DE102017109156A1 - High-temperature resistant material and its production - Google Patents

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DE102017109156A1
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Lothar Machon
Fritz Thomsen
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gefüge aus intermetallischen B2- und C14 Phasen, wobei die primär ausgeschiedene C14-Phase im Wesentlichen nicht miteinander verbundene Bereiche (Inseln) bildet, die Inseln der C14-Phase von der B2-Phase umschlossen sind, das Gesamtvolumen der C14-Phase im Gefüge gegenüber dem der B2-Phase überwiegt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Gefüge und eine Verwendung.The invention relates to a structure of intermetallic B2 and C14 phases, wherein the primary precipitated C14 phase forms essentially non-interconnected regions (islands), the islands of the C14 phase are enclosed by the B2 phase, the total volume of the C14 molecules Phase in the structure over that of the B2 phase predominates. Furthermore, the invention relates to a method for producing the microstructure and a use.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochwarmfesten Werkstoff auf Basis intermetallischer Phasen und ein Verfahren zur Einstellung dessen Gefüges. The invention relates to a highly heat-resistant material based on intermetallic phases and a method for adjusting its microstructure.

Thermisch und mechanisch hochbelastbare Werkstücke werden unter anderem in Strömungsmaschinen, bei Gasturbinen, in Verbrennungsmotoren und in Flugzeugtriebwerken benötigt. Der Bedarf an im Hinblick auf die mechanische und thermische Belastbarkeit verbesserten Materialien ist dabei nach wie vor vorhanden. Thermally and mechanically highly resilient workpieces are required, inter alia, in turbomachines, in gas turbines, in internal combustion engines and in aircraft engines. The need for improved in terms of mechanical and thermal stress materials is still there.

Ein häufiger Fertigungsschritt in der Produktion der entsprechenden Werkstücke ist die thermomechanische Behandlung zur Verbesserung der Eigenschaften. Hierfür sind nur Werkzeuge (Gesenke) geeignet, die ihrerseits bei den hohen Temperaturen, bei denen sie eingesetzt werden eine höhere Festigkeit aufweisen als das zu bearbeitende Werkstück. A common production step in the production of the corresponding workpieces is the thermomechanical treatment to improve the properties. For this purpose, only tools (dies) are suitable, which in turn at the high temperatures at which they are used have a higher strength than the workpiece to be machined.

Intermetallische Phasen geben Anlass zur Annahme, dass sie zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Belastbarkeit von Werkstoffen geeignet sind, da intermetallische Phasen eine gegenüber metallischen Werkstoffen höhere mechanische und thermische Belastbarkeit aufweisen. Intermetallic phases give rise to the assumption that they are suitable for improving the mechanical and thermal resistance of materials, since intermetallic phases have a higher mechanical and thermal resistance compared to metallic materials.

Bekannt sind verschiedene intermetallische Phasen, unterschiedlicher Strukturtypen. Die nach dem Mineralogen Fritz Laves benannten Laves-Phasen bilden eine der größten Gruppen der intermetallischen Verbindungen definierter Zusammensetzung hexagonaler C14- oder C36-Struktur oder kubischer C15-Struktur. Various intermetallic phases, different types of structures are known. The Laves phases named after the mineralogist Fritz Laves form one of the largest groups of intermetallic compounds of defined composition of hexagonal C14 or C36 structure or cubic C15 structure.

Der Inhalt der Druckschrift Gerhard Sauthoff „Intermetallics“ ISBN: 978-3-527-61540-7 wird explizit mit eingeschlossen. The content of Publication Gerhard Sauthoff "Intermetallics" ISBN: 978-3-527-61540-7 is explicitly included.

Die DE 600 24 189 T2 beschreibt einen Stahl dessen Kriechbeständigkeit durch Ausscheidungen einer intermetallischen u.a. Laves Phase verbessert wird. The DE 600 24 189 T2 describes a steel whose creep resistance is improved by precipitations of an intermetallic inter alia Laves phase.

Die DE2521563A1 (Sprenger) beschreibt eine Molybdän-haltige metallische Nickel-Basis-Legierung welche durch Ausscheidungen intermetallischer Phasen verstärkt wird. Mittels gerichteter Erstarrung wird hier eine lamellare Textur der intermetallischen Phase erzwungen. The DE2521563A1 (Sprenger) describes a molybdenum-containing metallic nickel-based alloy which is reinforced by precipitates of intermetallic phases. Directional solidification enforces a lamellar texture of the intermetallic phase.

Die EP 0760 869 B1 (Anmelder: Siemens, H. C. Starck) beschreibt eine intermetallische Nickel-Aluminium-Basislegierung bei der durch Zugabe von Tantal und Chrom an den Korngrenzen der B2-Primärausscheidungen, Ausscheidungen einer Laves-Phase auftreten. The EP 0760 869 B1 (Applicant: Siemens, HC Starck) describes an intermetallic nickel-aluminum base alloy in which precipitates of a Laves phase occur by adding tantalum and chromium to the grain boundaries of the B2 primary precipitates.

Die DE 10 2013 214 767 A1 (Anmelder: MTU Aero Engines AG) beschreibt ebenfalls eine Nickel-Aluminium-Legierung mit einem erhöhten Anteil an Nickel bei der durch Zugabe von Niob oder Tantal an den Korngrenzen der B2-Primärausscheidungen, Ausscheidungen einer hexagonalen Laves-Phase mit C14-Struktur auftreten. The DE 10 2013 214 767 A1 (Applicant: MTU Aero Engines AG) also describes a nickel-aluminum alloy having an increased content of nickel in which precipitates of hexagonal Laves phase having C14 structure occur by adding niobium or tantalum to the grain boundaries of B2 primary precipitates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstoffe mit verbesserten thermo-mechanischen Eigenschaften sowie eine Verfahren zur Einstellung des dafür erforderlichen Gefüges bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung einen Werkstoff für ein Gesenk zur Fertigung hochwarmfester Werkstücke zur Verfügung zu stellen. The invention has for its object to provide materials with improved thermo-mechanical properties and a method for adjusting the necessary structure. Furthermore, it is the object of the invention to provide a material for a die for producing highly heat-resistant workpieces.

