DE102008061024A1

DE102008061024A1 - Verfahren zum Herstellen von mit TiB verstärkten Verbundstoffbauteilen auf Basis von Titanlegierungen durch Pulvermetallurgieverfahren

Info

Publication number: DE102008061024A1
Application number: DE102008061024A
Authority: DE
Inventors: Yucong West Bloomfield Wang; Richard David Lapeer Ricchi; Lian Zhou; Yinjiang Wu; Quingwen Duan; Tuanwei Yang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: DE102008061024B4; CN101530918A; CN101530918B; US20100040500A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Metallmatrixverbundstoffes auf Basis von Titan. In einer Ausführungsform kann Titanhydrid zu im Wesentlichen reinem Titan, einem Legierungsmaterial und einer Quelle für Bor so zugegeben werden, dass eine Mischung dieser Materialien in einem Pulvermetallurgieverfahren verdichtet und gesintert werden kann, um ein aus einer mit Titanborid verstärkten Titanlegierung gefertigtes Bauteil herzustellen. In einer anderen Ausführungsform könnte das im Wesentlichen reine Titan, das Legierungsmaterial und die Borquelle heftig miteinander vermischt werden (mit oder ohne das Titanhydrid), und zwar in einem solchen Ausmaß, dass Oxidfilme, welche sich auf dem Titanvorläufer ausgebildet haben könnten, entfernt werden können, um die Anwesenheit von Sauerstoff in dem hergestellten Bauteil zu minimieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mit Keramiken verstärkte Metalllegierungen und insbesondere mit Titanborid verstärkte Titanlegierungen und Verfahren zum Herstellen solcher Legierungen.
Pulvermetallurgie (PM) ist ein beliebter Weg, um Bauteile aus einem breiten Bereich von Materialien herzustellen, von denen viele durch herkömmlichere Ansätze, wie beispielsweise Gießen, Formen oder maschinelle Bearbeitung, nur schwer oder unmöglich herzustellen sind. PM ist insbesondere gut geeignet, um Bauteile sowohl aus hitzebeständigen Materialien als auch aus Materialien herzustellen, welche mit Verfahren hergestellt worden sind, welche keine Ausbildung einer echten Legierung erlauben, und ist aufgrund seiner Reproduzierbarkeit und seiner Reste vermeidenden Eigenschaften insbesondere bei der Massenproduktion (wie beispielsweise bei der Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen) vorteilhaft.
In einem typischen PM-Verfahren wird ein Metallpulver mit Legierungsmaterialien, Schmiermitteln, Bindemitteln oder dergleichen vermischt, mit einem geeigneten Werkzeug zu einer endkonturnahen Form gepresst, dann in einer kontrollierten Atmosphäre gesintert, um die gepressten Pulver metallurgisch miteinander zu verbinden. Häufig können ein oder mehrere sekundäre Arbeitsschritte unternommen werden, einschließlich eine entkratende und verwandte Oberflächenbehandlung, Nachpressen, Imprägnierung und Porositätsverringerung.
Titan, das eine exzellente Korrosionsbeständigkeit, eine relativ hohe Temperaturtauglichkeit und eine hohe spezifische Festigkeit aufweist, wird häufig in gewichtsempfindlichen Ingenieursanwendungen eingesetzt. Insbesondere die Transportindustrie, insbesondere diejenige, welche mit Raumfahrtanwendungen verbunden ist, hat von der Verwendung von Titan und seinen Legierungen profitiert, um strukturell wirksame Plattformen zu erzeugen. Dennoch hat dessen beschränkte Steifigkeit es bisher schwierig gemacht, die Vorteile, welche Titan im Vergleich zu seinen hitzebeständigeren Gegenstücken aufzuweisen hat, vollständig auszunutzen. Beispielsweise ist das Elastizitätsmodul von Legierungen auf Titanbasis ungefähr halb so groß wie das von Stahl und von Materialien auf Basis von Nickel. Die Verwendung von zusätzlichen Materialmengen, um diese niedrigeren Steifigkeitswerte zu kompensieren, verringert die Leistungsvorteile, welche Titan im Vergleich zu Alternativen auf Basis von Nickel und Eisen aufweist.
Ein Weg, um die Steifigkeit von Legierungen auf Titanbasis zu erhöhen, ist es, diese mit Keramikmaterialien mit relativ hohem Modul zu vermischen. Ein solches Verbinden eines Massenmetalls mit kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Verstärkung ist ein Teil einer relativ neuen Klasse von Materialien, welche als Metallmatrixverbundstoffe (MMC'e) bekannt sind, wobei die strukturellen Eigenschaften durch eine geeignete Auswahl von Komponentenmaterialien auf die spezifischen Ingenieursanwendungen maßgeschneidert werden können. Die diskontinuierlich konfigurierte Variante der MMC'e im Allgemeinen und von einem MMC auf Basis von Titan im Besonderen ist für das PM-Verfahren zugänglich, weil Verbindungen ausbildende Keramikmaterialien während dem Sintern mit einer Titanbasis reagiert werden können, um Verstärkungen herzustellen, welche die Eigenschaften des Verbundstoffes als Ganzes verbessern. Insbesondere liefert das Verstärkungsmaterial, welches typischerweise in einer Partikelform vorliegt, zusätzlich zu der Verbesserung der Steifigkeit von Titan andere strukturelle Vorteile einschließlich einer erhöhten Härte für verbundene Abnutzung und multiple Phasen für einen verbesserten Bruchwiderstand.
In einem PM-Verfahren zum Herstellen eines MMC'es auf Basis von Titan kann ein Titanvorläufer mit einem anderen Material vermischt werden, welches unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen gehärtete, steife, keramikverstärkte Materialien erzeugt, wie beispielsweise Titanborid (TiB), Titancarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN), um nur einige zu nennen. Es ist gezeigt worden, dass von diesen TiB als Versterkungsphase eines Titan-MMC'es besonders kompatibel ist, weil es eine hohe Festigkeit, eine hohe Härte, eine hohe Hitzebeständigkeit und ein hohes Elastizitätsmodul aufweist, über die gesamten PM-Verarbeitungsbedingungen der Titanlegierung thermodynamisch stabil ist, in der Titanlegierung unlöslich ist, einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Titanlegierung aufweist und zwischen dieser und der Titanmatrix eine stabile kristallografische Grenze ausbildet. Dennoch ist TiB an sich instabil, so dass dieses in situ hergestellt werden muss, wie beispielsweise durch die Reaktion von Titandiborid (TiB₂) mit Titanpulver während dem Sintern.
