DE10058155A1

DE10058155A1 - Alloy based on titanium aluminides produced using a smelting and powder metallurgical process and containing an alloy composition made from titanium, aluminum and niobium has specified an aluminum content

Info

Publication number: DE10058155A1
Application number: DE10058155A
Authority: DE
Inventors: Jonathan Paul; Fritz Appel; Uwe Lorenz; Michael Oehring
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-05-23
Also published as: JP2002167635A; EP1213365A1; KR20020040583A; CN1360074A

Abstract

Alloy based on titanium aluminides produced using a smelting and powder metallurgical process and containing an alloy composition made from titanium, aluminum and niobium has an aluminum content of 45.5-49 at.%. Preferred Features: The alloy contains 0.1-0.5 at.% boron, 0.1-0.8 at.% carbon and 4-10 at.% niobium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf der Basis von unter Verwendung von schmelz- oder pulvermetallurgischen Techniken hergestellten Titanaluminiden mit einer Legierungszusammensetzung aus Titan, Aluminium und Niob.The invention relates to an alloy based on using melt or powder metallurgical Titanium aluminides produced using a technique Alloy composition of titanium, aluminum and niobium.

Eine Legierung dieser Art ist bekannt (DE-OS 197 35 841). Als metallische Hochtemperaturwerkstoffe wurden bisher vorwiegend Werkstoffe auf Nickelbasis oder Eisenbasis eingesetzt, sogenannte Superlegierungen, die ein hohes spezifisches Gewicht haben. Daher lassen sich mit diesen Werkstoffen regelmäßig keine Konstruktions elemente realisieren, bei denen es bei hoher Festigkeit auf ein sehr geringes Gewicht ankommt, beispielsweise in modernen Energieerzeugungsanlagen, Automobilen oder Flugzeugturbinen, um den Wirkungsgrad derartiger Anlagen und Aggregate zu verbessern. Zur Substitution von Superlegierungen wurden deshalb seit einiger Zeit Legierungen auf der Basis von Titanaluminiden entwickelt und eingesetzt, deren spezifisches Gewicht nur halb so groß wie das der Superlegierungen ist. Technisch rele vante Titanaluminid-Legierungen sind aus intermetal lischen Phasen γ (TiAl) und α₂ (Ti₃ Al) aufgebaut. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen hängen von den relativen Volumenanteilen dieser beiden Phasen ab, die ihrerseits vorwiegend durch den Aluminiumgehalt bestimmt sind. Die Zugfestigkeit der gattungsgemäßen Legierungen konnte durch einen 5 bis 10 Atom %, Anteil von Niob deutlich verbessert werden, worauf in der gattungsbildenden DE-OS 197 35 841 hingewiesen worden ist. Die gattungsgemäßen Legierungen zeichnen sich durch sehr hohen Zugfestigkeit aus, die, auf das spezifische Gewicht bezogen, die der Superlegierungen übertreffen. Die gute Zugfestigkeit dieser Nb-haltigen Legierungen beruht auf den in ihnen vorhandenen hohen Volumenan teilen der α₂ (Ti₃ Al)-Phase. Die α₂ (Ti₃ Al)-Phase löst sich jedoch bei Anwendungstemperaturen oberhalb von 700°C leicht auf und bildet sich in die γ (TiAl)-Phase um. Dieses führt zu großen Strukturänderungen im Gefüge, die für die mechanischen Eigenschaften bei hohen Tempe raturen äußerst nachteilig sind. Unter diesen Bedingun gen tritt insbesondere eine hohe Kriechverformung des Werkstoffs auf, die ihn für viele Anwendungen nicht einsetzbar macht. Hinzu kommt, daß die damit verbundenen strukturellen Änderungen im Gefüge des Werkstoffs zu seiner Versprödung führen, die sich sehr nachteilig auf eine nachfolgende Belastung eines aus einem derartigen Werkstoff hergestellten Bauteils bei tiefen Temperaturen auswirkt. An alloy of this type is known (DE-OS 197 35 841). So far, mainly nickel-based or iron-based materials, so-called super alloys, which have a high specific weight, have been used as metallic high-temperature materials. Therefore, with these materials it is not possible to regularly implement construction elements that require a very low weight with high strength, for example in modern power generation systems, automobiles or aircraft turbines, in order to improve the efficiency of such systems and units. For the substitution of superalloys, alloys based on titanium aluminides have therefore been developed and used for some time, the specific weight of which is only half that of the superalloys. Technically relevant titanium aluminide alloys are made up of intermetallic phases γ (TiAl) and α ₂ (Ti ₃ Al). The mechanical properties of these alloys depend on the relative volume fractions of these two phases, which in turn are primarily determined by the aluminum content. The tensile strength of the generic alloys could be significantly improved by a 5 to 10 atom% proportion of niobium, which has been pointed out in the generic DE-OS 197 35 841. The generic alloys are characterized by very high tensile strength, which, based on the specific weight, surpass that of the superalloys. The good tensile strength of these Nb-containing alloys is based on the high volume components of the α ₂ (Ti ₃ Al) phase present in them. However, the α ₂ (Ti ₃ Al) phase dissolves easily at application temperatures above 700 ° C and transforms into the γ (TiAl) phase. This leads to large structural changes in the structure, which are extremely disadvantageous for the mechanical properties at high temperatures. Under these conditions, a high creep deformation of the material occurs, which makes it unusable for many applications. In addition, the associated structural changes in the structure of the material lead to its embrittlement, which has a very disadvantageous effect on a subsequent load on a component made from such a material at low temperatures.