Es wurde nun gefunden, dass sich die mechanische und thermische Belastbarkeit von Werkstücken, bestehend aus zwei intermetallischen Phasen der Struktur B2 und C14, bei Abwesenheit weiterer metallischer oder intermetallischer Phasen, mittels spezieller Gefüge verbessern lässt. Die erfindungsgemäßen Gefüge sind gekennzeichnet durch Primärausscheidungen der C14-Phase und einer resteutektischen Zusammensetzung bei der der Volumenanteil der B2-Phase die Matrix des Gefüges bildet und somit Inseln der C14-Phase umschließt. It has now been found that the mechanical and thermal load-bearing capacity of workpieces consisting of two intermetallic phases of the structure B2 and C14, in the absence of further metallic or intermetallic phases, can be improved by means of a special structure. The microstructures according to the invention are characterized by primary excretions of the C14 phase and a resteutectic composition in which the volume fraction of the B2 phase forms the matrix of the microstructure and thus encloses islands of the C14 phase.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind: Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which are intended to illustrate the invention and are not to be considered as limiting:

Es zeigen: Show it:

: REM-Aufnahme eines erfindungsgemäßen Gefüges : SEM image of a microstructure according to the invention

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 0,66 : Binary phase diagram, state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 0.66

: Qualitative Darstellung der Gefüge, abhängig vom Tantal-Anteil des Systems TaNiAl (B2 weiß, C14 grau) : Qualitative representation of the structure, depending on the tantalum content of the system TaNiAl (B2 white, C14 gray)

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 1,1 : Binary phase diagram, state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 1.1

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 0,85 : Binary phase diagram, state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 0.85

: REM-Aufnahme eines nicht erfindungsgemäßen Gefüges aus Beispiel 2 (Ta6,3Ni42,8Al50,9) : SEM image of a structure not according to the invention from example 2 (Ta 6.3 Ni 42.8 Al 50.9 )

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 1,2 : Binary phase diagram, state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 1.2

: REM-Aufnahme eines nicht erfindungsgemäßen Gefüges aus Beispiel 3 (Ta8,5Ni49,5Al42) : SEM image of a structure not according to the invention from example 3 (Ta 8,5 Ni 49,5 Al 42 )

: REM-Aufnahme eines nicht erfindungsgemäßen Gefüges aus Beispiel 4 (Ta24,3Ni41,3Al34,4) : SEM image of a structure not according to the invention from Example 4 (Ta 24.3 Ni 41.3 Al 34.4 )

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems NbNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 0,66 : Binary phase diagram, state diagram of the system NbNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 0.66

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems NbNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 0,75 : Binary phase diagram, state diagram of the system NbNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 0.75

: REM-Aufnahme des erfindungsgemäßen Gefüges Nb24,3Ni30Al44,7 Beispiel 5 : SEM image of the structure according to the invention Nb 24.3 Ni 30 Al 44.7 Example 5

: REM-Aufnahme des nicht erfindungsgemäßen Gefüges Nb13,4Ni45,9Al40,7 Beispiel 6 : SEM image of the noninventive structure Nb 13.4 Ni 45.9 Al 40.7 Example 6

: Binäres Phasendiagramm, Zustandsschaubild des Systems NbNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 1,12 : Binary phase diagram, state diagram of the system NbNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 1.12

: REM-Aufnahme des erfindungsgemäßen Gefüges Ta22,5Ni35,9Al41,6 : SEM image of the structure according to the invention Ta 22.5 Ni 35.9 Al 41.6

zeigt ein rasterelektronenmikroskopisch aufgenommenes Bild eines erfindungsgemäßen Gefüges. Die hellen Inseln werden von der C14-Phase gebildet, die dunklen Bereiche sind die umschließende B2-Matrix. shows a scanning electron microscope image of a microstructure according to the invention. The bright islands are formed by the C14 phase, the dark areas are the surrounding B2 matrix.

Dabei wurde erkannt, dass sich die mechanische und thermische Belastbarkeit von Werkstücken intermetallischer B2- und C14-Phasen verbessern lässt, wenn das System so gewählt wird, dass zunächst die extrem harte C14-Phase ausgeschieden wird, und wenn sichergestellt ist, dass der Volumenanteil der B2-Phase in der eutektischen Zusammensetzung überwiegt und eine umschließende Matrix um die „inselartig“ verteilte C14-Phase ausbildet. It was found that the mechanical and thermal loading of workpieces of B2 and C14 intermetallic phases can be improved if the system is chosen to first excrete the extremely hard C14 phase and if it is ensured that the volume fraction of the B2 phase predominates in the eutectic composition and forms an enclosing matrix around the "island-like" distributed C14 phase.

Des Weiteren wurde erkannt, dass das Gesamtvolumen der C14-Phase im Gefüge gegenüber dem der B2-Phase überwiegen muss. Furthermore, it was recognized that the total volume of the C14 phase in the microstructure must predominate over that of the B2 phase.

Erfindungsgemäße Gefüge entstehen, wenn die Zusammensetzung einer Schmelze so gewählt ist, dass sich im Verlauf der Erstarrung zunächst Primärausscheidungen der C14-Phase bilden. Die Restschmelze entwickelt sich, bis zur vollständigen Erstarrung, hin zur eutektischen Zusammensetzung. Dieser Zusammenhang ist in zu erkennen. Structures according to the invention are formed when the composition of a melt is selected such that first primary precipitates of the C14 phase initially form in the course of solidification. The residual melt develops, until complete solidification, towards the eutectic composition. This connection is in to recognize.

Erst beim Erstarren dieser Restschmelze bildet sich auch eine B2-Phase aus. ( , die Restschmelze erstarrt zu B2 und C14). Bei überwiegendem Volumenanteil (lässt sich aus dem zugehörigen Zustandsschaubild berechnen) der B2-Phase in der eutektischen Zusammensetzung (Restschmelze) bildet diese eine Matrix um die C14-Ausscheidungen. Die B2-Phase umschließt als Matrix die C14-Partikel und ist über das gesamte System verbunden während die C14-Phase „Inseln“ bildet. Only when solidification of this residual melt also forms a B2 phase. ( , the residual melt solidifies to B2 and C14). With predominant volume fraction (can be calculated from the associated state diagram) of the B2 phase in the eutectic composition (residual melt) this forms a matrix around the C14 precipitates. The B2 phase encases the C14 particles as a matrix and is connected throughout the system while the C14 phase forms "islands".

Eine qualitative Darstellung des erfindungsgemäßen und des nicht erfindungsgemäßen Gefüges ist in gezeigt. Ist bei einer Zusammensetzung im System TaNiAl ( ) eine Ausgangszusammensetzung links des Eutektikums (0–8,8 at% Ta) gewählt, bilden sich beim Erstarren zunächst B2-Erstausscheidungen. Ist dagegen eine Ausgangszusammensetzung rechts des Eutektikums (8,8–33 at% Ta) gewählt, bilden sich beim Erstarren zunächst C14-Erstausscheidungen. Unabhängig davon erreicht die Restschmelze, die die Erstausscheidungen als flüssige Phase umschließt, bis zur vollständigen Erstarrung immer die eutektische Zusammensetzung. Aus der Schmelze wird solange B2 oder C14 ausgeschieden, bis die Restschmelze in eutektischer Zusammensetzung vorliegt und ebenfalls erstarrt. A qualitative representation of the structure according to the invention and the non-inventive structure is in shown. If, in the case of a composition in the system, TaNiAl ( ) selected a starting composition to the left of the eutectic (0-8.8 at% Ta), initially formed on solidification B2 Erstausscheidungen. If, on the other hand, a starting composition to the right of the eutectic (8.8-33 at% Ta) is chosen, first C14 initial precipitates form on solidification. Independently of this, the residual melt, which encloses the initial precipitates as a liquid phase, always reaches the eutectic composition until complete solidification. From the melt is as long as B2 or C14 excreted until the residual melt is present in eutectic composition and also solidifies.