Es gibt viele Herausforderungen, welche mit der Herstellung von MMC'en auf Basis von Titan durch Pulvermetallurgie verbunden sind. Der wichtigste Faktor für qualitativ hochwertige MMC'e auf Titanbasis (oder verbesserte Bruchfestigkeit oder Ermüdungsbeständigkeit) ist die Steuerung der Elemente, wie beispielsweise Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen. Es ist ebenfalls wichtig, die Ausbildung von Magnesium- und Natriumverbindungen zu vermeiden. Von diesen Elementen ist Sauerstoff das wichtigste Element, welches limitiert werden muss. Beispielsweise kann sich restlicher Sauerstoff auf der Oberfläche des Titanvorläufers in der Form eines Oxidfilms ausbilden. Die Anwesenheit von solchem Sauerstoff kann durch Limitieren der Herstellung der wünschenswerteren Verstärkungsphasen, wie beispielsweise dem vorgenannten Diborid, zu einer geringeren Dichte und zu geringeren mechanischen Eigenschaften in dem Endprodukt führen. Ein sauberes Vermischen des Pulvers ist ebenfalls entscheidend dafür, dass eine homogene Mikrostruktur erhalten wird, und, dass eine Randbildung der Verstärkungskomponente vermieden wird.
Es besteht ein Bedarf für Materialien auf Basis von Titan mit hoher Festigkeit, welche ebenfalls eine ausgezeichnete Zähigkeit, eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Steifigkeit, eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Es besteht ferner ein Bedarf dafür, diese Materialien in einer kostengünstigen Weise für Hochdurchsatzherstellungsverfahren für Bauteile zu erzeugen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfordernisse werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, in der ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den nachfolgend beschriebenen Merkmalen offenbart wird. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundstoffbauteils offenbart. Das Bauteil ist ein Verbundstoff, welcher aus einer Titanlegierungsmatrix und aus von in der Matrix dispergierten TiB₂-Verstärkungspartikeln hergestellt wird, wobei das Verfahren das Vermischen von zahlreichen Vorläufer-(d. h. Komponenten-)Materialien miteinander, um eine Mischung auszubilden, das Verdichten der Mischung und das Sintern der verdichteten Mischung umfasst, um die Komponente in ihrer Verbundstoffform herzustellen. Die Vorläufermaterialien enthalten im Wesentlichen reines Titan (beispielsweise elementares Titan), Titanhydrid (TiH₂), ein Legierungsmaterial und ein Borquellenmaterial. Die während des Sinterverfahrens erzeugte Wärme verursacht, dass das Borquellenmaterial mit dem Titan reagiert, um Titandiborid (beispielsweise eine Verbindung in Partikelform) herzustellen, während das TiH₂ aktiviert wird, um mit jeglichem in der Mischung vorliegenden Sauerstoff zu reagieren (und dieses dadurch zu entfernen hilft). Das TiB₂ reagiert während dem Sintern mit dem elementaren Titan, um TiB zu erzeugen, welches lediglich in der Titanlegierung thermodynamisch stabil ist. Das TiB wirkt als partikelförmige Verstärkung in dem MMC. Sintern ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass dieses von anderen Hochtemperaturarbeitsgängen, welche ein Schmelzen einbeziehen, verschieden ist, indem das Sintern das Erhitzen des Materials auf eine Temperatur von geringfügig unterhalb (üblicherweise, aber nicht darauf beschränkt, auf einen Wert um achtzig Prozent herum) dessen Schmelzpunkt umfasst, so dass die verschiedenen Partikel des Vorläufermaterials durch Feststoffdiffusion aneinander haften. Gleichermaßen werden der Begriff "Verdichten" und dessen Varianten synonym mit Pressen bzw. Verpressen verwendet, wobei ein steifes mechanisches Werkzeug eingesetzt werden kann, um auf die Mischung einen beträchtlichen Druck auszuüben, um dieser eine bevorzugte geometrische Form zu geben. Als nicht beschränkendes Beispiel können solche Press- oder Verdichtungsarbeitsschritte zwischen fünf und einhundert Tonnen pro Quadratzoll Druck einschließen.
Optional liegen die Vorläufermaterialien in Pulverform vor. In solch einem Fall kann eine im Wesentlichen reine Form von Titanpulver verwendet werden. In dem vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Begriff "im Wesentlichen" auf eine Anordnung von Elementen oder Merkmalen, wel che diese, während in der Theorie erwartet werden würde, dass diese eine exakte Übereinstimmung oder Verhalten aufweisen, in der Praxis ein bisschen weniger als exakt verkörpern. Als solches bezeichnet der Begriff das Ausmaß, mit dem ein quantitativer Wert, eine quantitative Messung oder eine andere verwandte Wiedergabe von angeführten Referenzen abweichen kann, ohne zu einer Änderung in der Grundfunktion des relevanten Gegenstandes zu fuhren. Beispielsweise ist kommerziell erhältliches Titan leicht mit Reinheitsgraden von 99,9 Prozent erhältlich und dieses kann als solches als im Wesentlichen rein erachtet werden. Des Weiteren führt die Oxidation eines im Wesentlichen reinen Metalls, wie beispielsweise von Titan, nicht dazu, dass dieses nicht von im Wesentlichen reiner Natur ist. Folglich wird ein im Wesentlichen reines Titan, welches eine(n) während der Aussetzung gegenüber Umgebungsatmosphäre auf der Metalloberfläche ausgebildete(n) Oxidfilm, Oxidschicht oder dergleichen aufweist, in dem vorliegenden Zusammenhang immer noch als ein im Wesentlichen reines Titan erachtet.
Insbesondere beträgt der Durchmesser des Komponenten-Titanpulvers zwischen neun und fünfundsiebzig Mikrometern, wobei ein typischer Bereich zwischen achtzehn und achtundzwanzig Mikrometern liegt. Der typische Bereich des Legierungsmaterialpulvers liegt in einem Bereich zwischen fünf und fünfundsiebzig Mikrometern. Gleichermaßen liegt der typische Bereich des hergestellten TiB₂-Pulvers in einem Bereich zwischen fünf und fünfundsiebzig Mikrometern. Während die Fachleute auf dem relevanten Gebiet erkennen, dass eine Vielzahl von Titanmatrizes eingesetzt werden kann, gibt es bestimmte Legierungen, von denen nachgewiesen worden ist, dass diese eine besondere Geeignetheit für strukturelle Bauteile, wie beispielsweise für solche in der Raumfahrt und bei Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzten, aufweisen. Diese schließen beta-Titan, alpha-2-Titan, gamma-Titan und Mischungen hiervon ein. Beispiele für beta-Titan, welche in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, umfassen Titan mit ungefähr sechs Gewichtsprozent Aluminium und ungefähr vier Gewichtsprozent Vanadium (d. h. Ti 6-4) und Titan mit ungefähr sechs Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr zwei Gewichtsprozent Zinn, ungefähr vier Gewichtsprozent Zirkonium und ungefähr zwei Prozent Molybdän (d. h. Ti 6-2-4-2). Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass Ti 6-4 bei der Herstellung der verstärkten Verbundstoff-Kraftfahrzeugbauteile hinsichtlich seiner relativen Häufigkeit, seiner chemischen Kompatibilität und seiner Verarbeitungsleichtigkeit besonders geeignet ist. Beispiele für alpha-2- und gamma-Titan schließen Intermetalle einschließlich TiAl und Pi₃Al ein. Das zuvor erörterte Legierungsmaterial kann ein Aluminium-Vanadium-Pulver sein, welches verschiedene ungefähre Verhältnisse aufweisen kann, einschließlich, aber nicht beschränkt auf sechzig Prozent Aluminium zu vierzig Prozent Vanadium, fünfzig Prozent Aluminium zu fünfzig Prozent Vanadium und vierzig Prozent Aluminium zu sechzig Prozent Vanadium.
