DE102006052650A1

DE102006052650A1 - Α / α2 titanium alloy valve and method of making the same

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Publication number: DE102006052650A1
Application number: DE102006052650A
Authority: DE
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2007-07-19
Also published as: WO2007082708A1

Abstract

Eine alpha/alpha¶2¶-TiAl-Legierung als Werkstoff für Bauteile oder Bauteilkomponenten in Verbrennungsmotoren, insbesondere für Leichtbauventile, besteht aus 40-50 Vol.-% alpha¶2¶-Phase (Ti¶3¶Al), 1 Vol.-% Siliziden, 1 Vol.-% beta-Phase und dem Rest alpha-Phase. Diese Legierung weist eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auf. Die Bauteile und Bauteilkomponenten werden durch Warmumformen in der beta-Phase, vorzugsweise bei 1050 DEG C-1110 DEG C, aus einem Halbzeug der oben genannten intermetallischen Phase hergestellt, das vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung von 8-10 Gew.-% Al, 0,2-5,0 Gew.-% Nb, 0,1-1,0 Gew.-% Mo, 0,1-2,0 Gew.-% Si, 0,2-4,0 Gew.-% Zr, 0,1-1,0 Gew.-% B und dem Rest Ti aufweist.An alpha / alpha ¶¶¶ TiAl alloy as a material for components or components in internal combustion engines, in particular for lightweight valves, consists of 40-50 vol .-% alpha¶2¶ phase (Ti¶3¶Al), 1 vol. % Silicides, 1% by volume beta phase and the balance alpha phase. This alloy has a high rigidity and strength. The components and component components are produced by hot forming in the beta phase, preferably at 1050 ° C.-1110 ° C., from a semifinished product of the abovementioned intermetallic phase, which preferably has a chemical composition of 8-10% by weight Al, 0, 2-5.0 wt.% Nb, 0.1-1.0 wt.% Mo, 0.1-2.0 wt.% Si, 0.2-4.0 wt.% Zr, 0.1-1.0 wt .-% B and the balance Ti.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug auf der Basis von α-Titan und intermetallischer Phasen des Legierungssystems Titan-Aluminium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder einer Bauteilkomponente für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The The invention relates to a semi-finished product based on α-titanium and intermetallic phases of the alloy system titanium-aluminum according to the preamble of claim 1 and a method for producing a component or a component component for an internal combustion engine according to the preamble of claim 5.

Aus der DE 100 24 343 A1 ist bekannt, Bauteile für Verbrennungsmotoren auf der Basis von intermetallischen γ-TiAl-Legierungen herzustellen. Diese Legierungen sind mehrphasig aufgebaut und enthalten neben dem geordneten tetragonalen γ-TiAl als Hauptphase das geordnete hexagonale α₂-Ti₃Al. Sie zeichnen sich aus durch vorteilhafte mechanische und thermophysikalische Eigenschaften bei geringem spezifischem Gewicht. Der Al-Anteil dieser Legierungen liegt typischerweise bei 40–50 Atom-%.From the DE 100 24 343 A1 It is known to produce components for internal combustion engines based on intermetallic γ-TiAl alloys. These alloys are multiphase and contain, in addition to the ordered tetragonal γ-TiAl as the main phase, the ordered hexagonal α ₂ -Ti ₃ Al. They are characterized by advantageous mechanical and thermophysical properties at low specific weight. The Al content of these alloys is typically 40-50 atomic%.

Weiterhin ist aus der WO 2004/079237 A2 eine TiAl-Legierung bekannt, die sich durch einen hohen Al-Anteil auszeichnet und sich die Aushärtung durch die α₂-Phase zunutze macht. Eine solche Legierung hat allerdings einen hohen Anteil an β-Phase stabilisierenden Elementen, die sich negativ auf die Hochtemperatureigenschaften auswirken.Furthermore, a TiAl alloy is known from WO 2004/079237 A2, which is characterized by a high Al content and makes use of the curing by the α ₂ phase. However, such an alloy has a high proportion of β-phase stabilizing elements, which have a negative effect on the high-temperature properties.