Die erfindungsgemäßen neuen Gefüge werden erhalten, wenn ein Verfahren, umfassend die folgenden Schritte, angewendet wird:

  • i. Auswahl eines der sechs Grundsysteme bestehend aus drei verschiedenen Metallen, A, B und C. Wobei A Aluminium (Al), B Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) und C Tantal (Ta), Niob (Nb) oder Titan (Ti) ist., i.e. NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl und TiFeAl. Wobei die Metalle A und B (AlNi und AlFe) eine B2-Phase und die Metalle A und B und C eine C14-Phase bilden.
  • ii. Spezifizierung der in Schritt i getroffenen Auswahl anhand von Gleichung 1 (Gl.1) und Gleichung 2 (Gl.2) auf solche Systeme, welche in eutektischer Zusammensetzung ein volumetrisches Überwiegen der B2-Phase gegenüber der C14-Phase aufweisen
    Figure DE102017109156A1_0002
    VB2 = 100% – VC14 Gl. 2 mit:
    VmC14
    = Molvolumen [m3/mol] der C14-Phase
    VmB2
    = Molvolumen [m3/mol] der B2-Phase
    VC14
    = Volumenanteil [%] der C14-Phase
    VB2
    = Volumenanteil [%] der B2-Phase
    Xc
    = Stoffmengenanteil der Komponente C (für XC ist der Stoffmengenanteil der Komponente C in eutektischer Zusammensetzung einzusetzen VB2 -> VB2-eut)
  • iii. Sicherstellen das der der Volumenanteil der C14-Phase in folgenden Grenzen liegt: obere Grenze: VC14max = 90 vol.% des Gesamtvolumens untere Grenze: VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut)
    Figure DE102017109156A1_0003
The novel microstructures according to the invention are obtained when a method comprising the following steps is used:
  • i. Selection of one of the six basic systems consisting of three different metals, A, B and C. Where A is aluminum (Al), B is iron (Fe) or nickel (Ni) and C is tantalum (Ta), niobium (Nb) or titanium (Ti) NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl and TiFeAl. Where metals A and B (AlNi and AlFe) form a B2 phase and metals A and B and C form a C14 phase.
  • ii. Specification of the selection made in step i using Equation 1 (Equ. 1) and Equation 2 (Equ. 2) for those systems which, in eutectic composition, have a volumetric preponderance of the B2 phase relative to the C14 phase
    Figure DE102017109156A1_0002
    V B2 = 100% - V C14 Eq. 2 With:
    V mC14
    = Molar volume [m 3 / mol] of the C14 phase
    V mB2
    = Molar volume [m 3 / mol] of the B2 phase
    V C14
    = Volume fraction [%] of the C14 phase
    V B2
    = Volume fraction [%] of the B2 phase
    X c
    = Molar fraction of component C (for X C , the molar fraction of component C in eutectic composition is to be used V B2 -> V B2-eut )
  • iii. Ensure that the volume fraction of the C14 phase is within the following limits: Upper limit: V C14max = 90 vol.% Of the total volume lower limit: V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2ew )
    Figure DE102017109156A1_0003

Durch einsetzen von VC14max in Gl. 3 wird der maximale Stoffmengenanteil der Komponente C, XmaxC berechnet, durch einsetzen von VC14min in Gl. 4 wird der minimale Stoffmengenanteil der Komponente C, XminC berechnet. Die Gesamtzusammensetzung wird so gewählt, dass für den Stoffmengenanteil der Komponente C (XC) gilt: XminC < XC < XmaxC By using V C14max in Eq. 3, the maximum mole fraction of component C, X maxC is calculated by substituting V C14min in Eq. 4, the minimum mole fraction of component C, X minC is calculated. The total composition is chosen such that for the mole fraction of component C (X C ): X minC <X C <X maxC

Die Herstellung der Schmelze erfolgt nach dem Fachmann allgemein und im speziellen z.B. aus der EP 0 760 869 B1 und Lothar Machon „Untersuchung des Verformungsverhaltens hochschmelzender hexagonaler Laves-Phasen“ bekannten Methoden. Geeignet sind sowohl induktive Schwebeschmelzverfahren, Lichtbogenschmelzen und Elektronenstrahlschmelzverfahren als auch Tiegelschmelzverfahren mit anschließendem Abguss in eine beheizte Kokille. Zur Formgebung bieten sich pulvermetallurgische Verfahren, vornehmlich Sintern und heißisostatisches Pressen an. Die Metalle der Position A und B des erfindungsgemäßen Gefüges können bis zu 3 at.% durch das Element Chrom substituiert werden. Die Metalle der Position C können bis zu 3 at.% durch die Elemente Hafnium und/oder Zirkonium substituiert werden. The production of the melt takes place after the expert in general and in particular, for example from the EP 0 760 869 B1 and Lothar Machon "Investigation of the Deformation Behavior of High-Fusing Hexagonal Laves Phases". Suitable are both inductive Schweehmmelzverfahren, arc melting and electron beam melting and crucible melting with subsequent casting in a heated mold. Powder metallurgical processes, primarily sintering and hot isostatic pressing, are suitable for shaping. The metals of positions A and B of the structure according to the invention can be substituted up to 3 at.% By the element chromium. The metals of position C can be substituted up to 3 at.% By the elements hafnium and / or zirconium.

Bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten, erfindungsgemäßen Gefüge handelt es sich um 2 Phasige Systeme, bestehend aus einer vergleichsweise duktilen B2- und einer sehr harten/festen C14-Phase. Das Gefüge zeichnet sich dadurch aus, dass Ausscheidungen (Sowohl Erst- als auch Restausscheidungen) der C14-Phase in eine Matrix aus B2-Phase eingebettet sind. Extrem hohe Festigkeiten werden erreicht, wenn die (sehr feste) C14-Phase in der volumetrischen Zusammensetzung des Gefüges überwiegt und die (weniger feste) Matrix dadurch so „dünn“ ausfällt, dass äußere Belastungen in ihr (der Matrix) praktisch ausschließlich in hydrostatischem Druck resultieren. Die erfindungsgemäßen Gefüge sind geeignet als Werkstoffe, die eine hohe Festigkeit und eine hohe Warmfestigkeit erfordern. Solche Werkstoffe werden insbesondere zur Herstellung von hochtemperaturbelasteten Bauteilen von Gasturbinen, wie z.B. Gasturbinenschaufeln und in Gasturbinenflugtriebwerken benötigt. The microstructure according to the invention produced by the process according to the invention is 2-phase systems consisting of a comparatively ductile B2 and a very hard / solid C14 phase. The microstructure is characterized by the fact that precipitations (both primary and residual precipitates) of the C14 phase are embedded in a matrix of B2 phase. Extremely high strengths are achieved when the (very solid) C14 phase predominates in the volumetric composition of the microstructure, and the (less solid) matrix becomes so "thin" that external stresses in it (the matrix) are almost exclusively at hydrostatic pressure result. The microstructures according to the invention are suitable as materials which require high strength and high heat resistance. Such materials are used in particular for the production of high temperature loaded components of gas turbines, such as e.g. Gas turbine blades and in gas turbine aircraft engines needed.

