle der Schaufelabmessungen und -position bei. Der Schaufelkern, die oberen und unteren Konturkerne sowie der Gießbecherabschnitt werden in einer Außenform zusammengesetzt. Fertige Graphitformen und -kerne enthalten häufig Feuchtigkeit und erfordern eine Hochtemperaturbehandlung. Die Form wird in einen Vakuumofen gegeben, evakuiert, langsam auf 950 °C erhitzt, etwa 4 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und zusammen mit dem Ofen abgekühlt. Die behandelte Form sollte so schnell wie möglich ausgegossen werden, um eine erneute Gasaufnahme zu begrenzen.

Der Guss erfolgt in einem Vakuum-Schädelofen mit Einwegelektroden und zentrifugaler Befüllung unter Vakuum. Basierend auf dem mittleren Radius sind ein Schwerkraftfaktor G von 15 und eine Formgeschwindigkeit von 350 U/min zu verwenden. Das Gussteil ist nach dem Gießen unter Vakuum abzukühlen.