Ganz allgemein werden bei kommerziell erhältlichen TiAl-Legierungen durch die Zugabe von β-Phase stabilisierenden Elementen zweiphasige Legierungen (α/β) erzeugt, die bei niedrigen und mittleren Temperaturen eine gute Festigkeit aufweisen. Da sich die kubisch raumzentrierte β-Phase (aufgrund eines höheren Diffusionskoeffizienten) bei höheren Temperaturen leichter verformt als die α- und α₂-Phase, ist die Hochtemperaturfestigkeit dieser Legierungen begrenzt.More generally, in the case of commercially available TiAl alloys, the addition of β-phase stabilizing elements produces biphasic alloys (α / β) which have good strength at low and medium temperatures. Since the cubic body-centered β phase (due to a higher diffusion coefficient) deforms more easily at higher temperatures than the α and α ₂ phases, the high-temperature strength of these alloys is limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis des Ti-Al-Legierungssystems einen Werkstoff für Bauteile und Bauteilkomponenten in Verbrennungsmotoren vorzuschlagen, der sich durch geringes spezifisches Gewicht, eine besonders hohe Steifigkeit und große Festigkeit bei höheren Temperaturen auszeichnet. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Bauteilkomponenten aus einem solchen Werkstoff bereitgestellt werden.Of the Invention is based on the object, based on the Ti-Al alloy system a material for To propose components and components in internal combustion engines, characterized by low specific weight, a particularly high rigidity and big Strength at higher Temperatures are outstanding. Furthermore, a method for the production of components and component components made of such a material to be provided.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.The The object is achieved by the Features of the claims 1 and 5 solved.

Danach wird zur Herstellung der Bauteile und Bauteilkomponenten ein Halbzeug aus einer α-Titanlegierung mit einem Anteil von 40–50 Vol.-% α₂-Phase (Ti₃Al, geordnete hexagonale Phase) und 50–60 Vol.-% α-Phase verwendet. Das Halbzeug kann außerdem bis zu 1 Vol.-% Silizide und in geringen Anteilen (bis zu 1 Vol.-% bei Betriebstemperatur) β-Phase enthalten.Thereafter, a semifinished product of an α-titanium alloy with a proportion of 40-50 vol .-% α ₂ phase (Ti ₃ Al, ordered hexagonal phase) and 50-60 vol .-% α-phase for the preparation of the components and component components used. The semifinished product may also contain up to 1% by volume of silicides and in minor proportions (up to 1% by volume at operating temperature) β-phase.

Der Werkstoff des Halbzeugs setzt sich vorzugsweise aus 8–10 Gew.-% Al; 0,2–5,0 Gew.-% Nb; 0,1–1,0 Gew.-% Mo; 0,1–2,0 Gew.-% Si; 0,2–4,0 Gew.-% Zr; 0,1–1,0 Gew.-% B und dem Rest Ti zusammen. Eine solche Legierung hat ein geringes spezifisches Gewicht und eine feinkörnige lamellare Gefügestruktur. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Zusammensetzung von 9 Gew.-% Al; 0,5 Gew.-% Nb; 0,5 Gew.-% Mo; 0,5 Gew.-% Si und den restlichen Gew.-% Ti herausgestellt.Of the Material of the semifinished product is preferably composed of 8-10 wt .-% al; 0.2-5.0 Wt% Nb; 0.1-1.0 Wt% Mo; 0.1-2.0 Wt% Si; 0.2-4.0% by weight Zr; 0.1-1.0 Wt .-% B and the remainder Ti together. Such an alloy has one low specific gravity and a fine-grained lamellar microstructure. Particularly advantageous is a composition of 9 wt .-% al; 0.5% by weight of Nb; 0.5% by weight of Mo; 0.5 wt .-% Si and the rest Wt .-% Ti exposed.