Um die Kriechfestigkeit und die Gefügestabilität der Titanaluminidlegierungen zu verbessern, wurde bei vorgegebener Legierungszusammensetzung bisher eine Optimierung des Gefüges hauptsächlich durch geeignete Wärmebehandlung vorgenommen. Dabei konnte in bestimmtem Maße die Einstellung sogenannter lamellarer Gefüge erreicht werden. Lamellare Gefüge wandeln sich jedoch bei Langzeitbelastungen wieder in globulare Gefügen um, d. h. in ihre Ausgangsgefüge vor der Wärmebehandlung. Hinzu kommt noch, daß sich lamellare Legierungen bei tiefen und mittleren Temperaturen als spröde erweisen, was ihre technische Anwendbarkeit sehr stark ein schränkt.To the creep resistance and structural stability of the Titanium aluminide alloys have been improved given alloy composition so far Optimization of the structure mainly through suitable Heat treatment made. It could in certain Measure the setting of so-called lamellar structure can be achieved. However, lamellar structures change in the case of long-term loads, it switches back to global structures, d. H. in their initial structure before the heat treatment. In addition, lamellar alloys are added low and medium temperatures turn out to be brittle what their technical applicability is very strong limits.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Legierung auf der Basis von Titanaluminiden bereitzu stellen, die diese Nachteile nicht hat, d. h. eine Legierung, die eine große Temperaturfestigkeit sowohl bei hohen als auch niedrigen Temperaturen aufweist, die ebenfalls eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist und eine hohe Kriechbeständigkeit, wobei die erfindungs gemäße Legierung dennoch einfach und kostengünstig herstellbar und verhältnismäßig einfach bearbeitbar sein soll.It is therefore an object of the present invention to Alloy based on titanium aluminides who do not have these disadvantages, d. H. a Alloy, which has great temperature resistance both at both high and low temperatures also has a high resistance to oxidation and a high creep resistance, the fiction appropriate alloy nevertheless simple and inexpensive be producible and relatively easy to edit should.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Legierungszusammensetzung der gattungsgemäßen Art, bei der der Aluminiumgehalt der Legierung im Bereich zwi schen 45,5 und 49 Atom % liegt.The object is achieved according to the invention by a Alloy composition of the generic type, at which is the aluminum content of the alloy in the range between between 45.5 and 49 atomic%.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß mittels der erfindungsgemäß gewählten Zusammenset zung Titanalumidlegierungen bereitgestellt werden können, die bei hohen Temperaturen eine deutlich bessere Festigkeit aufweisen. Durch den im Vergleich zu der DE-OS 19 73 584 Titanaluminidlegierung höheren Anteil an Aluminium wird eine unerwartet höhere Oxidationsbestän digkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil sind die erfindungsgemäß erreichbaren geringeren Dichten der erfindungsgemäßen Legierungen und die vergleichbar niedrigen Rohstoffkosten. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich unter Berücksichtigung des vorrangehend Gesagten der Anwendungsbereich von Titanaluminidlegierungen mittels der erfindungsgemäßen Lösung deutlich erweitert.The advantage of the solution according to the invention is that that by means of the composition chosen according to the invention titanium alumide alloys can be a much better one at high temperatures Have strength. By compared to the DE-OS 19 73 584 titanium aluminide alloy higher proportion Aluminum becomes an unexpectedly higher oxidation resistance reached. Another advantage is that achievable lower densities of the invention alloys according to the invention and the comparable low raw material costs. Another advantage is that considering the foregoing the field of application of titanium aluminide alloys significantly expanded by means of the solution according to the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Legierung ebenfalls Bor, vorzugsweise mit einem Borgehalt in der Legierung im Bereich von 0,1 bis 0,5 Atom %. Der Zusatz von Bor führt vorteilhafterweise zur Bildung von stabilen Ausscheidungen, die zur mecha nischen Härtung der erfindungsgemäßen Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges der Legierung beitragen.According to an advantageous embodiment of the invention the alloy also contains boron, preferably with a boron content in the alloy in the range of 0.1 to 0.5 atomic%. The addition of boron advantageously results to form stable excretions that lead to mecha African hardening of the alloy according to the invention and Stabilize the structure of the alloy.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Legierung Kohlenstoff, und zwar vorzugsweise mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,1 bis 0,8 Atom %. Auch der Zusatz von Kohlenstoff, gegebenenfalls in Kombination mit dem vorbeschriebenen Zusatzstoff Bor, führt zur Bildung von stabilen Aus scheidungen, die ebenfalls zur mechanischen Härtung der Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges beitragen.According to a further advantageous embodiment of the Invention contains the alloy carbon, namely preferably with a carbon content in the range of 0.1 to 0.8 atomic%. Even the addition of carbon, if necessary in combination with the above Additive boron, leads to the formation of stable Aus divorces, which are also used for mechanical hardening of the Alloy and contribute to the stabilization of the structure.