In einer besonderen Ausführungsform kann das Borquellenmaterial aus TiB₂ hergestellt sein. Gemäß einer anderen Option kann die Mischung bis zu ungefähr zehn Gewichtsprozent TiH₂ enthalten, wobei der besonders bevorzugte Bereich zwischen ungefähr drei und sieben Gewichtsprozent Titan liegt. Das während des Sinterverfahrens auftretende Erhitzen ist vorzugsweise auf eine Geschwindigkeit von bis zu fünf Grad Celsius pro Minute beschränkt, wobei ein besonders bevorzugter Bereich zwischen zwei und fünf Grad Celsius pro Minute beträgt. Der vorliegend offenbarte Sinterarbeitsschritt kann vorzugsweise in einer kontrollierten Atmosphäre durchgeführt werden, um eine Oxidation und eine damit verbundene Kontamination zu vermeiden. Beispiele für eine solche Steuerung können evakuierte oder inerte Umgebungen einschließen.
Gemäß einer anderen Option kann das Mischverfahren zwei Zwecken dienen. Zusätzlich zu dem primären Vorteil einer gleichmäßigen Verteilung des Pulvers oder der anderen Bestandteile haben die Erfinder bestimmt, dass ein aggressiverer Mischansatz dabei hilft, die Oxidschichten abzulösen, welche sich während des Aussetzens des Metalls gegenüber Atmosphäre oder verwandter Sauerstoff enthaltender Umgebung auf der Oberfläche des Titans gebildet haben könnten. Auf diese Weise umfasst das Vermischen des Weiteren das Entfernen wenigstens eines Teils eines solchen auf Sauerstoff basierenden Materials. Insbesondere umfasst das Entfernen das Platzieren der Vorläufermaterialien in einer inerten Umgebung (beispielsweise Argon nach Sauerstoffevakuierung) und das Unterwerfen derselben einem Rotationsvermischen solange, bis die vermischten Materialien vorbestimmte Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise eine maximale Pulvergröße, Oberflächenglattheit, Nachweis von Vorsinterlegieren, und sich die Klopfdichte erhöht, wobei die letztgenannte Eigenschaft der Schüttdichte des vermischten Materials entspricht, nachdem dieses geschüttelt oder verdichtet worden ist, um das Absetzen zu begünstigen. Das Rotationsvermischen kann insbesondere die Verwendung von Rührvorrichtungen mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten, einer Mischtrommel oder anderer Mischeinrichtungen mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten für ausgedehnte Zeitspanne einschließen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass Rotationsgeschwindigkeiten von ungefähr 3600 Umdrehungen pro Minute für ungefähr zwischen vier und zwölf Stunden den notwendigen Vermischungsgrad erzeugen, um eine der vorgenannten vorbestimmten Eigenschaften, eine Sauerstofffilmentfernung oder beides zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung ist gut dazu geeignet, zahlreiche strukturelle Bauteile auf Basis von Titan herzustellen, obwohl die vorliegenden Erfinder herausgefunden haben, dass diese insbesondere für Kraftfahrzeug- und verwandte Transportbauteile geeignet ist. In dem vorliegenden Zusammenhang ist es beabsichtigt, dass sich der Begriff "Kraftfahrzeug" nicht nur auf Autos, sondern auch auf Lastkraftwagen, Motorräder, Busse und verwandte Fahrzeugtransportarten bezieht. In der Gruppe von Kraftfahrzeuganwendungen haben die Erfinder herausgefunden, dass aus den Materialien und Verfahren, welche hier offenbart werden, hergestellte Bauteile insbesondere für motorbezogene Anwendungen, bei denen hohe mechanische Belastungen und hohe Temperaturen vorliegen, geeignet sind. Beispiele für Kraftfahrzeugbauteilverwendungen schließen Ventile, Halteringe, Ventilfedern, Pleuelstangen, Bolzen, Befestigungsmittel, Spiraltragfedern und Abgassysteme ein.
Zusätzlich zu den zuvor erörterten Misch-, Verdichtungs- und Sinterarbeitsschritten können andere optionale Schritte durchgeführt werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Oberflächen modifizierende Arbeitsschritte durchgeführt werden, wie beispielsweise Entkraten, Oberflächenverdichtungshämmern, Porositätsverringerung oder Imprägnierung (das letztgenannte, um Schmiermittel in das Bauteil, welches beispielsweise in Kugellagern, Lagerzapfen oder verwandten Reibung reduzierenden Bauteilen eingesetzt wird, einzuführen), um die Funktionalität des fertigen Bauteils zu verbessern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Materials für Pulvermetallurgieverarbeitung offenbart. Das Verfahren umfasst das Platzieren von zahlreichen Vorläuferpulvermaterialien, welche im Wesentlichen reines Titan, Titanhydrid, ein Legierungsmaterial und ein Borquellenmaterial enthalten, in einen Mischbehälter auf Basis von Titan, das Ersetzen der Umgebungsatmosphäre in dem Mischbehälter durch ein im Wesentlichen inertes Fluid, das Rotieren einer Rührvorrichtung mit einer minimalen vorbestimmten Ge schwindigkeit für eine minimale vorbestimmte Zeit, bis die Mischung wenigstens eine zwanzigprozentige Verringerung in der Pulvergröße, wenigstens eine dreißigprozentige Erhöhung in der Klopfdichte der Mischung oder eine im Wesentlichen vollständige Entfernung des Oxidfilms von dem Titanpulver aufweist. Die Mischung wird nach dem Beenden des Vermischens gesintert.