Bauteile aus den erfindungsgemäßen α-Titanlegierungen weisen eine Streckgrenze > 1000 MPa bei Raumtemperatur, > 550 MPa bei 600°C und > 250 MPA bei 800°C auf. Ihr E-Modul liegt bei Raumtemperatur bei > 125 GPa. Da die erfindungsgemäßen Legierungen auch bei hohen Temperaturen eine erhöhte Steifigkeit und hohe Festigkeit aufweisen, eignen sie sich insbesondere als Werkstoff für Bauteile und Bauteilkomponenten in Verbrennungsmotoren, die im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Aufgrund des hohen Al-Gehalts und des geringen Anteils an schweren Legierungselementen haben die erfindungsgemäßen Legierungen eine niedrige Dichte (etwa 4.35 g/cm³). Durch den sehr niedrigen Gehalt an β-Phase stabilisierenden Elementen wird die Ausprägung von β-Phase unterbunden, was zu einer hohen Warmfestigkeit führt. Es bilden sich jedoch Bereiche aus, in denen eine Anreicherung an β-Phase stabilisierenden Elementen vorliegt, was zu vielen festigkeitssteigernden inneren Grenzflächen führt. Das in der erfindungsgemäßen Legierung enthaltene Si führt zu einer effektiven Mischkristallverfestigung und bildet feine Silizide; dies hat eine Festigkeitssteigerung im gesamten Temperaturbereich zur Folge. Bei Betriebstemperatur der Motorenbauteile (d.h. zwischen 600°C und 800°C) ist die β-Phase also unterbunden; der Anteil der α₂-Phase beträgt bei 600°C vorzugsweise > 30 Vol.-% und bei 800°C vorzugsweise > 5 Vol.-%.Components made from the α-titanium alloys according to the invention have a yield strength> 1000 MPa at room temperature,> 550 MPa at 600 ° C. and> 250 MPA at 800 ° C. Its modulus of elasticity is> 125 GPa at room temperature. Since the alloys according to the invention have increased rigidity and high strength even at high temperatures, they are particularly suitable as material for components and component components in internal combustion engines which are exposed to high thermal and mechanical stresses during operation. Due to the high Al content and low content of heavy alloying elements, the alloys of the present invention have a low density (about 4.35 g / cm ³ ). Due to the very low content of β-phase stabilizing elements, the expression of β-phase is suppressed, which leads to a high heat resistance. However, areas are formed in which there is an accumulation of β-phase stabilizing elements, resulting in many strength-enhancing internal interfaces. The Si contained in the alloy of the invention results in effective solid solution strengthening and forms fine silicides; This results in an increase in strength over the entire temperature range. At operating temperature of the engine components (ie between 600 ° C and 800 ° C), the β-phase is thus suppressed; the proportion of the α ₂ phase is preferably> 30% by volume at 600 ° C. and preferably> 5% by volume at 800 ° C.

Zur Herstellung solcher Bauteile und Bauteilkomponenten werden Halbzeuge aus den erfindungsgemäßen α-Titanlegierungen einer Warmumformung im Zustandsbereich der β-Phase unterzogen. Die Warmumformung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1150°C, insbesondere zwischen 1050°C und 1110°C.to Production of such components and component components are semi-finished products from the α-titanium alloys of the invention Subjected to hot working in the state region of β-phase. Hot forming is preferably carried out at temperatures between 1000 ° C and 1150 ° C, in particular between 1050 ° C and 1110 ° C.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die α-Titanlegierung als Werkstoff für Ventile in Verbrennungsmotoren verwendet. Ausgangspunkt zur Herstellung eines solchen Ventils ist ein zylinderförmiges Halbzeug aus einer erfindungsgemäßen α-Titanlegierung, dessen Durchmesser kleiner als der Tellerdurchmesser des zu fertigenden Ventils ist. Das Halbzeug wird im Zustandsbereich der β-Phase, vorzugsweise bei 1050°C–1110°C, warmumgeformt. Dabei wird durch einen Strangpressvorgang der Ventilschaft ausgeformt; gleichzeitig wird durch eine Schmiedeoperation der Ventilteller ausgeformt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sowohl das Material im Ventilschaft als auch das Material im Ventilteller eine Mindestumformung und dadurch die gewünschte Gefügeveränderung erfährt.In an advantageous embodiment of the invention, the α-titanium alloy is used as a material for valves in internal combustion engines. The starting point for the production of such a valve is a cylindrical semi-finished product of an α-titanium alloy according to the invention, the diameter of which is smaller than the diameter of the valve to be manufactured. The semi-finished product is in the state area the β-phase, preferably at 1050 ° C-1110 ° C, hot-worked. In this case, the valve stem is formed by an extrusion process; At the same time, the valve disk is formed by forging operation. In this way it is ensured that both the material in the valve stem and the material in the valve plate undergoes a minimum deformation and thereby the desired microstructural change.

