DE102007032406B3 - Process to form an alloy for e.g. gas turbine engine by combination of molten titanium and aluminum in presence of halogen-enriched gas - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Legierung auf Basis von Titanaluminiden.The The invention relates to a method for producing an alloy based on titanium aluminides.
Legierungen auf der Basis von unter Verwendung von schmelz- und pulvermetallurgischen Techniken hergestellten Titanaluminiden mit einer vorbestimmten Legierungszusammensetzung aus Titan und Aluminium und ggf. weiterer Bestandteile wie z. B. Niob, Bor, Chrom, Molybdän, Mangan und Vanadium etc. sowie Kohlenstoff in unterschiedlichen Zusammensetzungen sind im Stand der Technik bekannt.alloys based on the use of fusion and powder metallurgy Techniques produced titanium aluminides with a predetermined Alloy composition of titanium and aluminum and possibly further Ingredients such. Niobium, boron, chromium, molybdenum, manganese and vanadium etc. and carbon in different compositions are in the Known in the art.
Titan-Aluminid-Legierungen weisen Eigenschaften auf, die für einen Einsatz als Leichtbau-Werkstoff, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, besonders günstig sind. Diese Leichtbauwerkstoffe auf Basis von Titanaluminiden eröffnen aufgrund ihrer Festigkeits- und Kriecheigenschaften bei hohen Temperaturen Möglichkeiten zur Fertigung mechanisch beanspruchter Bauteile in der Hochtemperaturtechnik, z. B. als Turbinenschaufeln im Flugzeugbau, Endstufenschaufeln, Motorventile, etc. Darüber hinaus bieten sie sich wegen ihrer geringen Dichte (ca. 3,8–4,3 g/cm3) als Ersatz für Nickelbasis-Superlegierungen an, die typischerweise eine Dichte von 8,5 g/cm3 aufweisen.Titanium aluminide alloys have properties that are particularly favorable for use as a lightweight material, especially for high temperature applications. Due to their strength and creep properties at high temperatures, these lightweight materials based on titanium aluminides open up possibilities for producing mechanically stressed components in high-temperature engineering, for In addition, they offer because of their low density (about 3.8-4.3 g / cm 3 ) as a substitute for nickel-based superalloys, which typically has a density of 8.5 g / cm 3 .
Der Ansatz der Titan-Aluminid-Legierungen ist durch ihre begrenzte Oxidationsbeständigkeit auf Temperaturen unterhalb von ca. 750°C begrenzt. Darüber hinaus ist bekannt, dass durch geringe Mengen an Halogenen in der Oberfläche der Titanaluminid-Werkstoffe das Oxidationsverhalten aufgrund des so genannten Halogeneffekts deutlich verbessern, wodurch der Einsatzbereich der Werkstoffe auf Temperaturen bis über 1000°C erweitert wird.Of the Approach of titanium aluminide alloys is by their limited oxidation resistance limited to temperatures below about 750 ° C. Furthermore It is known that small amounts of halogens in the surface of the Titanium aluminide materials the oxidation behavior due to the so-called halogen effect significantly improve the field of application of the materials Temperatures above 1000 ° C extended becomes.
Beispielsweise ist aus DE-A-103 51 946 ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines aus einer Titanaluminid-Legierung bestehenden Bauteils zur Verbesserung seiner Oxidationsbeständigkeit bekannt. Ferner offenbart DE-C-196 27 605 ein Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit für Legierungen auf der Basis von Titanaluminid, wobei Halogene über den Vorgang der Ionenimplantation in die Werkstoffoberfläche übertragen werden.For example From DE-A-103 51 946 a method for the treatment of the surface of a Titanium aluminide alloy component for improvement its oxidation resistance known. Further, DE-C-196 27 605 discloses a method for increasing the corrosion resistance for alloys based on titanium aluminide, wherein halogens are via the process of ion implantation transferred into the material surface become.
Darüber hinaus sind in DE-T-693 09 167 Erzeugnisse aus einer intermetallischen Verbindung eines Ti-Al-Systems mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation und Verschleiß sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Erzeugnisses beschrieben.Furthermore are in DE-T-693 09 167 products of an intermetallic Connection of a Ti-Al system with high resistance to Oxidation and wear as well a process for the preparation of this product described.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Titanaluminid-Legierungen mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bereitzustellen, wobei bei Anwendung der Legierungen bzw. beim Einsatz der Legierungen etwaige Beschädigungen der Legierung in der Oberfläche keine Auswirkungen auf die Oxidationsbeständigkeit haben soll.outgoing from this prior art, the present invention is the Task underlying titanium aluminide alloys with a high oxidation resistance to provide, with the application of the alloys or in use the alloys any damage the alloy in the surface should have no effect on the oxidation resistance.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Legierung auf Basis von Titanaluminiden, wobei aus einer Titanaluminid-Metallschmelze, insbesondere unter Verwendung des Gas-Atomisations-Verfahrens, Metalltröpfchen erhalten werden, die Metalltröpfchen mittels Beaufschlagung mit einem halogenhaltigen Gas mit Halogenen angereichert werden, so dass halogenangereicherte Titan-Aluminid-Metalltröpfchen oder halogenangereichertes TiAl-Metallpulver entstehen und anschließend aus den halogenangereicherten Titan-Aluminid-Metalltröpfchen oder dem TiAl-Metallpulver durch, vorzugsweise heißes isostatisches, Pressen, die Legierung geformt wird.The Task is solved by a process for producing an alloy based on Titanaluminiden, wherein from a titanium aluminide molten metal, in particular using the gas atomization method, metal droplets to get the metal droplets Enriched by exposure to a halogen-containing gas with halogens so that halogenated titanium-aluminide metal droplets or halogen-enriched TiAl metal powders are formed and then removed the halogen-enriched titanium-aluminide metal droplets or the TiAl metal powder, preferably hot isostatic pressing, the alloy is molded.