Die erfindungsgemäßen Gefüge sind insbesondere als hochwarmfeste Werkstoffe für Gesenke zur Herstellung von Gegenständen, die eine hohe Festigkeit, eine hohe Warmfestigkeit erfordern geeignet. Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren als die Allgemeingültigkeit nicht einschränkend beispielhaft demonstriert. Gesucht sei ein Werkstoff für ein Schmiedegesenk zur Umformung von Hochtemperaturbauteilen. Beim Schmieden erreicht die Temperatur des Gesenks ca. 1300°C. Es werden die zwei Grund-Systeme NbNiAl und TaNiAl von den sechs möglichen Grund-Systemen NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl und TiFeAl, die eine B2-Phase (AlB) und eine C14-Phase (AlBC) bilden, behandelt. The microstructures according to the invention are particularly suitable as high-temperature-resistant materials for dies for the production of articles which require high strength and high heat resistance. In the following, the method according to the invention is demonstrated as the generality not restricting by way of example. We are looking for a material for a forging die for forming high-temperature components. During forging, the temperature of the die reaches about 1300 ° C. The two basic systems NbNiAl and TaNiAl are treated by the six possible basic systems NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl and TiFeAl, which form a B2 phase (AlB) and a C14 phase (AlBC).

System TaNiAl aus Schritt i: System TaNiAl from step i:

  • Das Molvolumen der C14-Phase des gewählten Grundsystems ist: VmC14 = 25,3 cm3/mol The molar volume of the C14 phase of the chosen basic system is: V mC14 = 25.3 cm 3 / mol
  • Das Molvulumen der entsprechenden B2-Phase: VmB2 = 14,7 cm3/mol The molar volume of the corresponding B2 phase: V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Erfindungsgemäße Gefüge stellen sich innerhalb folgender stöchiometrischer Grenzen ein:
Das Stoffmengenverhältnis von Nickel zu Aluminium (Ni/Al) reicht von 0,66 bis 1,1. Der Stoffmengenanteil von Tantal liegt zwischen 21 at% bzw. 22,8 at% (abhängig von Ni/Al) und 29,6 at%

  • • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 0,66: Hier ist der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung Xc = 8,8 at%. Dieses ist in , dem Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 0,66 zu erkennen. Es wird in Gl. 1 eingesetzt.
    Figure DE102017109156A1_0004
    Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 38,2% = 61,8% ergibt VB2eut = 61,8 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze.
  • • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 1,1: Hier ist der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung Xc = 11 at%. Dieses ist entnehmbar aus dem Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) von 1,1 ( )
  • • Es wird dieser Wert in Gl. 1 eingesetzt.
    Figure DE102017109156A1_0005
    Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 45,9% = 54,1% ergibt VB2eut = 54,1 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze.
  • • Der maximale Tantalgehalt wird nun nach Schritt iii berechnet. Gl. 3 liefert:
    Figure DE102017109156A1_0006
  • • Der minimale Tantalgehalt ergibt sich anhand der eutektischen Zusammensetzung: 1. Anwendung von Schritt iii für die untere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 0,66): VB2eut = 61,8 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 61,8 vol% + 1/3·(90 vol% – 61,8 vol%) = 71,2 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
    Figure DE102017109156A1_0007
    ergibt einen minimalen Stoffmengenanteil von Tantal von 22,8 at% 2. Anwendung von Schritt iii für die obere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 1,1): VB2eut = 54,5 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 54,5 vol% + 1/3·(90 vol% – 54,5 vol%) = 66,3 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
    Figure DE102017109156A1_0008
    ergibt einen minimalen Stoffmengenanteil von Tantal von 21 at%
Structures according to the invention are set within the following stoichiometric limits:
The molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al) ranges from 0.66 to 1.1. The mole fraction of tantalum is between 21 at% and 22.8 at% (depending on Ni / Al) and 29.6 at%
  • • Application of step ii for Ni / Al = 0.66: Here, the mole fraction of tantalum in eutectic composition is Xc = 8.8 at%. This is in , the state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 0.66 to recognize. It is reflected in Eq. 1 used.
    Figure DE102017109156A1_0004
    The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 38.2% = 61.8% V B2eut = 61.8 vol% and thus predominates in the residual melt.
  • • Application of step ii for Ni / Al = 1,1: Here, the mole fraction of tantalum in eutectic composition is Xc = 11 at%. This can be taken from the state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 1.1 ( )
  • • This value in Eq. 1 used.
    Figure DE102017109156A1_0005
    The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 45.9% = 54.1% V B2euter = 54.1 vol% and thus prevails in the residual melt.
  • • The maximum tantalum content is now calculated after step iii. Eq. 3 supplies:
    Figure DE102017109156A1_0006
  • • The minimum tantalum content is given by the eutectic composition: 1. Application of step iii for the lower limit of the molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al = 0.66): V B2eut = 61.8 vol% is added to the formula Calculation of the lower limit of the C14 volume fraction used: V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 61.8 vol% + 1/3 · (90 vol% - 61.8 vol%) = 71.2 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
    Figure DE102017109156A1_0007
    gives a minimum molar fraction of tantalum of 22.8 at%. 2. Application of step iii for the upper limit of molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al = 1.1): V B2eut = 54.5 vol% is expressed in the formula used to calculate the lower limit of the C14 volume fraction: V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 54.5 vol% + 1/3 · (90 vol% - 54.5 vol%) = 66.3 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
    Figure DE102017109156A1_0008
    gives a minimum mole fraction of tantalum of 21 at%

Im Folgenden werden beispielhaft vier Zusammensetzungen im System TaNiAl betrachtet. Zusammensetzungen mit einem höheren Ni- als Al-Gehalt (Beispiel 3 und 4) führen nicht zum erfindungsgemäßen Gefüge. Auch das mit höherem Al- als Ni-Gehalt hergestellte, untereutektische Beispiel 2 (VC14 < VC14min) führt nicht zum erfindungsgemäßen Gefüge. Das mit höherem Al- als Ni-Gehalt hergestellte, übereutektische Beispiel 1 (VC14 > VC14min) führt zum erfindungsgemäßen Gefüge. Four compositions in the system TaNiAl are considered below by way of example. Compositions with a higher Ni content than Al (Examples 3 and 4) do not lead to the structure according to the invention. Also, the hypoeutectic Example 2 (V C14 <V C14min ) prepared with a higher Al content than Ni content does not lead to the microstructure according to the invention. The hypereutectic Example 1 (V C14 > V C14min ) prepared with a higher Al content than Ni content leads to the microstructure according to the invention.