Neben der oben beschriebenen Herstellung eines gesamten Ventils mit Hilfe der Warmumformung kann auch lediglich eine Einzelkomponente (z.B. der Ventilschaft) aus der erfindungsgemäßen α-Titanlegierung warmumgeformt werden und in einem Folgeschritt mit einer anderen Komponente (z.B. dem Ventilteller) aus demselben oder einem anderen Werkstoff verbunden werden (z.B. mittels Reibschweißen). Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich nicht nur als Werkstoff für thermisch hochbelastete Motorenbauteile und – komponenten, sondern auch für Niedertemperaturanwendungen, bei denen besonders hohe Anforderungen in Bezug auf Steifigkeit, Festigkeit und Gewichtseinsparung gestellt werden.Next the above-described production of an entire valve with the help Hot working may also involve only a single component (e.g. the valve stem) from the α-titanium alloy according to the invention and in a subsequent step with another component (e.g. the valve disc) made of the same or a different material (e.g., by friction welding). The alloy according to the invention is suitable not only as a material for thermally highly stressed engine components and components, but also for low temperature applications, which are particularly demanding in terms of stiffness, Strength and weight savings are made.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung als Ventilwerkstoff bietet die Möglichkeit höherer Motordrehzahlen und dadurch höherer Leistungen. Die Herstellung und Bearbeitung von Ventilen aus dieser Legierung erfolgt analog zu den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Ventilen aus Ti-Legierungen und ist daher wesentlich einfacher und kostengünstiger als die von TiAl-Ventilen. Weiterhin ergibt sich eine höhere Betriebssicherheit, da – im Unterschied zu TiAl-Legierungen – keine sprödigkeitsbedingten Ausfälle vorkommen können.The Use of the alloy according to the invention as a valve material offers the possibility of higher engine speeds and thereby higher Services. The manufacture and processing of valves from this Alloy is analogous to those used previously, commercially available Valves made of Ti alloys and is therefore much easier and cost-effective than that of TiAl valves. Furthermore, there is a higher Operational safety, there - in Difference to TiAl alloys - no brittleness-related failures occur can.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:in the The following is the invention with reference to a specific embodiment explained in more detail. there demonstrate:

1 eine schematische Darstellung der Gleichgewichts-Phasenanteile der Legierung Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si in Abhängigkeit der Temperatur; 1 a schematic representation of the equilibrium phase proportions of the alloy Ti-9Al-0.5Nb-0.5Mo-0.5Si as a function of temperature;

2 eine Mikrostruktur der Legierung Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si mit bandartigen Strukturen; 2 a microstructure of the Ti-9Al-0.5Nb-0.5Mo-0.5Si alloy with ribbon-like structures;

3 eine Wiedergabe eines chemischen Mappings von bandartigen Strukturen in der Mikrostruktur der Legierung Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si in bezug auf ...
3a ... Al;
3b ... Si;
3c ... Ti;
3d ... Nb;
3e ... Mo. 3 a representation of a chemical mapping of band-like structures in the microstructure of the alloy Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si with respect to ...
3a ... Al;
3b ... Si;
3c ... Ti;
3d ... Nb;
3e ... Not a word.

1 zeigt das Ergebnis einer Modellierung der Gleichgewichts-Phasenanteile der Legierung Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si in Abhängigkeit von der Temperatur; diese Legierungszusammensetzung (9 Gew.-% Al, 0,5 Gew.-% Nb, 0,5 Gew.-% Mo, 0,5 Gew.-% Si, Rest Ti) hat sich bezüglich ihrer Warmfestigkeit als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch den niedrigen Gehalt an β-Stabilisatoren bildet diese Legierung die β-Phase nicht oder in nur minimalen Volumengehalten aus. Insbesondere im Temperaturbereich zwischen 600°C und 800°C, der der Betriebstemperatur der hier betrachteten Motorbauteile entspricht, liegt keine β-Phase im Gleichgewicht vor. Trotzdem besteht eine quasi mehrphasige Gefügesubstruktur, die bei niedrigen und mittleren Temperaturen zu Eigenschaften analog zweiphasiger α/β-Legierungen führt. Diese mehrphasige Gefügestruktur ist z.B. aus der Schliffansicht der 2 ersichtlich, die die Mikrostruktur der Legierung Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si zeigt und bandartige Bereiche 1 aufweist. Wie aus dem in 3a bis 3e gezeigten chemischen Mapping – in bezug auf Al (3a), Si (3b), Ti (3c), Nb (3d) und Mo (3e) – dieser bandartigen Bereiche 1 hervorgeht, handelt es sich in diesen Bereichen 1 um Anreicherungen von β-Stabilisatoren. Beugungsbilder zeigen jedoch, dass in den bandartigen Bereichen 1 keine β-Phase vorliegt. 1 shows the result of modeling the equilibrium phase proportions of Ti-9Al-0.5Nb-0.5Mo-0.5Si alloy as a function of temperature; this alloy composition (9% by weight Al, 0.5% by weight Nb, 0.5% by weight Mo, 0.5% by weight Si, remainder Ti) has proved to be particularly advantageous with regard to its heat resistance. Due to the low content of β-stabilizers, this alloy does not form the β-phase or in only minimal volume levels. In particular, in the temperature range between 600 ° C and 800 ° C, which corresponds to the operating temperature of the motor components considered here, there is no beta phase in equilibrium. Nevertheless, there is a quasi-multiphase microstructure substructure, which leads at low and medium temperatures to properties analogous to two-phase α / β alloys. This multiphase microstructure is eg from the cut view of the 2 showing the microstructure of the alloy Ti-9Al-0.5Nb-0.5Mo-0.5Si and tape-like portions 1 having. As from the in 3a to 3e shown chemical mapping - with respect to Al ( 3a ), Si ( 3b ), Ti ( 3c ), Nb ( 3d ) and Mo ( 3e ) - these band-like areas 1 1, they are enrichments of β-stabilizers. However, diffraction patterns show that in the band-like areas 1 no β-phase is present.