Dadurch, dass halogenhaltiges Gas verwendet wird, um Metalltröpfchen mit Halogenen anzureichern, wird erreicht, dass dem gesamten Werkstoff aus der Titanaluminid-Legierung Halogene zulegiert werden, wodurch eine feine bzw. homogene Verteilung der Halogene im gesamten Werkstoff und in jedem Teilvolumen des Werkstoffs bzw. der Legierung und nicht nur an der Oberfläche des Werkstoffs bzw. der Legierung erreicht wird.Thereby, that halogen-containing gas is used to metal droplets with To enrich halogens, it is achieved that the entire material The titanium aluminide alloy halogens are alloyed, creating a fine or homogeneous distribution of the halogens in the entire material and in each sub-volume of the material or alloy and not only on the surface of the material or alloy is achieved.
Erfindungsgemäß sind Halogene auch in tieferen Schichten, als die bisherigen bekannten Oxidationsschichten von Titanaluminid-Legierungen, die größer sind bzw. tiefer liegen, beispielsweise in Tiefen von mehr als 100, 200, 300, 400, 500 μm und mehr unterhalb der Oberfläche der Legierung bzw. in der gesamten Legierung vorhanden, wodurch die Oxidationsbeständigkeit auch nach Beschädigung der Oberfläche eines aus der Titanaluminid-Legierung hergestellten Bauteils vorhanden ist bzw. beibehalten wird, da auch in der Tiefe durch die eingebrachten, insbesondere homogen verteilten bzw. gleichmäßig statistisch verteilten Halogene in der Legierung bzw. im Werkstoff die Oxidationsbeständigkeit der gesamten Legierung aufrecht erhalten wird.According to the invention, halogens even in deeper layers than the previous known oxidation layers of titanium aluminide alloys, which are bigger or deeper, for example, in depths of more than 100, 200, 300, 400, 500 μm and more below the surface the alloy or in the entire alloy, whereby the oxidation resistance even after damage surface a manufactured from the titanium aluminide alloy component is or is maintained, since also in depth by the introduced, in particular homogeneously distributed or uniformly distributed statistically Halogens in the alloy or in the material oxidation resistance the entire alloy is maintained.
Durch den intensiven Kontakt der Halogene mit den Titan-Aluminid-Metalltröpfchen findet eine Passivierung des Metallpulvers bzw. der Metalltröpfchen statt.By the intense contact of the halogens with the titanium-aluminide metal droplets finds Passivation of the metal powder or metal droplets instead.
Vorzugsweise werden als Halogene Chlor und/oder Fluor in das aus Titanaluminid hergestellte Bulk-Material eingebracht. Im Rahmen der Erfindung ist auch die Verwendung weiterer Halogene wie z. B. von Jod und/oder Brom möglich.Preferably are halogenated as chlorine and / or fluorine in the titanium aluminide introduced bulk material. Within the scope of the invention also the use of other halogens such. B. of iodine and / or Bromine possible.
Darüber hinaus wird durch das heiße isostatische Pressen (HIP) eine Legierung mit einer hohen Isotropie und einer gleichmäßigen Verdichtung des Materials erreicht. Typischerweise findet der Vorgang des heißen isostatischen Pressens bei sehr hohen Drücken, z. B. 100 Mpa und unter hohen Temperaturen, z. B. zwischen 1000°C bis 2000°C, statt.In addition, the hot isostatic pressing (HIP) is an alloy with a high Isotropy and a uniform compression of the material achieved. Typically, the process of hot isostatic pressing takes place at very high pressures, e.g. B. 100 Mpa and under high temperatures, for. B. between 1000 ° C to 2000 ° C instead.
Überdies ist vorgesehen, dass die Metallschmelze und/oder die Metalltröpfchen mittels eines Trägergases, vorzugsweise mittels eines inerten Gases, behandelt werden, wobei insbesondere das Trägergas mit dem halogenhaltigen Gas vermischt wird oder ist.moreover is provided that the molten metal and / or metal droplets by means of a carrier gas, preferably by means of an inert gas, treated in particular the carrier gas is mixed with the halogen-containing gas or is.