Optional kann die Rührvorrichtung in verschiedenen Formen konfiguriert werden. In einer Form wird die Rührvorrichtung aus zahlreichen Kugeln oder Bällen auf Basis von Titan hergestellt, welche in dem Mischbehälter, beispielsweise durch Behälterbewegung oder dergleichen, rotiert werden können. In einer anderen Ausführungsform können die Rührvorrichtungen Schaufelblätter, Stäbe oder verwandte Bauteile sein, welche sich von einer verlängerten Rotationswelle aus radial so erstrecken, dass diese bei der Wellenrotation Pulver rühren. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die minimale vorbestimmte Rotationsgeschwindigkeit der Kugeln oder Bauteile ungefähr 3600 Umdrehungen pro Minute (UpM) und die minimale vorbestimmte Zeit beträgt ungefähr vier Stunden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines mit Titanborid verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffbauteils auf Titanbasis offenbart. Das Verfahren umfasst das Vermischen wenigstens eines im Wesentlichen reinen Titanpulvers mit einem Legierungsmaterial und mit einem Borquellenmaterial. Das Ausmaß des Vermischens ist ähnlich zu dem zuvor erörterten, wobei das Vermischen heftiger ist, als das für das bloße im Wesentlichen gleichmäßige Verteilen der Komponentenmaterialien erforderliche, weil durch die scheuernde Reibungswirkung zwischen kollidierenden Materialien in Pulverform die meisten oder alle der Oxidschichten, welche sich auf dem Titanpulver ausgebildet haben können, entfernt werden. Zusätzlich zu dem Mischen muss die Mischung in eine Form des Bauteils verdichtet werden, wonach die verdichtete Mischung bis zu einem ausreichenden Ausmaß gesintert wird, damit das Borquellenmaterial mit dem Titan reagiert, um eine aus dem Titanborid zusammengesetzte Verstärkungsphase zu erzeugen.
In einer optionalen Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren die Zugabe von Titanhydrid zu den Titanpulver-, Legierungsmaterial- und Borquellenmaterialbestandteilen derart, dass dieses mit diesen vermischt werden kann, umfassen. Weitere Schritte können das Durchführen von einem oder mehreren Schmiede- oder Glüharbeitsschritten, sobald das Bauteil gesintert worden ist, umfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn diese im Zusammenhang mit den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und in denen:
Die 1 ein Flussdiagramm für einen Prozessweg zum Herstellen eines MMC-Bauteils auf Titanbasis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt,
die 2 den Wasserstoffgehalt in einem MMC auf Titanbasis als eine Funktion der Sintertemperatur zeigt,
die 3 eine vereinfachte Ansicht einer Vorrichtung zeigt, welche beim Vermischen der zum Herstellen des MMC'es eingesetzten Komponentenmaterialien auf Titanbasis eingesetzt wird,
die 4A bis 4C verschiedene Vorläufermaterialien nach einem aggressiven Mischverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen,
die 5 und 6 exemplarische Größenverteilungen von Titanpulver für TP325 bzw. TP250 zeigen,
die 7 die Ergebnisse einer Röntgenbeugungsanalyse zeigen, welche die Umsetzung von TiB₂ zu TiB beim Sintern zeigt,
die 8 Rasterelektronenmikroskop-(SEM-)Bilder eines Al-V-Legierungspulvers zeigt,
die 9 eine Größenverteilung des Al-V-Legierungspulvers der 8 zeigt,
die 10A bis 10D die Mikrostruktur eines gesinterten Ti-MMC'es gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen,
die 11A bis 11F die Mikrostruktur eines gesinterten Ti-MMC'es gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von verschiedenen Verfahren zeigen,
die 12A und 12B die mikrostrukturelle Abhängigkeit eines gesinterten Ti-MMC'es während verschiedener Schmiedetemperaturen zeigen und
die 13A und 13B die mikrostrukturelle Abhängigkeit eines gesinterten Ti-MMC'es gegenüber verschiedenen Mengen von zugefügtem TiB₂ zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst Bezug nehmend auf die 1 sind die Misch-, Verdichtungs- und Sinterschritte sowie optional Nachsinterschritte schematisch dargestellt. Der erste Schritt umfasst das Vermischen 100. Wie dargestellt, werden wenigstens vier verschiedene Komponentenmaterialien eingesetzt, welche elementares Titan oder eine andere im Wesentlichen reine Form von Titan 110, Titanhydrid 120, ein Legierungsmaterial 130 und ein Borquellenmaterial 140 einschließen. Es gibt viele den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannte Ansätze, um Komponentenmaterialien miteinander zu vermischen; einige dieser Verfahren schließen Kugelmühlenmahlen, Vibrationsmahlvermischen und V-Typ-Vermischen ein. Diese herkömmlichen Verfahren sind im Allgemeinen für ihren beabsichtigten Zweck geeignet, nämlich für die relativ gleichmäßige Verteilung der Vorläufermaterialien in einer Mischung aus solchen Materialien.
Als nächstes Bezug nehmend auf die 3 haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass Modifikationen an diesen herkömmlichen Vermischungsansätzen angewandt werden können, um die Eigenschaften der vermischten Vorläufer, insbesondere was die Pulvergrößenverringerung, die Oberflächenglattheit, das leichte Vorsinterlegieren und das Erhöhen der Klopfdichte der Mischung anbelangt, zu verbessern. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass durch ein erhebliches Erhöhen einer Kombination der Mischungszeit und der Heftigkeit (wobei letztgenanntes als viel heftigeres Schütteln der Bestandteile als andernfalls benötigt, um lediglich das zuvor genannte gleichmäßige Vermischen zu erreichen, umschrieben werden kann), nicht nur einige der zuvor genannten Eigenschaften realisiert werden, sondern auch möglicherweise ungewünschte Oxidschichten, welche sich auf der Oberfläche des Titanpulvers ausgebildet haben können, aufgrund der mechanischen Reibung zwischen den bewegten Pulvern entfernt werden können. Solch ein heftiges Vermischen (durch beispielsweise einen modifizierten Mahlprozess) wirkt ebenfalls als ein Aktivierungsschritt, weil die Entfernung solcher Oxidschichten deshalb vorteilhaft sein kann, weil diese die Porositätsgrade, die Korrosionsempfindlichkeit und eine mögliche nachfolgende Kontamination der beabsichtigten TiB Verstärkungsphase verringert. Des Weiteren haben die vorliegenden Erfinder erkannt, dass das Hochgeschwindigkeitsverrühren, insbesondere wenn dieses mit verschiedenen Größen von Titankugeln durchgeführt wird, zum Erzeugen der Art der Oberflächenverformung der Komponentenmaterialien gut ist, welche zu hohen Energiemengen führt, was zu einer Verschiebung der Ausbildung und der Umordnung in der resultierenden kristallografischen Struktur führt, was die Rissausbreitungsmechanismen minimiert.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine modifizierte mechanische Pulverisierungsbehandlung (MPT) vorteilhaft ist, weil diese die Klopfdichte und die Enddichte erhöht. Ein Beispiel für einen vereinfachten Satz von Prozessbedingungen, welche mit der MPT verbunden sind, welchen die vorliegenden Erfinder verwendet haben, umfasst (1) das Evakuieren und dann das Bereitstellen von Argonschutz (mit einem Druck von höher als dem atmosphärischen Druck) zu dem Pulver in der Kammer, (2) das Ab kühlen der Kammer, um die Pulvertemperatur bei nicht höher als 35°C zu halten, (3) das Bereitstellen eines Gewichtsverhältnisses von 1:12 für die Kugeln bzw. Pulvermaterialien, (4) das Bereitstellen eines Verhältnisses von Kugelgrößen von 3:3:1 für Kugeldurchmesser von 20 mm, 10 mm bzw. 8 mm und (5) das Unterwerfen des Pulvers einer Mahlzeit zwischen 4 und 12 Stunden bei einer Geschwindigkeit von 3600 UpM. Diese Schritte sollten (1) Pulvergrößen, welche um 20 bis 60 Prozent abnehmen, erzeugen, (2) zu einer glatteren Pulveroberfläche führen, (3) das Vorlegieren begünstigen und (4) die Klopfdichte um 30 bis 40 Prozent erhöhen, wobei die Sinterdichte entsprechend der MPT-Behandlungszeit zunimmt.