Schließlich ist es vorteilhaft, den Niobgehalt in der Legierung im Bereich zwischen 4 bis 10 Atom % zu wählen, womit die Zugfestigkeit der Legierung deutlich verbes sert werden kann.Finally, it is advantageous to keep the niobium content in the Choose alloy in the range between 4 to 10 atom%, which significantly improves the tensile strength of the alloy can be set.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beige fügte einzige Figur näher beschrieben. Diese zeigt:
ein Diagramm, das die Variation der Fließspan nung mit der Aluminiumkonzentration der erfin dungsgemäßen Legierung zeigt.The invention will now be described in more detail with reference to the beige figure attached. This shows:
a diagram showing the variation of the yield stress with the aluminum concentration of the alloy according to the invention.

Bei der Figur wird von einer Legierung des Typs
Ti-aAl-nNb-cC-bB
ausgegangen, bei der für die Konzentrationsintervalle der Legierung gilt, daß a = 45,5-49, n = 4-10, c = 0,1-0,8 und b = 0,1-0,5 Atom % ist, wobei im vorliegen den Fall für die Darstellung im Diagramm n = 10, b = 0,2 und c = 0,2 gewählt worden ist. Die Figur enthält die Festigkeitswerte für Raumtemperatur und 900°C. Darüber hinaus sind die Festigkeitswerte einer durch die gat tungsbildende DE-OS 197 35 841 realisierten Legierung in einer Zusammensetzung Ti-45 Al-10Nb-0,2C-0,2B (ebenfalls in Atom %) enthalten.The figure is made of an alloy of the type
Ti a Al-nNb-cC-bB
assumed, for the concentration intervals of the alloy that a = 45.5-49, n = 4-10, c = 0.1-0.8 and b = 0.1-0.5 atom%, where in the present case the case for the representation in the diagram n = 10, b = 0.2 and c = 0.2 was chosen. The figure contains the strength values for room temperature and 900 ° C. In addition, the strength values of an alloy realized by the coating-forming DE-OS 197 35 841 are contained in a composition Ti-45 Al-10Nb-0.2C-0.2B (also in atom%).