Als Trägergas haben sich Inertgase wie Argon oder Helium oder weitere Inertgase bewährt, wodurch bei Vermischung mit einem halogenhaltigen Gas die Metallschmelze gezielt behandelt wird, um die Metalltröpfchen mit Halogenen anzureichern.When carrier gas Inert gases such as argon or helium or other inert gases proven, whereby when mixed with a halogen-containing gas, the molten metal is treated specifically to enrich the metal droplets with halogens.
Weiter ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass aus den halogenangereicherten Metalltröpfchen ein Titan-Aluminid-Metallpulver gebildet wird, aus dem die Legierung geformt wird. Dies erfolgt in der Regel durch heißes isostatisches Pressen. Insbesondere wird aus der geformten Legierung ein Bauteil hergestellt, das eine hohe Oxidationsbeständigkeit auch bei Beschädigung der Oberfläche des Bauteils aufweist. Bei den Bauteilen kann es sich um Bauteile beispielsweise aus dem Automobil-, Raumfahrt-, Flugzeugbau sowie Industriemaschinenwerkzeugbereich handeln.Further is in one embodiment provided that from the halogenated metal droplets a Titanium aluminide metal powder is formed from which the alloy is formed. This is usually done by hot isostatic Press. In particular, the molded alloy becomes a component manufactured, which has a high resistance to oxidation even if damaged Surface of the Component has. The components may be components, for example from the automotive, aerospace, aircraft and industrial machine tools sector act.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Legierung auf der Basis von Titanaluminiden, wobei titanhaltiges Pulver und aluminiumhaltiges Pulver bzw. Titanpulver und Aluminiumpulver und/oder pulverförmiges Titanaluminid, insbesondere Titan-Aluminid-Metallpulver, mittels bzw. in einer Mühle gemahlen werden, vorzugsweise mittels oder in einer Kugelmühle gemahlen werden, wobei in der Mühle, insbesondere Kugelmühle, eine mit Halogenen angereicherte Atmosphäre während des Mahlvorgangs bereitgestellt wird oder ist, so dass während des Mahlvorgangs halogenangereichertes Titan-Aluminid-Metallpulver entsteht und anschließend das mit Halogenen angereicherte pulverförmige Titan-Aluminid durch, vorzugsweise heißes isostatisches, Pressen zu einer Legierung geformt wird.Further the task is solved by a process for producing an alloy based on Titanium aluminides, wherein titanium-containing powder and aluminum-containing Powder or titanium powder and aluminum powder and / or powdered titanium aluminide, in particular titanium aluminide metal powder, by means of or in one Grinded mill be ground, preferably by means of or in a ball mill, being in the mill, in particular ball mill, provided a halogen enriched atmosphere during the milling process is or is, so while the milling process, halogen-enriched titanium aluminide metal powder arises and then the halogenated powdered titanium aluminide, preferably hot isostatic, pressing is formed into an alloy.
Dadurch, dass das Metallpulver unter Kugelmahlen und Einleitung von Gasen in der Kugelmühle einen intensiven Kontakt hat, wird ebenfalls eine, insbesondere homogene, Anreicherung von pulverförmigem Titanaluminid erreicht, wodurch in der gesamten hergestellten bzw. geformten Legierung die Halogene verteilt sind. Die Verteilung der Halogene in der Legierung ist derart, dass in jedem beliebigen, vorbestimmten Volumen oder Teilvolumen bzw. auch in kleinen Teilvolumen der fertigen Legierung der (relative) Gehalt an Halogenen (pro Volumen) nahezu konstant ist bzw. konstant gehalten wird.Thereby, that the metal powder under ball milling and introduction of gases in the ball mill one intensive contact also becomes one, in particular homogeneous, Enrichment of powdery Titanaluminid achieved, which produced throughout the or shaped alloy the halogens are distributed. The distribution of Halogens in the alloy is such that in any, predetermined volume or partial volume or in small sub-volume of the finished alloy the (relative) content of halogens (per volume) is almost constant or kept constant.
Gemäß der Erfindung ist es bei diesem zweiten Verfahren möglich, anstelle von vorlegierten Metallpulver, d. h. Titanaluminiden in Pulverform, oder zusätzlich zum vorlegierten Metallpulver auch elementares pulverförmiges Titan und elementares pulverförmiges Aluminium einzusetzen bzw. bereitzustellen, so dass durch den Mahlvorgang sowohl aus dem Titanpulver und dem Aluminiumpulver eine TiAl-Legierung in Pulverform entsteht, die infolge der Anwesenheit des halogenhaltigen Gases bei einem hohen Druck in der Kugelmühle in der Kugelmühle in ihren Halogengehalt angereichert ist oder wird.According to the invention it is possible in this second method, instead of pre-alloyed Metal powder, d. H. Titanium aluminides in powder form, or in addition to Pre-alloyed metal powder and elemental powdered titanium and elemental powdery Insert aluminum or provide so that through the grinding process from both the titanium powder and the aluminum powder, a TiAl alloy is formed in powder form, due to the presence of the halogen-containing Gases at a high pressure in the ball mill in the ball mill in their Halogen content is enriched or becomes.