Die 3 zeigt den Betrieb einer Mischvorrichtung, wie diese in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Die Mischvorrichtung umfasst eine Mischtrommel oder einen ähnlichen Behälter 150, eine Vorläuferzufuhrleitung 160 mit einer Pumpe 170, eine Rotationswelle 180 und Rühreinrichtungen 190, welche mit der Welle 180 fest verbunden sind. In der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder herausgefunden, dass ein modifizierter mechanischer Pulverisierungsbehandlungsansatz insbesondere gut mit den Vorläufermaterialien beim Herstellen einer bevorzugten Mischung funktioniert. In einer besonderen Ausführungsform nutzt das Vermischungsverfahren, welches als Verfahren bezeichnet wird, welches eine modifizierte MPT nutzt, im Wesentlichen reine Titankugeln oder -bälle 195 mit unterschiedlichen Größen, wobei die Kugeldurchmesser 20 Millimeter betragen können, wohingegen andere 10 Millimeter und 8 Millimeter betragen. Sobald die Vorläufermaterialien nahe der Mischtrommel 150 platziert worden sind, kann der Behälter evakuiert werden, um restlichen Sauerstoff zu entfernen. Anschließend wird Argongas (über 99,999%) oder ein verwandtes inertes Fluid bei einem leicht erhöhten Druck (beispielsweise bis zu ungefähr 1,2 Atmosphären) in den Behälter gepumpt, um die Pulveroxidation zu verhindern. Um eine Kontamination zu vermei den, wird das gesamte Innere des Behälters aus im Wesentlichen reinem Titan hergestellt, während ein Kühlmittel, wie beispielsweise durch einen Kühlkreislauf 155 gepumptes Kühlwasser, verwendet werden kann, um die Kammertemperatur auf einem Wert von nicht höher als 35°C zu halten. Das Gewichtsverhältnis von Titankugeln zu den Prozesspulvern beträgt 1:12. Das Vermischen wird bei 3600 Umdrehungen pro Minute für 4 bis 12 Stunden durchgeführt, wobei jede Charge von Vorläufermaterialien zwischen fünf und zehn Kilogramm beträgt.
Die Gegenwart des Titanhydrids 120 in der Mischung wird die Anwesenheit von Sauerstoff in dem gesinterten Bauteil weiter verringern. Ferner erzeugt die Zersetzung des Titanhydrids ein feines Pulver aus Titan, welches beim Erhöhen der Bauteildichte vorteilhaft ist, weil dieses die Zwischenräume zwischen den anderen vermischten Pulvern auffüllt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass es einen bevorzugten Bereich von TiH₂-Zugaben gibt, weil eine zu geringe nicht zu einer ausreichenden weiteren Sauerstoffentfernung führt, während eine zu hohe während des Sinterns eine nicht gleichmäßige Rissbildung verursachen kann.
Wie zuvor dargelegt, gibt es zahlreiche Titanverbindungen auf Keramikbasis, welche als Verstärkung der Titanmatrix eingesetzt werden können. Dennoch haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass einige für die Herstellung von Ti-MMC-Bauteile besser geeignet sind als andere. Beispielsweise ist TiN im Vergleich zu TiC und TiB eine schwache Verstärkungsphase und von diesen verbleibenden zwei hat das letztgenannte besser funktioniert. Die Konzentration von thermodynamisch stabilen Keramikpartikeln (wie beispielsweise TiB und TiB₂) wird auf Basis der Anwendungen ausgewählt. Für viele Kraftfahrzeuganwendungen haben die Erfinder herausgefunden, dass eine obere Grenze ungefähr achtzehn Gewichtsprozent betragen kann, mit einer unteren Grenze von so wenig wie ein Prozent. Aufgrund der Phasendiagramminformation erwarten die vorliegenden Erfinder, dass die Reaktion zwischen Ti und TiB₂ während des Sinterverfahrens die thermodynamisch stabile Phase von TiB in Ti-Legierungen ausbilden wird.
Der zweite Schritt, welcher beim Herstellen des Materials angewendet wird, umfasst das Verdichten, das Verpressen oder das anderweitige Ausbilden der Mischung. Dies ist als Schritt 200 dargestellt. Wie bei dem zuvor erörterten Mischschritt gibt es verschiedene Arten, durch welche das Bauteil in dessen Grünzustand (d. h. vorgesintertem Zustand) ausgebildet werden kann. Solche Wege umfassen das isostatische Formen, Formstanzen oder dergleichen. Der der Mischung während der Verdichtung 200 verliehene Druck ist ausreichend, um das Bauteil im Wesentlichen in der endkonturnahen Form zu halten, während der Sinterschritt 300 (nachfolgend erörtert) erwartet wird.