In der erfindungsgemäßen Legierung unterbindet bei hohen Temperaturen das Fehlen der β-Phase den ansonsten bei α/β-Legierungen beobachteten Festigkeitseinbruch. Gleichzeitig trägt der hohe Anteil an α₂-Phase zu einer Steigerung der Hochtemperaturfestigkeit bei. Ein weiterer festigkeitssteigernder Beitrag wird durch die Zugabe der 0,5 Gew.-% Si und die dadurch bedingte Mischkristallstruktur und die Ausscheidung feiner Ti₅Si₃-Teilchen erzielt. Insgesamt ist die Legierung Ti-9Al-0,5Nb-0,5Mo-0,5Si in Bezug auf Hochtemperaturfestigkeit und Ermüdungseigenschaften den konventionellen Ti-Legierungen deutlich überlegen und kommt denen von TiAl nahe.In the alloy according to the invention, at high temperatures, the absence of the β-phase prevents the decrease in strength otherwise observed in α / β alloys. At the same time, the high proportion of α ₂ phase contributes to an increase in high-temperature strength. Another strength-increasing contribution is achieved by the addition of 0.5 wt .-% of Si and the consequent mixed crystal structure and the excretion of fine Ti ₅ Si ₃ particles. Overall, the alloy Ti-9Al-0.5Nb-0.5Mo-0.5Si is superior to the conventional Ti alloys in terms of high-temperature strength and fatigue properties, and is close to that of TiAl.

Claims

Semi-finished product based on α-titanium and intermetallic phases of the titanium-aluminum alloy system, in particular for use as a component or component component in an internal combustion engine, characterized in that the semi-finished product has the following phase composition: - 40-50% by volume α ₂ - Phase (Ti ₃ Al), - ≤ 1 vol .-% silicides - ≤ 1 vol .-% β-phase and - rest α-phase.

Semifinished product according to claim 1, characterized gekenn indicates that the semi-finished product has the following chemical composition. - 8-10 wt% Al, - 0.2-5.0 wt% Nb, - 0.1-1.0 wt% Mo, - 0.1-2.0 wt% Si, - 0.2-4.0 wt .-% Zr, - 0.1-1.0 wt .-% B and - balance Ti.

Semifinished product according to claim 2, characterized that the semi-finished product has the following chemical composition. - about 9 Wt.% Al, - approximately 0.5% by weight of Nb, - approximately 0.5% by weight of Mo, - approximately 0.5 wt .-% Si, and - rest Ti.

Use of a semifinished product according to one of claims 1 to 3, characterized in that the semifinished product for producing a Valve for an internal combustion engine is used.

Process for the production of a component or a Component component of a titanium-aluminum alloy for a Internal combustion engine, characterized in that the component or the component component by a hot working of a semifinished product Claim 1 or 2 in the state region of the β-phase is produced.

Method according to claim 5, characterized in that that the hot forming in a temperature range between 1000 ° C and 1150 ° C, in particular between 1050 ° C and 1110 ° C, he follows.

Method according to Claim 6, characterized that the hot forming comprises a forging operation.

Use of the method according to one of claims 5 to 7 for producing a valve with a valve stem and a Valve disc, wherein, starting from a cylindrical semi-finished product from an α-titanium alloy titanium-aluminum system, the valve through a hot forming process is produced, in which by means of extrusion of the valve stem and at the same time by forging the valve disk is generated.