Durch die Ausführung der genannten Verfahrensschritte wird ebenso eine, vorzugsweise gleichmäßige, Verteilung der Halogene an der Oberfläche als auch in der Tiefe einer Legierung wie bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren zur Behandlung der Metallschmelze mit Halogengasen erreicht. Insofern gelten die oben genannten Ausführungen des ersten Verfahrens in gleicher Weise wie bei den hier beschriebenen Verfahrensschritten zur Herstellung der Legierung.By execution the said method steps is also one, preferably uniform, distribution the halogens on the surface as also in the depth of an alloy as in the previously described Process for the treatment of molten metal with halogen gases achieved. In this respect, the above-mentioned embodiments of the first method apply in the same way as in the method steps described here for the production of the alloy.
Darüber hinaus wird in einem weiteren Verfahrensschritt die mit Halogenen angereicherte Atmosphäre als gasförmige und/oder flüssige Atmosphäre bereitgestellt, wodurch ein intensiver Austausch bzw. eine intensive Anreicherung des Pulvers in der gasförmigen bzw. in der flüssigen, halogenhaltigen Atmosphäre, wie z. B. in flüssigen Kohlenstofftetrachlorid (CCl4), ausgeführt wird.In addition, in a further process step, the halogen-enriched atmosphere is provided as a gaseous and / or liquid atmosphere, whereby an intensive exchange or an intensive accumulation of the powder in the gaseous or in the liquid, halogen-containing atmosphere, such as. B. in liquid carbon tetrachloride (CCl 4 ) is performed.
Bevorzugterweise wird die mit Halogenen angereicherte Atmosphäre, insbesondere gasförmige Atmosphäre, mit wenigstens einem inerten Gas, wie z. B. Argon oder Helium, bereitgestellt. Ferner wird aus der Legierung mit einem konstanten (relativen) Anteil an Halogenen in jedem Volumen oder Teilvolumen bzw. Raumvolumen der Legierung ein Bauteil hergestellt.preferably, is the enriched with halogen atmosphere, especially gaseous atmosphere, with at least one inert gas, such as. As argon or helium provided. Further, from the alloy having a constant (relative) proportion of halogens in each volume or partial volume or volume made a component of the alloy.
Als weitere Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen einer Legierung auf Basis von Titanaluminiden bereitgestellt, wobei pulverförmiges Titanaluminid, insbesondere Titan-Aluminid-Metallpulver, in einem, vorzugsweise geschlossenen, Behälter für eine vorbestimmte Zeitdauer erwärmt wird oder ist, wobei in dem Behälter eine mit Halogenen angereicherte Atmosphäre bereitgestellt ist oder wird, so dass während der Erwärmungszeit halogenangereichertes Titan-Aluminid-Metallpulver entsteht, und anschließend das mit Halogenen angereicherte Titan-Aluminid-Metallpulver durch, vorzugsweise heißes isostatisches, Pressen zu einer Legierung geformt wird.When another solution The object is a method for producing an alloy Based on titanium aluminides, wherein powdered titanium aluminide, in particular titanium aluminide metal powder, in one, preferably closed, container for one heated for a predetermined period of time is or is, being in the container a halogenated atmosphere is or is provided, so while the heating time halogen-enriched titanium-aluminide-metal powder is produced, and subsequently the halogen-enriched titanium-aluminide-metal powder, preferably hot isostatic, pressing is formed into an alloy.
Auch bei diesem dritten Verfahren wird eine Legierung bereitgestellt, die in gleicher Weise die Vorteile wie die vorangehend beschriebenen hergestellten Legierungen aufweisen. Bei der Ausführung der Verfahrensschritte werden ebenfalls Titan-Aluminid-Legierungen hergestellt, bei denen Halogene dem gesamten Werkstoff zulegiert werden, wobei der (relative) Anteil der Halogene (pro Volumen) in der Legierung über das gesamte Volumen oder in einem (kleinen) Teilvolumen des Bauteils bzw. der Legierung konstant bleibt, wobei es durchaus sein kann, dass der Anteil der Halogene mit einer typischen Schwankungsbreite von ±15%, vorzugsweise ±10%, weiter vorzugsweise ±5%, variieren kann, da der Anteil von Halogenen in der Legierung typischerweise zwischen 0,005 Atom % bis 1,5 Atom %, vorzugsweise zwischen 0,005 Atom % oder 0,01 Atom % bis 0,9 Atom %, schwanken kann. Als weitere Halogene neben Fluor und/oder Chlor, die in einer Legierung verteilt sind, können auch weitere Halogene wie Brom und/oder Jod eingesetzt werden.Also in this third method an alloy is provided, in the same way the advantages as those described above have produced alloys. In the execution of the Process steps are also produced titanium-aluminide alloys, in which halogens are added to the entire material, wherein the (relative) proportion of halogens (per volume) in the alloy over the entire volume or in a (small) partial volume of the component or the alloy remains constant, where it may well be that the proportion of halogens with a typical fluctuation range of ± 15%, preferably ± 10%, more preferably ± 5%, may vary as the proportion of halogens in the alloy is typically between 0.005 at% to 1.5 at%, preferably between 0.005 at% or 0.01 atom% to 0.9 atom%, can vary. As more halogens in addition to fluorine and / or chlorine, which are distributed in an alloy, can also other halogens such as bromine and / or iodine can be used.