Der dritte Schritt ist der Sinterschritt 300. Während dem Sintern wird das kompakte grüne Bauteil so erhitzt, dass das Titan (beispielsweise elementares Titan) und das Legierungsmaterial legiert werden, um so die Matrix auf Titanbasis herzustellen. Wie zuvor dargelegt, können kontrollierte Umgebungen eingesetzt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Kontamination zu verringern. Die Temperaturen, bei denen der Sinterschritt 300 durchgeführt werden kann, betragen vorzugsweise zwischen 1200 und 1450°C. Der Sinterschritt 300 kann einen ansteigenden Erhitzungsplan, wie beispielsweise zwischen 2 und 5 Grad Celsius pro Minute, umfassen. Ein Beispiel der Wirkungen der Sintertemperatur, insbesondere auf die Menge von in einem Ti-MMC vorliegenden Wasserstoff, ist in der 2 gezeigt.
Nachfolgend kann ein Abkühlplan eingesetzt werden, bei dem das gesinterte Bauteil über einen Verlauf von 7 Stunden abgekühlt wird. Bei solchen Umständen kann die Abkühlgeschwindigkeit ungefähr 200°C pro Stunde betragen. Auch während dem Sinterschritt 300 finden zwischen dem Borquellenmaterial 140 und dem Titan 110 Reaktionen statt, um TiB sowie die Titanlegierung (beispielsweise Ti6Al4V), auszubilden. Gleichermaßen kann der Schritt auch das Schmieden in geschlossener Form oder ein Phasentransformationsverdichten 400 umfassen, wobei kleinere Leerstellen, welche nach dem Sinterverfahren übrig geblieben sind, durch Verwenden von Heißpressschmieden entfernt werden können. Solch ein Schritt wird vorzugsweise bei einer hohen Temperatur durchgeführt. Die auf das Bauteil bei Raumtemperatur aufgebrachten Beschichtungen helfen, einen Teil der Oxidation bei hoher Temperatur zu verhindern. In einer Ausführungsform enthält die Beschichtung Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃ sowie ein organisches Bindemittel. Dieses kann mit einer Bürste für einige wenige Überzüge aufgebracht werden, wenn die Bauteile auf 70°C erhitzt werden, wonach das Bauteil getrocknet wird. Typische Schmiedetemperaturen betragen zwischen 900 und 1400°C und insbesondere zwischen 1200 und 1350°C, und zwar abhängig von dem TiB₂-Gehalt, wobei es höhere Mengen erfordern, dass eine höhere Schmiedetemperatur eingesetzt wird. Das typische Reduktionsverhältnis (welches das Verhältnis der Querschnittsfläche vor und nach dem Schmieden ist, welches manchmal als prozentuale Verringerung der Dicke bezeichnet wird und mit der Größe des verarbeiteten MMC-Materials verbunden ist) sollte weithin zwischen 300 und 800 Prozent betragen, wobei ein besonders bevorzugter Bereich 500 bis 700 Prozent beträgt. In einem solchen Bereich würde die Sintertemperatur 1350°C betragen. Die typische Glühtemperatur sollte innerhalb eines breiten Bereichs von 550 bis 950°C und insbesondere zwischen 650 und 740°C liegen. Die Zeit sollte zwischen einer halben Stunde und zwei Stunden betragen.
Wie ebenfalls in der 1 dargestellt, kann auch ein Schmieden in geschlossener Form oder eine verwandte Phasenumwandlungsverdichtung durchgeführt werden. In diesem Fall kann ein Heißpressen in einer geschlossenen Form durchgeführt werden, um die weitere Entfernung von Leerstellen und daraus folgende Verdichtung zu erreichen. In diesem Fall beträgt die Sintertemperatur 1350°C. Die typische Glühtemperatur sollte 650 bis 740°C mit einem Bereich von 550 bis 950°C betragen. Die Zeit sollte zwischen 0,5 und 2 Stunden betragen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zu einer hohen gesinterten Dichte von über 99% führen.
Bezug nehmend insbesondere auf die 4A bis 4D ist ein typisches Mischpulverbild vor und nach der MPT dargestellt, wobei die 4A einem Vor-MPT-Titanpulver entspricht, die 4B einem Vor-MPT-TiB₂-Pulver entspricht, die 4C einem Vor-MPT-Legierungspulver (insbesondere Aluminium-Vanadium-(Al-V)-Pulver) entspricht und die 4D einem Nach-MPT-Mischpulver entspricht. Ein Vergleich des Pulvers ohne MPT-Behandlung zeigt, dass das Ergebnis des unter den zuvor genannten MPT-Bedingungen mit MPT behandelten Pulvers zeigte, dass die Pulvergröße um 20 bis 60 Prozent abnahm, dass sich die Pulveroberflächenglätte erhöhte, dass ein leichtes Vorlegieren eines Teils des Pulvers stattfand, und, dass sich die Klopfdichte zwischen 30 und 40 Prozent erhöhte. Der Effekt der MPT auf die Sinterdichte ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:

Verarbeitungszeit (Stunden) Dichte (Gramm/cm³)

0 3,06

4 3,97

8 4,05

12 4,12
Das Vorsinterverdichten und die damit verbundene Klopfdichte können durch zahlreiche Schwingungs-, Schüttel- oder verwandte Rührmittel erreicht werden. Ein Ansatz zur Erhöhung der Vorsinterverdichtung ist die durch Kaltdüsenverdichtung. In einer Ausführungsform kann dies bei Raumtemperatur bei 190 bis 360 MPa (d. h. ungefähr 28.000 bis 52.000 psi) für 3 Minuten mit einem typischen Bereich von 1 bis 6 Minuten und in einem typischen Druckbereich zwischen 230 und 270 MPa durchgeführt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass zum Erreichen einer besten Gründichte und Grünfestigkeit die bevorzugte Titanpartikelgröße 22 bis 34 Mikrometer in einem breiteren Bereich von 5 bis 75 Mikrometern betragen sollte. Das Sinterverfahren umfasst das Erhitzen dieser Grünbauteile mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 5 Grad Celsius pro Minute, bis diese die gewünschte Sintertemperatur von ungefähr 1300 Grad Celsius erreichen, wobei ein typischer Bereich (wie zuvor erwähnt) 1200 bis 1450 Grad Celsius für 3 Stunden mit einem typischen Bereich von 2 bis 8 Stunden beträgt. Während des Sinterns ist es vorteilhaft, ein Vakuum von 10³ Pa für ungefähr 2 bis 8 Stunden mit einem spezifischeren Bereich von 3 bis 6 Stunden aufrechtzuerhalten, um 99% theoretische Dichte zu erreichen. Längere Sinterzeiten können die Sinterdichte weiter erhöhen.
