DE10224722C1 - Hochfeste, plastisch verformbare Formkörper aus Titanlegierungen - Google Patents
Hochfeste, plastisch verformbare Formkörper aus TitanlegierungenInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochfeste und bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Titanlegierungen zu schaffen, die gegenüber den metallischen Gläsern makroskopische Plastizität sowie Verformungsverfestigung aufweisen, ohne dass dadurch andere Eigenschaften, wie Bruchfestigkeit, elastische Dehnung oder das Korrosionsverhalten wesentlich beeinträchtigt werden. DOLLAR A Die erfindungsgemäßen Formkörper sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Werkstoff bestehen, der in seiner Zusammensetzung der Formel DOLLAR A Ti¶a¶ E1¶b¶ E2¶c¶ E3¶d¶ E4¶e¶ DOLLAR A entspricht, worin E1 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y gebildeten Gruppe besteht, E2 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Cu, Au, Ag, Pd und Pt gebildeten Gruppe besteht, E3 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ni, Co, Fe, Zn, Mn gebildeten Gruppe besteht und E4 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb und Sb gebildeten Gruppe besteht, mit a = 100-(b + c + d + e), b = 0 bis 20, c = 5 bis 30, d = 5 bis 30, e = 1 bis 15 (a, b, c, d, e in Atom-%). Die Formkörper besitzen eine homogene Mikrostruktur, hauptsächlich bestehend aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer kubisch-raumzentrierter (krz)-Phase. Eine dritte Phase kann mit geringem Volumenanteil vorhanden sein. DOLLAR A Derartige Formkörper sind ...
Description
Die Erfindung betrifft hochfeste und bei Raumtemperatur
plastisch verformbare Formkörper aus Titanlegierungen.
Derartige Formkörper sind einsetzbar als hochbeanspruchte
Bauteile z. B. in der Flugzeugindustrie, der Raumfahrt und
der Fahrzeugindustrie, aber auch für medizintechnische Geräte
und Implantate im medizinischen Bereich, wenn hohe
Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit, die
Korrosionsbeständigkeit und die Oberflächenbeanspruchung
insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen gestellt
werden.
Bekannt ist, dass bestimmte mehrkomponentige metallische
Werkstoffe durch rasche Erstarrung in einen metastabilen
glasartigen Zustand überführt werden können (metallische
Gläser), um vorteilhafte (z. B. weichmagnetische,
mechanische, katalytische) Eigenschaften zu erhalten. Meist
sind diese Werkstoffe wegen der erforderlichen Abkühlrate der
Schmelze nur mit geringen Abmessungen in mindestens einer
Dimension z. B. dünne Bänder oder Pulver herstellbar. Damit
sind sie als massiver Konstruktionswerkstoff nicht geeignet
(siehe z. B. T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8-
16).
Bekannt sind bestimmte Zusammensetzungsbereiche
mehrkomponentiger Legierungen, in denen solche metallische
Gläser auch in massiver Form, z. B. mit Abmessungen < 1 mm,
durch Gießverfahren hergestellt werden können. Solche
Legierungen sind z. B. Pd-Cu-Si, Pd40Ni40P20, Zr-Cu-Ni-Al, La-
Al-Ni-Cu (siehe z. B. T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180
(1994) 8-16 und W. L. Johnson in Mater. Sci. Forum Vol. 225-
227, S. 35-50, Transtec Publications 1996, Switzerland).
Bekannt sind insbesondere metallische Gläser mit
Zusammensetzungen der chemischen Formeln Ti50Ni25Cu25, Ti-Be-
Zr, Ti-Ni-Cu-Al und Ti-Zr-Ni-Cu, welche < 1 mm hergestellt
werden können (A. Inoue et al., Mater. Lett. 19,131 (1994), K.
Amiya et al., Mater. Sci. Eng. A179/A180,692 (1994), L. E.
Tanner et al., Scr. Met. 11, 1727 (1977), and D. V. Louzguine
et al., J. Mater. Res. 14, 4426 (1999)).