Um die hergestellte Legierung gemäß aller drei vorgestellten Verfahren an der Oberfläche oxidationsbeständig zu machen, wird eine gewünschte Oberfläche eines aus der Legierung hergestellten Gegenstands bzw. Bauteils oxidiert, für die eine Oxidationsbeständigkeit gewünscht wird.Around the produced alloy according to all three on the surface presented oxidation resistant to make a desired surface of a oxidized from the alloy article or component, for the an oxidation resistance required becomes.
Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass bei den drei genannten Verfahren halogenartige Verbindungen, beispielsweise Silizium-Halogen-haltige Verbindungen oder Silizium-Halogen-Mischungen eingesetzt werden, die ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Oxidationsbeständigkeit der Legierung haben.Furthermore It is within the scope of the invention conceivable that in the three mentioned Process halogen-like compounds, for example silicon-halogen-containing Compounds or silicon-halogen mixtures be used, which also has a positive impact on the oxidation resistance of the alloy.
Weiterhin wird unter einem halogenhaltigen Gas ein Gas verstanden, das neben anderen Gasen, vorzugsweise Inertgasen, sowohl ein Halogenelement als auch eine Mischung mehrerer Halogenelemente aufweist.Farther is understood by a halogen-containing gas, a gas, in addition to other gases, preferably inert gases, both a halogen element as well as a mixture of several halogen elements.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird vor Erwärmung des Behälters das pulverförmige Titanaluminid, insbesondere Titan-Aluminid-Metallpulver, im Behälter mit einem Vakuum beaufschlagt. Darüber hinaus zeichnet sich ein weiterer Verfahrensschritt bei der Begasung des Metallpulvers dadurch aus, dass die mit Halogenen angereicherte Atmosphäre mit wenigstens einem inerten Gas, insbesondere nach einer Evakuierung des Behälters, bereitgestellt wird.In Another step is before heating the container the powdery Titanaluminide, in particular titanium-aluminide metal powder, applied in the container with a vacuum. Furthermore is another step in the fumigation of the Metal powder characterized in that the halogens enriched Atmosphere with at least one inert gas, especially after an evacuation the container, provided.
Um eine gute und homogene Anreicherung des Titan-Aluminid-Metallpulvers im Behälter zu erreichen, werden der Behälter und/oder das pulverförmige Titanaluminid für eine Zeitdauer von 15 min bis 25 Stunden, vorzugsweise von 30 min bis 10 Stunden, erwärmt. Hierdurch wird eine ausreichend hohe, gleichmäßige Anreicherung von Titanaluminiden gemäß dem gewünschten Anreicherungsgrad an Halogenen in der geformten Titanlegierung erreicht.Around a good and homogeneous enrichment of the titanium aluminide metal powder in container to reach the container and / or the powdery one Titanium aluminide for a period of 15 minutes to 25 hours, preferably 30 minutes to 10 hours, heated. This results in a sufficiently high, uniform enrichment of titanium aluminides according to the desired Enriched degree of halogens achieved in the shaped titanium alloy.
Weiterhin werden der Behälter und/oder das pulverförmige Titanaluminid auf eine Temperatur zwischen 300°C bis 1300°C, vorzugsweise zwischen 500°C bis 1000°C, erwärmt, wodurch eine gute Anreicherung des Metallpulvers mit Halogenen oder halogenartigen Verbindungen erreicht wird.Farther become the container and / or the powdery Titanaluminid to a temperature between 300 ° C to 1300 ° C, preferably between 500 ° C to 1000 ° C, heated a good enrichment of the metal powder with halogens or halogen-like Connections is achieved.
Die Verfahrensschritte Evakuieren, Begasen und Erwärmen können auch mehrfach hintereinander ausgeführt werden, um eine höhere Anreicherung an Halogenen zu erreichen.The Process steps evacuation, gassing and heating can also be repeated several times accomplished become a higher one To achieve enrichment of halogens.
Außerdem wird in einem weiteren Verfahrensschritt nach einer Erwärmung des Behälters das pulverförmige Titanaluminid, insbesondere Titan-Aluminid-Metallpulver, mit Unterdruck oder einem Vakuum beaufschlagt.In addition, will in a further process step after heating the container the powdery one Titanium aluminide, in particular titanium aluminide metal powder, with negative pressure or a vacuum applied.