Die Vorläufermaterialgrößen können variieren, obwohl die typischen Größen der Titanpulver, welche zum Herstellen von Ti6Al4V MMC'en verwendet werden, allgemein in einem Bereich zwischen 9 und 75 Mikrometern mit einem engeren Bereich zwischen 18 und 28 Mikrometern liegen. Es gibt verschiedene mögliche Verfahren zum Herstellen von Titanpulver. Eines von diesen wird durch ein Hydrid-Dehydrid-Titanpulver-Herstellungsverfahren mit einer variierten Rotationsgeschwindigkeit während Düsenmahlens durchgeführt, um unterschiedliche Pulvergrößen zu erhalten. Unter Bezugnahme insbesondere auf die 5 und 6 wird die Größenverteilung und Morphologie von zwei typischen Ti6Al4V-Partikeln gezeigt, wobei die 5 einem Titanpulver mit 325 Mesh entspricht und die 6 einem Titanpulver mit 250 Mesh entspricht.
Die typische TiB₂-Partikeltgröße liegt in einem Bereich zwischen 5 und 75 Mikrometern und kann durch ein sich selbst fortpflanzendes Hochtemperatursyntheseverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise das in der nachfolgenden Reaktion gezeigte: Ti + 2B → TiB₂ + Q (324 KJ/mol).

Die physikalischen Eigenschaften von TiB₂-Pulver sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt, wobei die 7 eine Röntgenbeugungsanalyse zeigt, welche zwischen vorgesinterten (d. h. grünen) und gesinterten Proben unterscheidet, um zu zeigen, wie TiB aus dem TiB₂ und der Titansinterreaktion gebildet worden ist. Die zur Herstellung der in der 7 gezeigten Ergebnisse eingesetzten Vorläufer umfassten Pulver aus Titan, aus TiH₂, aus Al-V-40-Legierung und aus TiB₂. Die durchschnittliche TiB₂-Partikelgröße beträgt 9,2 Mikrometer und weist ungefähr 99 Prozent TiB₂ auf.

Physikalische Eigenschaften	Wert
Dichte, g/cm³	4,25
Schmelzpunkt, °C	2850–2980
Thermische Ausdehnung, m/m.k	8,1 × 10^–6
Thermische Leitfähigkeit, W/m°C	60–120 (bei 25°C) 55–125 (bei 2300°C)
Biegefestigkeit, MPa	350–500
Knoop-Härte, GPa	30–34
Elektrischer Widerstand, p 0 .cm	14,4
Elastizitätsmodul, GPa	550

TiB₂ und Ti6Al4V weisen ähnliche Dichten auf. Es ist vorteilhaft, diese zu vermischen. Allerdings ist es herausgefunden worden, dass TiB₂ die gesinterte Dichte von Titan-MMC beträchtlich verringert. Wenn die Menge von TiB₂ höher als 7 Gewichts-% beträgt, beginnt auch die geschmiedete Dichte, beträchtlich abzunehmen. Eine Erklärung hierfür kann der beträchtliche Unterschied in den relativen Dichten von Bor (ungefähr 2,34 g/cm³) und von Titan (4,5 g/cm³) sein.
Die typische Partikelgröße von Al-V-Legierungsmaterial liegt in einem Bereich zwischen 5 und 75 Mikrometern. In der Pulverform werden diese Legierungsmaterialien ebenfalls durch ein kommerziell erhältliches, sich selbst fortpflanzendes Hochtemperatursyntheseverfahren hergestellt, welches in einer vereinfachten Form gemäß der nachfolgenden Reaktion vereinfacht ist: Al + V₂O₅ → AlV_x + Al₂O₃ + Q
Drei unterschiedliche Al-V-Legierungspulver wurden mit Aluminium zu Vanadium Verhältnissen von 60/40, 50/50 bzw. 40/60 zum Herstellen von Ti6Al4V-MMC hergestellt. Die chemischen Zusammensetzungen waren hauptsächlich Aluminium und Vanadium mit Spuren an Sauerstoff, Kohlenstoff, Eisen und Silizium. Die 8 und 9 zeigen genau die SEM-Morphologie und die Partikelgrößenverteilung der 60/40-Al-V-Pulver.
Dann sind unter Bezugnahme auf die 10 bis 13 die Ergebnisse verschiedener Sinterschritte und Gewichtsprozente von TiB₂ gezeigt. Bezug nehmend insbesondere auf die 10A bis 10D sind die gesinterten Mikrostrukturen eines Ti6Al4V-MMC'es mit verschiedenen Mengen von TiB₂ gezeigt. Die Sintertemperatur betrug 1300 Grad Celsius und das TiB₂ liegt in 7 Prozent, 10 Prozent, 15 Prozent bzw. 20 Prozent vor. Bezug nehmend insbesondere auf die 11A bis 11H sind die Mikrostruktur infolge einer Veränderung der TiB₂-Konzentrationen und der Verarbeitungsbedingungen dargestellt. Insbesondere variierten die TiB₂-Konzentrationen von 3 Prozent (11A bis 11B) bis 5 Prozent (11C und 11D) und 7 Prozent (11E bis 11H) und umfassten (in den 11B, 11D, 11F und 11H) den Effekt von weiteren Verarbeitungsschritten einschließlich Schmieden (bei 950 Grad Celsius) und Glühen (bei 930 Grad Celsius). Bezug nehmend insbesondere auf die 10 sind die Nachsintermikrostrukturen der MMC'e mit verschiedenen TiB₂-Mengen gezeigt. Unter Bezugnahme insbesondere auf die 11 sind die geglühten Mikrostrukturen der MMC'e mit verschiedenen TiB₂-Mengen nach dem Schmieden dargestellt. Ein Vergleich der 10 bis 11 zeigt, dass 10% TiB-MMC eine Dichte und saubere Mikrostruktur aufweist. Wie in den 12A und 12B dargestellt, beeinflussen Veränderungen in der Schmiedetemperatur die Mikrostruktur des Ti6Al4V/TiB-MMC'es. Gleichermaßen ist der Effekt von verschiedenen Mengen des TiB₂-Borquellenmaterials auf die gesinterte, geschmiedete und geglühte Mikrostruktur in den 13A und 13B dargestellt. Insbesondere deuten diese den Effekt der Schmiede- und Glühtemperaturen auf die Porosität an. Beispielsweise kann aus dem Vorstehenden gesehen werden, dass eine Schmiedetemperatur von 1150°C bezüglich der Rissbildungstendenz und der Porositätsmenge viel besser als eine von 950°C ist. Unter Bezugnahme insbesondere auf die 13 ist die geglühte Mikrostruktur dargestellt.