Hergestellt wurden die Beispielgefüge mittels mehrfachen Umschmelzens aus den reinen Komponenten in einer Lichtbogenschmelze. Die Gefügebilder sind REM-Aufnahmen im Sekundärelektronenbildverfahren. Zusammensetzungen wurden im REM mittels EDX ermittelt. The example structures were produced by means of multiple remelting from the pure components in an arc melt. The micrographs are SEM images in the secondary electron image method. Compositions were determined in the REM by EDX.

Beispiel 1 Ta22,5Ni35,9Al41,6 (Abb. 1 und Abb. 15) Erfindungsgemäßes Beispiel Example 1 Ta 22.5 Ni 35.9 Al 41.6 (Fig. 1 and Fig. 15) Example according to the invention

Schritt i Step i

  • Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Schritt ii Step ii

Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 0,85) bei 9,8 at% (Zustandsschaubild in ). Einsetzen in Gl. 1:

Figure DE102017109156A1_0009
Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 41,75% = 58,25% ergibt VB2eut = 58,25 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze. The mole fraction of tantalum in eutectic composition is in the composition mentioned above (Ni / Al = 0.85) at 9.8 at% (state diagram in ). Insertion in Eq. 1:
Figure DE102017109156A1_0009
The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 41.75% = 58.25% V B2eut = 58.25 vol% and thus predominates in the residual melt.

Schritt iii Step iii

Die obere Grenze für den Stoffmengenanteil von Tantal mit Gl. 3 berechnet:

Figure DE102017109156A1_0010
VB2eut = 58,25 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = 58,25 vol% + 1/3·(90 vol% – 58,25 vol%) = 68,8 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
Figure DE102017109156A1_0011
Der Stoffmengenanteil von Tantal (XC) mit 22,5 at% liegt somit innerhalb der Zulässigen Grenzen: 21,9 at% < XC < 29,6 at% The upper limit for the mole fraction of tantalum with Eq. 3 calculated:
Figure DE102017109156A1_0010
V B2eut = 58.25 vol% is used in the formula for calculating the lower limit of the C14 volume fraction: V C14min = 58.25 vol% + 1/3 x (90 vol% - 58.25 vol%) = 68.8 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
Figure DE102017109156A1_0011
The mole fraction of tantalum (X C ) at 22.5 at% is therefore within the permissible limits: 21.9 at% <X C <29.6 at%

Die Prüfung entsprechend Verfahrensschritt iii ergibt, dass hier die Bedingungen zur Bildung eines erfindungsgemäßen Gefüges erfüllt sind. Folglich bilden sich Erstausscheidungen der C14-Phase (helle Bereiche), umgeben von einer Matrix der B2-Phase (dunkle Bereiche). Erfindungsgemäßes Gefüge. The test according to method step iii shows that the conditions for forming a microstructure according to the invention are fulfilled here. Consequently, initial precipitates of the C14 phase (bright areas) are formed, surrounded by a matrix of the B2 phase (dark areas). Structure according to the invention.

Beispiel 2 Ta6,3Ni42,8Al50,9 (Abb. 6) Example 2 Ta 6.3 Ni 42.8 Al 50.9 (Fig. 6)

Schritt i Step i

  • Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Schritt ii Step ii

Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 0,84) bei 9,7 at% ( ). Einsetzen in Gl. 1:

Figure DE102017109156A1_0012
Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 41,4% = 58,6% ergibt VB2eut = 58,6 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze. The mole fraction of tantalum in eutectic composition is in the above composition (Ni / Al = 0.84) at 9.7 at% ( ). Insertion in Eq. 1:
Figure DE102017109156A1_0012
The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 41.4% = 58.6% V B2eut = 58.6 vol% and thus predominates in the residual melt.

Schritt iii Step iii

Die obere Grenze für den Stoffmengenanteil von Tantal mit Gl. 3 berechnet:

Figure DE102017109156A1_0013
VB2eut = 58,6 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = 58,6 vol% + 1/3·(90 vol% – 58,25 vol%) = 69 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
Figure DE102017109156A1_0014
Der Stoffmengenanteil von Tantal (XC) mit 6,3 at% liegt somit außerhalb der Zulässigen Grenzen: 22 at% < XC < 29,6 at% The upper limit for the mole fraction of tantalum with Eq. 3 calculated:
Figure DE102017109156A1_0013
V B2eut = 58.6 vol% is used in the formula for calculating the lower limit of the C14 volume fraction: V C14min = 58.6 vol% + 1/3 x (90 vol% - 58.25 vol%) = 69 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
Figure DE102017109156A1_0014
The mole fraction of tantalum (X C ) at 6.3 at% is thus outside the permitted limits: 22 at% <X C <29.6 at%

B2 überwiegt in der resteutektischen Zusammensetzung und bildet nach den Erstausscheidungen auch die Matrix. Die dunklen Bereiche (B2-Phase) sind miteinander verbunden und liegen nicht als einzelne „Inseln“ vor. Der Gesamtanteil der C14-Phase ist deutlich geringer als der der B2-Phase. zeigt das nicht erfindungsgemäße Gefüge aus Beispiel 2. B2 predominates in the resteutectic composition and forms after the Erstausscheidungen also the matrix. The dark areas (B2 phase) are connected to each other and are not present as single "islands". The overall proportion of the C14 phase is significantly lower than that of the B2 phase. shows the structure of Example 2 not according to the invention.

Beispiel 3 Ta8,5Ni49,5Al42 (Abb. 8) Example 3 Ta 8,5 Ni 49,5 Al 42 (Fig. 8)

Schritt i Step i

  • Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Schritt ii Step ii

Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 1,2) bei 14,5 at% ( ). Einsetzen in Gl. 1:

Figure DE102017109156A1_0015
Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 56,9% = 43,1% ergibt VB2eut = 43,1 vol% und überwiegt somit nicht in der Restschmelze. The mole fraction of tantalum in eutectic composition is in the above composition (Ni / Al = 1.2) at 14.5 at% ( ). Insertion in Eq. 1:
Figure DE102017109156A1_0015
The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 56.9% = 43.1% V B2eut = 43.1 vol% and thus does not predominate in the residual melt.