Schließlich wird aus der durch heißes isostatisches Pressen geformten Legierung ein Bauteil hergestellt.Finally will out of the hot Isostatic pressing molded alloy made a component.
Titan-Aluminid-Legierungen werden vorzugsweise unter Verwendung von gießmetallurgischer oder pulvermetallurgischer Techniken hergestellt, wobei zur Ausführung der Verfahren die Titan- Aluminid-Legierungen in Pulverform in der Regel vorliegen, um die Metallpulver erfindungsgemäß mit Halogenen anzureichen. Bauteile aus Titanaluminiden werden üblicherweise mit den bekannten Umformverfahren und Verdüsungsverfahren entsprechend hergestellt.Titanium aluminide alloys are preferably using casting metallurgy or powder metallurgy Techniques, wherein the titanium aluminide alloys for carrying out the method in powder form, as a rule, to the metal powder according to the invention with halogens to enrich. Titanium aluminide components typically become with the known forming and atomizing accordingly produced.
Beispielsweise können bei den genannten Verfahren die TiAl-basierenden intermetallischen Verbindungen Legierungen mit einer allgemeinen Zusammensetzung von Titan und Aluminium entsprechend den gewünschten und vorbestimmten Anforderungen in der Legierung sein.For example can in the processes mentioned, the TiAl-based intermetallic compounds Alloys with a general composition of titanium and Aluminum according to the desired and predetermined requirements in the alloy.
Titan-Aluminid-Legierungen, die nach den vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, können allgemein beispielsweise zwischen 30 Atom % bis 70 Atom % Aluminium aufweisen, wobei zusätzlich noch weitere Stoffe oder Elemente, die weiter unten genannt sind, entsprechend den gewünschten Anforderungen an die Legierung bzw. den Werkstoff aufgenommen werden.Titanium aluminide alloys, which are produced according to the presented inventive method, can generally, for example, between 30 at% to 70 at% of aluminum have, in addition other substances or elements, which are mentioned below, according to the desired Requirements for the alloy or the material to be included.
In technisch wichtigen Bereichen von Legierungen, in denen die TiAl-Legierungen beispielsweise als Leichtbau-Werkstoff eingesetzt werden, können die Legierungen Gehalte an Aluminium zwischen 44 Atom % bis 49 Atom % Al haben. Zusätzlich können weitere Bestandteile wie z. B. Chrom (Cr), Niob (Nb), Mangan (Mn), Vanadium (V), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Zirkonium (Zr), Wolfram (W), Silizium (Si) sowie ggf. Zusätze von Kohlenstoff (C) und/oder Bor (B) enthalten sein, wobei diese Zusatzstoffe einen Anteil von 0,1 Atom % bis 10 Atom % haben können.In technically important areas of alloys in which the TiAl alloys are used, for example, as a lightweight material, the alloys may have aluminum contents between 44 atom% to 49 atom% Al. In addition, other ingredients such. Chromium (Cr), niobium (Nb), manganese (Mn), vanadium (V), tantalum (Ta), Mo lybdenum (Mo), zirconium (Zr), tungsten (W), silicon (Si) and, if appropriate, additions of carbon (C) and / or boron (B), these additives having a proportion of 0.1 atom% to 10 at%.
Für die industrielle Praxis sind insbesondere Legierungen ebenfalls interessant, die auf der intermetallischen Phase γ(TiAl) einer tetragonalen Struktur beruhen. Diese γ-Titanaluminid-Legierungen zeichnen sich durch Eigenschaften wie eine geringe Dichte (3,85 bis 4,3 g/cm3), hohe elastische Module und hohe Festigkeit sowie Kriechfestigkeit bis zu 700°C aus.Alloys which are based on the intermetallic phase γ (TiAl) of a tetragonal structure are also of interest for industrial practice. These γ-titanium aluminide alloys are characterized by properties such as low density (3.85 to 4.3 g / cm 3 ), high elastic modulus and high strength, and creep resistance up to 700 ° C.
Insbesondere weist eine bevorzugte Legierung eine Zusammensetzung von Ti – (45 bis 49 Atom %) Al – (5 Atom % bis 10 Atom %) X bestehen, wobei X = Cr, Nb, Mn, V, Ta, Mo, Zr, W, Si ist und gegebenenfalls mit Zusätzen von C und/oder B ausgebildet ist.Especially For example, a preferred alloy has a composition of Ti - (45 to 49 atom%) Al - (5 Atom% to 10 atom%) X, where X = Cr, Nb, Mn, V, Ta, Mo, Zr, W, Si and optionally with additions of C and / or B. is.