Weiterhin bekannt sind metallische Glas-Formkörper in allen
ihren Dimensionen < 1 mm in bestimmten
Zusammensetzungsbereichen der quaternären Ti-Cu-Ni-Sn-
Legierungen (T. Zhang und A. Inoue, Mater. Trans., JIM 39,
1001 (1998)).
Bekannt ist eine Zusammensetzung für eine mehrkomponentige
berylliumhaltige Legierung mit der chemischen Formel (Zr100-a-
bTiaNbb)75 (BexCuyNiz)25. Dabei bezeichnen die Koeffizienten a,
b die Elementanteile in Atom-% mit a = 18,34; b = 6,66 und
die Koeffizienten x, y, z bezeichnen die Verhältnisanteile in
Atom-% mit x : y : z = 9 : 5 : 4. Diese Legierung ist
zweiphasig, sie besitzt eine hochfeste, spröde glasartige
Matrix und eine duktile, plastisch verformbare dendritische
krz-Phase. Dadurch tritt eine erhebliche Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur ein, besonders
im Bereich der makroskopischen Dehnung (C. C. Hays, C. P. Kim
und W. L. Johnson, Phys. Rev. Lett. 84, 13, p. 2901-2904,
(2000)).
Zweiphasige Titanlegierungen mit einer hochfesten glasartigen
Matrix und darin eingebetteter duktiler, plastisch
verformbarer dendritischer krz-Phase konnten bisher nicht
hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochfeste und
plastisch verformbare Formkörper aus Titanlegierungen zur
Verfügung zu stellen, die gegenüber den genannten
metallischen Gläsern makroskopische Plastizität und
Verformungsverfestigung bei Umformprozessen bei
Raumtemperatur besitzen, ohne dass dadurch andere
Eigenschaften, wie Festigkeit, elastische Dehnung oder das
Korrosionsverhalten, wesentlich beeinträchtigt werden.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen
angegebenen hochfesten Formkörpern gelöst.
Die erfindungsgemäßen Formkörper sind dadurch gekennzeichnet,
dass diese aus einem Werkstoff bestehen, der in seiner
Zusammensetzung der Formel
Tia E1b E2c E3d E4e
entspricht, worin
E1 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y gebildeten Gruppe,
E2 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Cu, Au, Ag, Pd und Pt gebildeten Gruppe,
E3 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ni, Co, Fe, Zn, Mn gebildeten Gruppe und
E4 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb und Sb gebildeten Gruppe
besteht, mit
a = 100 - (b + c + d + e)
b = 0 bis 20
c = 5 bis 30
d = 5 bis 30
e = 1 bis 15
(a, b, c, d, e in Atom-%)
und mit gegebenenfalls geringen, herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen.
E1 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y gebildeten Gruppe,
E2 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Cu, Au, Ag, Pd und Pt gebildeten Gruppe,
E3 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ni, Co, Fe, Zn, Mn gebildeten Gruppe und
E4 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb und Sb gebildeten Gruppe
besteht, mit
a = 100 - (b + c + d + e)
b = 0 bis 20
c = 5 bis 30
d = 5 bis 30
e = 1 bis 15
(a, b, c, d, e in Atom-%)
und mit gegebenenfalls geringen, herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen.
Dabei weisen die Formkörper ein Gefüge mit einer homogenen
Mikrostruktur auf, hauptsächlich bestehend aus einer
glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin
eingebetteter duktiler dendritischer krz(kubisch
raumzentrierter)-Phase. Das Auftreten einer dritten Phase mit
geringem Volumenanteil von maximal 10% ist möglich.
Zur Realisierung besonders vorteilhafter Eigenschaften sollte
der Werkstoff der Zusammensetzung TiaCucNidSne entsprechen,
mit a = 45-55, c = 20-25, d = 15-25 und e = 5-10 (Anteile in
Atom-%).
Der Volumenanteil der gebildeten dendritischen krz-Phase in
der Matrix beträgt erfindungsgemäß 20 bis 90%, vorzugsweise
50 bis 70%. Die Länge der Primär-Dendritenachsen liegt im
Bereich von 1-100 µm und der Radius der Primär-Dendriten
beträgt 0,2-2 µm.
Zur Herstellung der Formkörper wird durch Gießen der Titan-
Legierungsschmelze in eine Kupferkokille das fertige Gußteil
hergestellt.