Die C14-Phase (helle Bereiche in der ) überwiegt in resteutektischer Zusammensetzung und bildet die Matrix. Es ist gut zu erkennen, dass die hellen Bereiche miteinander verbunden sind. Die B2-Erstausscheidungen (dunkle Bereiche) liegen als einzelne „Inseln“ vor. Nicht erfindungsgemäßes Gefüge. The C14 phase (bright areas in the ) predominates in a resteutectic composition and forms the matrix. It is good to see that the bright areas are connected. The B2 Erstausscheidungen (dark areas) exist as individual "islands". Non-inventive structure.

Beispiel 4 Ta24,3Ni41,3Al34,4 (Abb. 9) Example 4 Ta 24.3 Ni 41.3 Al 34.4 (Fig. 9)

Schritt i Step i

  • Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Schritt ii Step ii

Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 1,2) bei 14,5 at% ( ). Einsetzen in Gl. 1:

Figure DE102017109156A1_0016
Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 56,9% = 43,1% ergibt VB2eut = 43,1 vol% und überwiegt somit nicht in der Restschmelze. The mole fraction of tantalum in eutectic composition is in the above composition (Ni / Al = 1.2) at 14.5 at% ( ). Insertion in Eq. 1:
Figure DE102017109156A1_0016
The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 56.9% = 43.1% V B2eut = 43.1 vol% and thus does not predominate in the residual melt.

Übereutektische Zusammensetzung und größerem Nickel- als Aluminium-Anteil. Die eutektische Zusammensetzung der entsprechenden Konode weist einen Tantal Anteil von etwa 14,5at.% auf. Die C14-Phase überwiegt in der resteutektischen Zusammensetzung und bildet so neben den Erstausscheidungen auch die Matrix. Es ist in der gut zu erkennen, dass die hellen Bereiche (C14-Phase) miteinander verbunden sind und nicht als einzelne „Inseln“ vorliegen. Nicht erfindungsgemäßes Gefüge. Hypereutectic composition and greater nickel than aluminum content. The eutectic composition of the corresponding Konode has a tantalum content of about 14.5at%. The C14 phase predominates in the resteutectic composition and thus forms not only the initial precipitations but also the matrix. It is in the It is easy to see that the bright areas (C14 phase) are connected to each other and not as individual "islands". Non-inventive structure.

Zusammenfassend läßt sich hier die Erkenntnis ableiten, dass eine sich zu 100 at% ergänzende Zusammensetzung im System TaNiAl immer dann ein erfindungsgemäßes Gefüge bildet, wenn das Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 1,1 liegt und der Anteil an Tantal zwischen 21,0 at% und 29,6 at%. Also Ta21,0-29,6NiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 1,1 In summary, the conclusion can be drawn that a composition which adds up to 100 at% in the TaNiAl system always forms an inventive microstructure if the ratio of Ni to Al (Ni / Al) is between 0.66 and 1.1 and Proportion of tantalum between 21.0 at% and 29.6 at%. So Ta 21.0-29.6 NiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) between 0.66 and 1.1

In Formel läßt sich das folgendermaßen beschreiben: TaXcNiXbAlXa

Figure DE102017109156A1_0017
In formula this can be described as follows: Ta Xc Ni Xb Al Xa
Figure DE102017109156A1_0017

System NbNiAl aus Schritt i: System NbNiAl from step i:

  • Das Molvolumen der C14-Phase des gewählten Grundsystems ist: VmC14 = 25,7 cm3/mol The molar volume of the C14 phase of the chosen basic system is: V mC14 = 25.7 cm 3 / mol
  • Das Molvulumen der entsprechenden B2-Phase: VmB2 = 14,7 cm3/mol The molar volume of the corresponding B2 phase: V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Erfindungsgemäße Gefüge stellen sich innerhalb folgender stöchiometrischer Grenzen ein:
Das Stoffmengenverhältnis von Nickel zu Aluminium (Ni/Al) reicht von 0,66 bis 0,75. Der Stoffmengenanteil von Niob liegt zwischen 20,1 at% bzw. 21,6 at% (abhängig von Ni/Al) und 29,6 at%

  • • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 0,66: Hier ist der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung Xc = 10 at% ( ). Entsprechend Schritt ii wird dieser Wert in Gl. 1 eingesetzt.
    Figure DE102017109156A1_0018
    Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 42,8% = 57,2% ergibt VB2eut = 57,2 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze.
  • • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 0,75: Hier ist der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung Xc = 12 at% ( ). Entsprechend Schritt ii wird dieser in Gl. 1 eingesetzt.
    Figure DE102017109156A1_0019
    Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 49,2% = 50,8% ergibt VB2eut = 50,8 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze.
  • • Der maximale Stoffmengenanteil von Niob wird nach Schritt iii berechnet. Gl. 3 liefert:
    Figure DE102017109156A1_0020
  • • Der minimale Niobgehalt ergibt sich anhand der eutektischen Zusammensetzung: 3. Anwendung von Schritt iii für die untere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 0,66): VB2eut = 57,2 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 57,2 vol% + 1/3·(90 vol% – 57,2 vol%) = 68,1 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
    Figure DE102017109156A1_0021
    ergibt einen minimalen Stoffmengenanteil von Niob von 21,6 at% 4. Anwendung von Schritt iii für die obere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 0,75): VB2eut = 50,8 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 50,8 vol% + 1/3·(90 vol% – 50,8 vol%) = 63,9 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
    Figure DE102017109156A1_0022
    ergibt einen minimalen Stoffmengenanteil von Niob von 20 at%
Structures according to the invention are set within the following stoichiometric limits:
The molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al) ranges from 0.66 to 0.75. The mole fraction of niobium is between 20.1 at% and 21.6 at% (depending on Ni / Al) and 29.6 at%
  • • Application of step ii for Ni / Al = 0.66: Here, the mole fraction of niobium in eutectic composition is Xc = 10 at% ( ). According to step ii, this value is calculated in Eq. 1 used.
    Figure DE102017109156A1_0018
    The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 42.8% = 57.2% V B2eut = 57.2 vol% and thus outweighs in the residual melt.
  • • Application of step ii for Ni / Al = 0.75: Here, the mole fraction of niobium in eutectic composition is Xc = 12 at% ( ). According to step ii, this is in Eq. 1 used.
    Figure DE102017109156A1_0019
    The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 49.2% = 50.8% gives V B2eut = 50.8 vol% and thus prevails in the residual melt.
  • • The maximum mole fraction of niobium is calculated after step iii. Eq. 3 supplies:
    Figure DE102017109156A1_0020
  • • The minimum niobium content is given by the eutectic composition: 3. Application of step iii for the lower limit of the molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al = 0.66): V B2eut = 57.2 vol% is added to the formula Calculation of the lower limit of the C14 volume fraction used: V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 57.2 vol% + 1/3 · (90 vol% - 57.2 vol%) = 68.1 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
    Figure DE102017109156A1_0021
    gives a minimum molar fraction of niobium of 21.6 at%. 4. Application of step iii for the upper limit of molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al = 0.75): V B2eut = 50.8 vol% is expressed in the formula used to calculate the lower limit of the C14 volume fraction: V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 50.8 vol% + 1/3 · (90 vol% - 50.8 vol%) = 63.9 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
    Figure DE102017109156A1_0022
    gives a minimum mole fraction of niobium of 20 at%