Eine besonders hochfeste Titanaluminid-Legierung ist eine Legierungszusammensetzung aus Titan, Aluminid und Niob, der wahlweise noch Komponenten aus Bor und/oder Kohlenstoff zugefügt werden, wobei der Anteil an Bor und/oder Kohlenstoff in der Legierung unterhalb einer Konzentration von 0,5 Atom % gewählt wird. Typischerweise hat die Titanaluminid-Legierung eine Zusammensetzung von Ti – 45 Atom % Al – x Nb mit 5 Atom % ≤ x ≤ 10 Atom % und wahlweise bis zu 0,5 Atom % B (Bor) und/oder bis zu 0,5 Atom % C (Kohlenstoff).A particularly high strength titanium aluminide alloy is an alloy composition made of titanium, aluminide and niobium, the optional components Boron and / or carbon are added, the proportion of boron and / or carbon in the alloy below a concentration of 0.5 atom% is selected. Typically has the titanium aluminide alloy has a composition of Ti - 45 atom % Al - x Nb with 5 atom% ≤ x ≤ 10 atom% and optionally up to 0.5 at% B (boron) and / or up to 0.5 atom % C (carbon).
Darüber hinaus können durch die erfindungsgemäßen Verfahren auch Titanaluminid-Legierungen mit einer feinen und homogenen Gefügemorphologie bereitgestellt werden, wobei die Titanaluminide eine Legierungszusammensetzung aus Ti – z Al – y Nb mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 47 Atom %, insbesondere mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 45,5 Atom %, und 5 Atom % ≤ y ≤ 10 Atom % aufweisen, wobei diese Molybdän (Mo) im Bereich zwischen 0,1 Atom % bis 3,0 Atom %, enthält. Der Rest der Legierung besteht aus Ti (Titan).Furthermore can by the method according to the invention also titanium aluminide alloys with a fine and homogeneous microstructure morphology be provided, wherein the titanium aluminides an alloy composition made of Ti - z Al - y Nb with 44.5 at% ≦ z ≦ 47 at%, in particular with 44.5 atom% ≤ z ≤ 45.5 atom %, and 5 atom% ≦ y ≦ 10 atom% which molybdenum (Mo) in the range between 0.1 atom% to 3.0 atom%. Of the The remainder of the alloy is Ti (titanium).
Vor allem bei Ti – (44,5 Atom % bis 45,5 Atom %) Al – (5 Atom % bis 10 Atom %) Nb hat die Zugabe von Molybdän mit einem Gehalt ab 1,0 Atom % bis 3,0 Atom % zu guten Mikrostrukturen mit einer hohen Gefügehomogenität geführt.In front especially in Ti - (44.5 Atom% to 45.5 atom%) Al - (5 Atom% to 10 atom%) Nb has the addition of molybdenum with a Content from 1.0 atom% to 3.0 atom% to good microstructures with a high structural homogeneity led.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die vorgenannte Legierung ebenfalls Bor, vorzugsweise mit einem Bor-Gehalt in der Legierung im Bereich von 0,05 Atom % bis 0,8 Atom %. Der Zusatz von Bor führt vorteilhafterweise zur Bildung von stabilen Ausscheidungen, die zur mechanischen Härtung der erfindungsgemäßen Legierung und Stabilisierung des Gefüges der Legierung beitragen.According to one Another advantageous embodiment contains the aforementioned alloy also boron, preferably with a boron content in the alloy in the range of 0.05 at% to 0.8 at%. The addition of boron advantageously leads to Formation of stable precipitates, the mechanical hardening of the alloy according to the invention and Stabilization of the structure contribute to the alloy.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Legierung Kohlenstoff enthält, und zwar vorzugsweise mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,05 Atom % bis 0,8 Atom %. Auch der Zusatz von Kohlenstoff, vorzugsweise in Kombination mit dem vorbeschriebenen Zusatzstoff Bor, führt zur Bildung von stabilen Ausscheidungen, die ebenfalls zur mechanischen Härtung der Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges beitragen.Furthermore it is advantageous if the alloy contains carbon, and although preferably with a carbon content in the range of 0.05 atom % to 0.8 at%. Also, the addition of carbon, preferably in combination with the above-mentioned additive boron leads to Formation of stable precipitates, which also contribute to the mechanical hardening alloy and stabilize the structure.
Auch durch eine Legierung auf Basis von unter Verwendung von schmelz- und pulvermetallurgischen Techniken hergestellten Titanaluminiden mit einer Legierungszusammensetzung aus Ti – z Al – y Nb – x B mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 47 Atom %, insbesondere mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 45,5 Atom %, 5 Atom % ≤ y ≤ 10 Atom % und 0,05 Atom % ≤ x ≤ 0,8 Atom %, wobei diese Molybdän (Mo) im Bereich zwischen 0,1 Atom % bis 3 Atom % enthält, wird eine Titanaluminid-Legierung mit einer feinen und homogenen Gefügemorphologie unter Ausbildung einer stabilen β-Phase bei hohen Temperaturen oberhalb von 700°C bereitgestellt.Also by an alloy based on fused and titanium aluminides produced by powder metallurgy techniques with an alloy composition of Ti - z Al - y Nb - x B with 44.5 atom% ≦ z ≦ 47 atom%, in particular with 44.5 atom% ≤ z ≤ 45.5 atom %, 5 atom% ≤ y ≤ 10 atom% and 0.05 at% ≤ x ≤ 0.8 atom %, where these molybdenum (Mo) in the range between 0.1 atom% to 3 atom% is a titanium aluminide alloy with a fine and homogeneous grain morphology forming a stable β-phase provided at high temperatures above 700 ° C.