Wiederum Bezug nehmend auf die 1 sind zahlreiche Beispiele für Nachsinterarbeitsschritte 500 möglich, wie beispielsweise maschinelle Bearbeitung (einschließlich Entkraten), Oberflächenkompressionshämmern, Nachpressen oder dergleichen. Ein anderes Beispiel umfasst Oxidation verhindernde Schritte. In diesem Fall kann eine Beschichtung bei Raumtemperatur auf das fertige Bauteil aufgebracht werden, wobei die Beschichtung verschiedene Oxide, wie beispielsweise Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃, sowie ein organisches Bindemittel enthält. In einer Ausführungsform kann die Beschichtung mit einer Bürste für einige wenige Beschichtungen aufgetragen werden, wenn die Bauteile auf eine geringfügig erhöhte Temperatur, wie beispielsweise auf ungefähr 70°C, erhitzt werden, wonach die Teile getrocknet werden.
Verglichen mit einer unverstärkten Ti6Al4V-Legierung weisen die Ti6Al4V-MMC'e, welche hier erörtert worden sind, eine höhere Festigkeit und ein höheres Elastizitätsmodul auf. Als solches ist TiB₂ eine exzellente Verstärkung für eine Ti6Al4V-Titanlegierung. Beispielsweise beträgt das Elastizitätsmodul von verstärktem Ti6Al4V mehr als 140 GPa mit einem Durchschnitt von 155 GPa im Verglich zu 100 GPa Durchschnitt für unverstärktes Ti6Al4V. Die äußerste Bruchfestigkeit von mehr als 1350 MPa (Durchschnitt 1450 MPa) ist beträchtlich größer als der 1140 MPa-Durchschnitt für das unverstärkte Ti6Al4V mit einer 0,2% Streckfestigkeit über 1250 MPa (Durchschnitt 1300 MPa) im Vergleich mit einem Durchschnitt von 980 MPa für unverstärktes Ti6Al4V. Die Rockwelle-Härte beträgt mehr als 43. Ein Beispiel für ein strukturelles Bauteil, welches gemäß einem der Aspekte der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, ist eine Pleuelstange zur Verwendung in einem Kraftfahrzeugmotor, obwohl die Fachleute erkennen werden, dass auch zahlreiche andere Bauteile hergestellt werden können.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details zum Zwecke der Illustration der vorliegenden Erfindung gezeigt worden sind, wird es für die Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, welcher durch die beigefügten Patentansprüche bestimmt wird, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundstoffbauteils, welches eine Titanlegierungsmatrix und eine Titandiboridverstärkung enthält, wobei das Verfahren umfasst: Vermischen einer Vielzahl von Vorläufermaterialien, welche im Wesentlichen reines Titan, Titanhydrid, ein Legierungsmaterial und ein Borquellenmaterial enthalten, Verdichten der Mischung und Sintern der verdichteten Mischung, so dass während des Sinterns das Borquellenmaterial mit dem im Wesentlichen reinen Titan reagiert, um Titanborid zu erzeugen, und das Titanhydrid aktiviert wird, um mit jeglichem in der Mischung vorhandenen Sauerstoff zu reagieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorläufermaterialien in Pulverform vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vermischen des Weiteren das Entfernen wenigstens eines Teils von jeglichem auf Sauerstoff basierendem Material, welches auf der Oberfläche des im Wesentlichen reinen Titans ausgebildet ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Entfernen das Platzieren der Vielzahl von Vorläufermaterialien in einer inerten Umgebung und das Unterwerfen derselben einem Rotationsvermischen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Rotationsvermischen Rotationsgeschwindigkeiten von wenigstens ungefähr 3600 Umdrehungen pro Minute für eine Dauer von wenigstens ungefähr vier Stunden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Matrix aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus beta-Titan, alpha-2-Titan, gamma-Titan und Mischungen hiervon besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Mischung zwischen ungefähr drei und sieben bis zehn Gewichtsprozent Titanhydrid enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen mit einer Geschwindigkeit von bis zu fünf Grad Celsius pro Minute stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Legierungsmaterial Aluminium und Vanadium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Borquellenmaterial Titandiborid enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bauteil ein Kraftfahrzeugbauteil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Kraftfahrzeugbauteil aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Ventilen, Halteringen, Ventilfedern, Pleuelstangen, Bolzen, Befestigungsmitteln, Spiraltragfedern und Abgassystemen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, welches des Weiteren wenigstens einen Oberflächen modifizierenden Nachsinterarbeitsschritt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei wenigstens einer der Oberflächen modifizierenden Nachsinterarbeitsschritte aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Entkraten, Porositätsverringerung und Schmiermittelimprägnierung besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Materials auf Basis von Titan zur Pulvermetallurgieverarbeitung, wobei das Verfahren umfasst: Platzieren einer Vielzahl von Vorläuferpulvermaterialien, welche im Wesentlichen reines Titan, Titanhydrid, ein Legierungsmaterial und ein Borquellenmaterial enthalten, in einen Mischbehälter auf Basis von Titan, Ersetzen der Umgebungsatmosphäre in dem Mischbehälter durch ein im Wesentlichen inertes Fluid, Rotieren einer Rühreinheit mit einer vorbestimmten minimalen Geschwindigkeit für eine vorbestimmte minimale Zeit, bis eine Mischung erhalten wird, welche wenigstens eines der nachfolgenden aufweist: (1) wenigstens eine zwanzigprozentige Verringerung in der Pulvergröße, (2) wenigstens eine dreißigprozentige Erhöhung in der Klopfdichte der Mischung und (3) eine im Wesentlichen vollständige Entfernung eines Oxidfilms von dem Titanpulver und Sintern der Mischung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Rühreinrichtung eine Vielzahl von Kugeln auf Basis von Titan enthält, welche so ausgestaltet sind, dass diese in dem Mischbehälter rotieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die minimale vorbestimmte Geschwindigkeit ungefähr 3600 Umdrehungen pro Minute beträgt und die minimale vorbestimmte Zeit ungefähr vier Stunden beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines mit Titanborid verstärkten, auf Titan basierenden Metallmatrix-Verbundstoffbauteils, wobei das Verfahren umfasst: Vermischen wenigstens eines im Wesentlichen reinen Titanpulvers mit einem Legierungsmaterial und mit einem Borquellenmaterial derart, dass eine beträchtliche Mehrheit von jeglicher Oxidausbildung auf dem im Wesentlichen reinen Titanpulver davon entfernt wird, Verdichten der Mischung in eine Form des Bauteils und Sintern der verdichteten Mischung, so dass während des Sinters das Borquellenmaterial mit dem im Wesentlichen reinen Titan reagiert, um eine aus dem Titanborid ausgebildete Verstärkungsphase herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 18, welches des Weiteren vor dem Vermischen das Zugeben von Titanhydrid zu dem im Wesentlichen reinen Titanpulver, dem Legierungsmaterial und dem Borquellenmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, welches des Weiteren wenigstens das Schmieden oder das Glühen des Bauteils umfasst, nachdem das Sintern beendet ist.