Im Folgenden werden zwei Beispiele im System NbNiAl betrachtet. Hergestellt wurden die Legierungen mittels mehrfachen Umschmelzens aus den reinen Komponenten in einer Lichtbogenschmelze. Die Gefügebilder sind REM-Aufnahmen im Sekundärelektronenbildverfahren. Zusammensetzungen wurden im REM mittels EDX ermittelt. Here are two examples in the NbNiAl system. The alloys were produced by multiple remelting from the pure components in an arc melt. The micrographs are SEM images in the secondary electron image method. Compositions were determined in the REM by EDX.

Beispiel 5 Zusammensetzung Nb24,3Ni30Al44,7 (Abb. 12) Example 5 Composition Nb 24.3 Ni 30 Al 44.7 (Fig. 12)

Schritt i Step i

  • Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Nb VmC14 = 25,7 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Nb V mC14 = 25.7 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Schritt ii Step ii

Der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 0,67) bei 10 at% ( ). Einsetzen in Gl. 1:

Figure DE102017109156A1_0023
Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 42,8% = 57,2% ergibt VB2eut = 57,2 vol% und überwiegt somit in der Restschmelze. The molar fraction of niobium in eutectic composition is in the above-mentioned composition (Ni / Al = 0.67) at 10 at% ( ). Insertion in Eq. 1:
Figure DE102017109156A1_0023
The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 42.8% = 57.2% V B2eut = 57.2 vol% and thus outweighs in the residual melt.

Schritt iii Step iii

Die obere Grenze für den Stoffmengenanteil von Niob mit Gl. 3 berechnet:

Figure DE102017109156A1_0024
VB2eut = 57,2 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt: VC14min = 57,2 vol% + 1/3·(90 vol% – 57,2 vol%) = 68,1 vol%. Die so erhaltene untere Grenze des Volumenanteils wird in Gl. 4 eingesetzt:
Figure DE102017109156A1_0025
Der Stoffmengenanteil von Niob (XC) mit 24,3 at% liegt somit innerhalb der Zulässigen Grenzen: 21,6 at% < XC < 29,5 at% The upper limit for the mole fraction of niobium with Eq. 3 calculated:
Figure DE102017109156A1_0024
V B2eut = 57.2 vol% is used in the formula for calculating the lower limit of the C14 volume fraction: V C14min = 57.2 vol% + 1/3 x (90 vol% - 57.2 vol%) = 68.1 vol%. The lower limit of the volume fraction thus obtained is given in Eq. 4 used:
Figure DE102017109156A1_0025
The mole fraction of niobium (X C ) at 24.3 at% is therefore within the permissible limits: 21.6 at% <X C <29.5 at%

Bei deutlich übereutektischer Zusammensetzung bilden sich große C14-Erstausscheidungen (helle Phase). Aufgrund des größeren Aluminium- als Nickel-Anteils überwiegt im Resteutektikum die B2-Phase (dunkle Phase) und bildet so die Matrix. Der C14-Anteil des Resreutektikums ist aufgrund heterogener Keimbildung überwiegend an die C14-Erstausscheidungen angelagert. Das erfindungsgemäße Gefüge ist in der REM Aufnahme in zu erkennen. Significantly over-eutectic composition forms large C14 Erstausscheidungen (light phase). Due to the larger proportion of aluminum than nickel, the B2 phase (dark phase) predominates in the resteutectic and thus forms the matrix. Due to heterogeneous nucleation, the C14 portion of the resreutectic is predominantly attached to the C14 initial precipitates. The microstructure according to the invention is in the REM recording in to recognize.

Beispiel 6 Nb13,4Ni45,9Al40,7 (Abb. 13) Example 6 Nb 13.4 Ni 45.9 Al 40.7 (Fig. 13)

Schritt i Step i

  • Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Nb VmC14 = 25,7 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Nb V mC14 = 25.7 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol

Schritt ii Step ii

Der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 1,12) bei 14,3 at%. Einsetzen in Gl. 1:

Figure DE102017109156A1_0026
Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet. VB2 = 100% – 56,8% = 43,2% ergibt VB2eut = 43,2 vol% und überwiegt somit nicht in der Restschmelze. The mole fraction of niobium in eutectic composition is in the above composition (Ni / Al = 1.12) at 14.3 at%. Insertion in Eq. 1:
Figure DE102017109156A1_0026
The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated. V B2 = 100% - 56.8% = 43.2% V B2eut = 43.2 vol% and thus does not predominate in the residual melt.

Bei untereutektischer Zusammensetzung bilden sich große B2-Erstausscheidungen (dunkle Phase). Aufgrund des größeren Nickel- als Aluminium-Anteils überwiegt im Resteutektikum die C14-Phase (helle Phase) und bildet so die Matrix. Das nicht erfindungsgemäße Gefüge ist in der REM Aufnahme in zu erkennen. With hypoeutectic composition, large initial B2 precipitations form (dark phase). Due to the larger proportion of nickel than aluminum, the C14 phase (light phase) predominates in the Resteutikumikum and thus forms the matrix. The non-inventive structure is in the REM recording in to recognize.

Es läßt sich hier zusammenfassend für das System NbNiAl sagen, dass sich ein erfindungsgemäßes Gefüge bildet, wenn sich die zu 100 at% ergänzende atomare Zusammensetzung ein Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 0,75 aufweist und der Anteil an Nb zwischen 20 at% und 29,5 at% liegt. In Formel lässt sich diese Erkenntnis folgendermaßen ausdrücken: NbXcNiXbAlXa

Figure DE102017109156A1_0027
It can be summarized here for the system NbNiAl say that forms an inventive structure when the atomic composition supplementing 100 at% has a ratio of Ni to Al (Ni / Al) between 0.66 and 0.75 and the Proportion of Nb is between 20 at% and 29.5 at%. In formula, this finding can be expressed as follows: Nb Xc Ni Xb Al Xa
Figure DE102017109156A1_0027

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 60024189 T2 [0007] DE 60024189 T2 [0007]
  • DE 2521563 A1 [0008] DE 2521563 A1 [0008]
  • EP 0760869 B1 [0009, 0038] EP 0760869 B1 [0009, 0038]
  • DE 102013214767 A1 [0010] DE 102013214767 A1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Druckschrift Gerhard Sauthoff „Intermetallics“ ISBN: 978-3-527-61540-7 [0006] Publication Gerhard Sauthoff "Intermetallics" ISBN: 978-3-527-61540-7 [0006]