Wie aus der Figur ersichtlich, werden mit der erfin dungsgemäßen Legierung bis zu Aluminiumkonzentrationen von 47 Atom % bei Raumtemperatur nahezu gleiche Fließ spannungen von etwa 1000 MPa erreicht. Erst danach fällt die Fließspannung deutlich ab. Bei 900°C steigt die Fließspannung zunächst deutlich mit der Aluminium konzentration an und erreicht bei ca. 47 Atom % ein Maximum und fällt dann wieder zu den an der Legierung Ti-45Al-10Nb-0,2C-0,2B gemessenen Werten ab. Diese Beobachtung weist darauf hin, daß die Hochtemperatur- Fließspannung von Nb-haltigen Titanaluminiden sehr empfindlich vom Aluminiumgehalt abhängt. Dieses ist erfindungsgemäß erkannt worden. Die Zusätze von Kohlen stoff und Bor führen zur Bildung von stabilen Aus scheidungen, die zur mechanischen Härtung der Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges beitragen. As can be seen from the figure, with the inventions alloy according to the invention up to aluminum concentrations of 47 atom% at room temperature almost the same flow stresses of around 1000 MPa reached. Only after that falls the yield stress drops significantly. At 900 ° C the increases Yield stress initially clearly with the aluminum concentration and reaches around 47 atomic% Maximum and then falls back to that on the alloy Ti-45Al-10Nb-0.2C-0.2B measured values. This Observation suggests that the high temperature Yield stress of Nb-containing titanium aluminides is very high depends on the aluminum content. This is have been recognized according to the invention. The additions of coal Fabric and boron lead to the formation of stable deposits divorces used to mechanically harden the alloy and contribute to the stabilization of the structure.

Es ist aus der Figur ersichtlich, daß mittels der erfindungsgemäßen Legierung bei hohen Temperaturen deutlich höhere Festigkeiten der Legierungen erreicht werden können. Durch den im Vergleich zur gattungsge mäßen Legierungszusammensetzung höheren Aluminiumgehalt kann zudem eine bessere Oxidationsbeständigkeit erreicht werden. Weitere Vorteile sind niedrigere Dichten und geringere Gestehungskosten, wodurch sich ebenfalls der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Legierungen deutlich erweitern läßt.It can be seen from the figure that by means of alloy according to the invention at high temperatures achieved significantly higher strengths of the alloys can be. By compared to the genus moderate alloy composition higher aluminum content can also achieve better resistance to oxidation become. Other advantages are lower densities and lower production costs, which also increases the Field of application of the alloys according to the invention can be expanded significantly.

Durch die Verwendung herkömmlicher metallurgischer Schmelz- oder Gießmethoden oder auch bekannter pulverme tallurgischer Verfahren können die erfindungsgemäßen Legierungen hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Legierungen können auch durch heiß-isostatisches Ver dichten, Wärmebehandlungen, Warmschmieden und Warm strangpressen oder eine Kombination dieser Verfahren umgeformt beziehungsweise weiterverarbeitet werden.By using conventional metallurgical Melting or casting methods or also known powder Tallurgical processes can be the inventive Alloys are made. The invention Alloys can also by hot isostatic Ver sealing, heat treatments, hot forging and hot extrusion or a combination of these processes be reshaped or further processed.

Claims

1. Alloy based on the use of melting and powder metallurgy techniques made titanium aluminides with an alloy composition of titanium, aluminum and niobium, characterized in that the aluminum content of the alloy is between 45.5 and 49 atom%.

2. Alloy according to claim 1, characterized in that it contains boron.

3. Alloy according to claim 2, characterized in that the boron content in the alloy in the range between 0.1 to 0.5 atomic%.

4. Alloy according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that this carbon contains.

5. Alloy according to claim 4, characterized in that the carbon content ranges between 0.1 to 0.8 atomic%.

6. Alloy according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the niobium content in the Alloy is in the range between 4 to 10 atom%.