Darüber hinaus zeigt eine Legierungszusammensetzung aus Ti – z Al – y Nb – w C mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 47 Atom %, insbesondere mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 45,5 Atom %, 5 Atom % ≤ y ≤ 10 Atom % und 0,05 Atom % ≤ w ≤ 0,8 Atom %, wobei diese Molybdän (Mo) im Bereich zwischen 0,5 Atom % bis 3 Atom % enthält, eine feine und homogene Gefügemorphologie, wobei unter Ausbildung der β-Phase diese β-Phase bis Temperaturen von 1320°C stabil sind.Furthermore shows an alloy composition of Ti - z Al - y Nb - w C with 44.5 atom% ≦ z ≦ 47 atom%, in particular with 44.5 atom% ≤ z ≤ 45.5 atom %, 5 atom% ≤ y ≤ 10 atom% and 0.05 at% ≤ w ≤ 0.8 atom %, where these molybdenum (Mo) in the range between 0.5 atom% to 3 atom%, a fine and homogeneous Microstructure morphology, wherein, with formation of the β-phase, this β-phase up Temperatures of 1320 ° C are stable.
Auch bei einer Legierungszusammensetzung aus Ti – z Al – y Nb – x B – w C mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 47 Atom %, insbesondere mit 44,5 Atom % ≤ z ≤ 45,5 Atom %, 5 Atom % ≤ y ≤ 10 Atom %, 0,05 Atom % ≤ x ≤ 0,8 Atom % und 0,05 Atom % ≤ w ≤ 0,8 Atom %, wobei diese Molybdän (Mo) im Bereich zwischen 0,1 Atom % bis 3 Atom % enthält, wird die stabile β-Phase bis Temperaturen von 1320°C ausbildet.Also with an alloy composition of Ti - z Al - y Nb - x B - w C with 44.5 atom% ≤ z ≤ 47 atom%, in particular with 44.5 atom% ≤ z ≤ 45.5 atom %, 5 atom% ≦ y ≦ 10 atom%, 0.05 atom% ≤ x ≤ 0.8 atom % and 0.05 at% ≤ w ≤ 0.8 atom %, where these molybdenum (Mo) in the range between 0.1 atom% to 3 atom% is the stable β-phase up to temperatures from 1320 ° C formed.
Entsprechend den gewünschten Anforderungen ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, eine entsprechende, voranstehend angegebene TiAl-Legierung als Metallpulver bzw. in Pulverform für die Durchführung eines der genannten Verfahren bereitzustellen, um durch die erfindungsgemäße Halogenisierung bzw. Halogenanreichung des TiAl-Metallpulvers eine TiAl-Legierung zu erhalten, die in einem kleinen Teilvolumen an der Oberfläche und in der Tiefe einen nahezu konstanten relativen Anteil an Halogenen aufweist, wodurch die Oxidationsbeständigkeit des Werkstoffs bzw. der gesamten Legierung verbessert wird.Corresponding the wished Requirements it is provided within the scope of the invention, a corresponding, above TiAl alloy as metal powder or in Powder form for the execution to provide one of the said methods, by the halogenation according to the invention or halogenation of the TiAl metal powder, a TiAl alloy to get that in a small partial volume on the surface and in depth a nearly constant relative proportion of halogens whereby the oxidation resistance of the material or the entire alloy is improved.
Bevorzugterweise werden in einer Ausführungsform weiterhin siliziumhaltige Halogene oder Kombinationen von Silizium mit Halogenen bei der Durchführung der Verfahren eingesetzt, wodurch die Oxidationsbeständigkeit der hergestellten Titanaluminid-Legierungen verbessert wird, dadurch, dass die die Oxidationsbeständigkeit erhöhenden Elemente bzw. Verbindungen sowohl an der Oberfläche als auch im Material durchgehend homogen bzw. statistisch verteilt enthalten sind.Preferably, in one embodiment Furthermore, silicon-containing halogens or combinations of silicon with halogens used in carrying out the method, whereby the oxidation resistance of the titanium aluminide alloys produced is improved, characterized in that the oxidation resistance enhancing elements or compounds both on the surface and in the material throughout homogeneous or are statistically distributed.
Insofern ist es im Rahmen der Erfindung weiter möglich, neben Halogenen auch weitere die Oxidationsbeständigkeit von Titanaluminid-Legierungen erhöhenden Stoffe oder Mischungen einzusetzen.insofar it is further possible in the context of the invention, in addition to halogens also further the oxidation resistance of titanium aluminide alloys increasing substances or mixtures use.
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