Claims (8)

Gefüge aus intermetallischen B2- und C14-Phasen, dadurch gekennzeichnet, dass – die primär ausgeschiedene C14-Phase im Wesentlichen nicht miteinander verbundene Bereiche (Inseln) bildet, – die Inseln der C14-Phase von der B2-Phase umschlossen sind, – das Gesamtvolumen der C14-Phase im Gefüge gegenüber dem der B2-Phase überwiegt. Structure of intermetallic B2 and C14 phases, characterized in that - the primary precipitated C14 phase forms substantially non-interconnected regions (islands), - the islands of the C14 phase are enclosed by the B2 phase, - the total volume the C14 phase in the structure outweighs that of the B2 phase. Verfahren zur Herstellung des/der Gefüge gemäß Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: i. Auswahl eines der sechs Grundsysteme NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl und TiFeAl bestehend aus drei verschiedenenen Metallen, A, B und C. Wobei A Aluminium (Al), B Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) und C Tantal (Ta), Niob (Nb) oder Titan (Ti) ist, wobei die Metalle A und B (AlNi und AlFe) eine B2-Phase und die Metalle A und B und C eine C14-Phase bilden. ii. Spezifizierung der in Schritt i getroffenen Auswahl anhand von Gleichung 1 (Gl.1) und Gleichung 2 (Gl.2) auf solche Systeme, welche in eutektischer Zusammensetzung ein volumetrisches Überwiegen der B2-Phase gegenüber der C14-Phase aufweisen
Figure DE102017109156A1_0028
VB2 = 100% – VC14 Gl. 2 mit: VmC14 = Molvolumen [m3/mol] der C14-Phase VmB2 = Molvolumen [m3/mol] der B2-Phase VC14 = Volumenanteil [%] der C14-Phase VB2 = Volumenanteil [%] der B2-Phase Xc = Stoffmengenanteil der Komponente C (für XC ist der Stoffmengenanteil der Komponente C in eutektischer Zusammensetzung einzusetzen VB2 -> VB2eut) iii. Sicherstellen anhand von Gleichung 3 (Gl.3) und Gleichung 4 (Gl.4), das der Volumenanteil der C14-Phase in folgenden Grenzen liegt: obere Grenze: VC14max = 90 vol.% des Gesamtvolumens untere Grenze: VC14min = VB2-eut + 1/3·(VC14max – VB2eut)
Figure DE102017109156A1_0029
wobei für den Stoffmengenanteil der Komponente C (XC) gilt: XminC < XC < XmaxC
A method of making the structure of claim 1, comprising the following steps: i. Select one of the six basic systems NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl and TiFeAl consisting of three different metals, A, B and C. Where A is aluminum (Al), B is iron (Fe) or nickel (Ni) and C is tantalum (Ta ), Niobium (Nb) or titanium (Ti), wherein metals A and B (AlNi and AlFe) form a B2 phase and metals A and B and C form a C14 phase. ii. Specification of the selection made in step i using Equation 1 (Equ. 1) and Equation 2 (Equ. 2) for those systems which, in eutectic composition, have a volumetric preponderance of the B2 phase relative to the C14 phase
Figure DE102017109156A1_0028
V B2 = 100% - V C14 Eq. 2 with: V mC14 = molar volume [m 3 / mol] of the C14 phase V mB2 = molar volume [m 3 / mol] of the B2 phase V C14 = volume fraction [%] of the C14 phase V B2 = volume fraction [%] of the B2 Phase X c = molar fraction of component C (for X C the molar fraction of component C in eutectic composition is to be used V B2 -> V B2eut ) iii. To ensure that the volume fraction of the C14 phase is within the following limits using equation 3 (equation 3) and equation 4 (equation 4): upper limit: V C14max = 90 vol.% Of the total volume lower limit: V C14min = V B2-eut + 1/3 · (V C14max -V B2eut )
Figure DE102017109156A1_0029
where the molar fraction of component C (X C ) is: X minC <X C <X maxC
Gefüge nach Anspruch 1 oder hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es von den Metallen Aluminium, Nickel und Tantal (TaNiAl) oder Aluminium, Nickel und Niob (NbNiAl) gebildet wird. Microstructure according to claim 1 or prepared according to the method of claim 2, characterized in that it is formed by the metals aluminum, nickel and tantalum (TaNiAl) or aluminum, nickel and niobium (NbNiAl). Gefüge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zu 100 at% ergänzende atomare Zusammensetzung Ta21,0-29,6NiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 1,1 oder Nb20-29,5 NiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 0,75 beträgt. Microstructure according to Claim 3, characterized in that the atomic composition Ta 21.0-29.6 NiAl , which is complementary to 100 at%, has a ratio of Ni to Al (Ni / Al) between 0.66 and 1.1 or Nb 20-29.5 NiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) is between 0.66 and 0.75. Gefüge nach Anspruch 3 und 4, wobei die beiden Systeme TaNiAl und NbNiAl die folgende Zusammensetzung aufweisen, TaXcNiXbAlXa
Figure DE102017109156A1_0030
NbXcNiXbAlXa
Figure DE102017109156A1_0031
Microstructure according to claim 3 and 4, wherein the two systems TaNiAl and NbNiAl have the following composition, Ta Xc Ni Xb Al Xa
Figure DE102017109156A1_0030
Nb Xc Ni Xb Al Xa
Figure DE102017109156A1_0031
Gefüge nach Anspruch 3, 4 und 5, wobei die beiden Systeme TaNiAl und NbNiAl die folgende Zusammensetzung aufweisen: Ta22,5Ni35,9Al41,6 Nb24,3Ni30Al44,7 Microstructure according to claim 3, 4 and 5, wherein the two systems TaNiAl and NbNiAl have the following composition: Ta 22.5 Ni 35.9 Al 41.6 Nb 24.3 Ni 30 Al 44.7 Verwendung des Gefüges nach einem der vorangegangenen Ansprüche als hochtemperaturbelastetes Bauteil einer Gasturbine. Use of the structure according to one of the preceding claims as a high temperature loaded component of a gas turbine. Verwendung des Gefüges nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1, 3, 4, 5 und 6 als hochwarmfester Werkstoff für Gesenke zur Herstellung von Gegenständen, die eine hohe Festigkeit, eine hohe Warmfestigkeit erfordern. Use of the structure according to one of the preceding claims 1, 3, 4, 5 and 6 as a high-temperature material for dies for the production of articles which require high strength, high heat resistance.
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Title
Druckschrift Gerhard Sauthoff „Intermetallics" ISBN: 978-3-527-61540-7

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