Der Nachweis der dendritischen krz-Phase in der glasartigen
oder nanokristallinen Matrix und die Bestimmung der Größe und
des Volumenanteils der dendritischen Ausscheidungen kann über
Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie oder
Transmissionselektronenmikroskopie erfolgen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Beispielen näher
erläutert.
Eine Legierung mit der Zusammensetzung Ti50Cu23Ni20Sn7
(Zahlenangaben in Atom-%) wird in eine zylinderförmige
Kupferkokille mit Innendurchmesser 3 mm abgegossen. Der
erhaltene Formkörper besteht aus einer teils glasartigen,
teils nanokristallinen Matrix und darin eingebetteter
duktiler krz-Phase. Der Volumenanteil der dendritischen Phase
wird zu 50% abgeschätzt. Dadurch wird eine Bruchdehnung von
7,5% bei einer Bruchfestigkeit von 2010 MPa erreicht. Die
elastische Dehnung an der technischen Streckgrenze (0,2%
Dehngrenze) beträgt 2,5% bei einer Festigkeit von 1190 MPa.
Der Elastizitätsmodul beträgt 85,8 GPa.
Eine Legierung mit der Zusammensetzung Ti60Ta10Cu14Ni12Sn4
(Zahlenangaben in Atom-%) wird in eine zylinderförmige
Kupferkokille mit Innendurchmesser 3 mm abgegossen. Der
erhaltene Formkörper besteht aus einer teils glasartigen,
teils nanokristallinen Matrix und darin eingebetteter
duktiler krz-Phase. Der Volumenanteil der dendritischen Phase
wird zu 60% abgeschätzt. Dadurch wird eine Bruchdehnung von
3,0% bei einer Bruchfestigkeit von 2200 MPa erreicht. Die
elastische Dehnung an der technischen Streckgrenze (0,2%
Dehngrenze) beträgt 1,0% bei einer Festigkeit von 1900 MPa.
Der Elastizitätsmodul beträgt 95,5 GPa.
Claims (4)
1. Hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare
Formkörper aus Titanlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Formkörper aus einem Werkstoff bestehen, der in seiner
Zusammensetzung der Formel
Tia E1b E2c E3d E4e
entspricht, worin
E1 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y gebildeten Gruppe,
E2 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Cu, Au, Ag, Pd und Pt gebildeten Gruppe,
E3 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ni, Co, Fe, Zn, Mn gebildeten Gruppe und
E4 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb und Sb
gebildeten Gruppe
besteht, mit
a = 100 - (b + c + d + e)
b = 0 bis 20
c = 5 bis 30
d = 5 bis 30
e = 1 bis 15
(a, b, c, d, e in Atom-%) und mit gegebenenfalls geringen, herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen,
und dass die Formkörper ein Gefüge mit einer homogenen Mikrostruktur aufweisen, hauptsächlich bestehend aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer krz(kubisch raumzentrierter)-Phase, wobei mit einem geringem Volumenanteil von maximal 10% eine dritte Phase enthalten sein kann.
Tia E1b E2c E3d E4e
entspricht, worin
E1 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y gebildeten Gruppe,
E2 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Cu, Au, Ag, Pd und Pt gebildeten Gruppe,
E3 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Ni, Co, Fe, Zn, Mn gebildeten Gruppe und
E4 aus einem Element oder mehreren Elementen der mit den Elementen Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb und Sb
gebildeten Gruppe
besteht, mit
a = 100 - (b + c + d + e)
b = 0 bis 20
c = 5 bis 30
d = 5 bis 30
e = 1 bis 15
(a, b, c, d, e in Atom-%) und mit gegebenenfalls geringen, herstellungstechnisch bedingten Zusätzen und Verunreinigungen,
und dass die Formkörper ein Gefüge mit einer homogenen Mikrostruktur aufweisen, hauptsächlich bestehend aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer krz(kubisch raumzentrierter)-Phase, wobei mit einem geringem Volumenanteil von maximal 10% eine dritte Phase enthalten sein kann.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff eine Zusammensetzung mit b = 0-15, c = 20-25,
d = 15-25 und e = 5-10 (Atom-%) aufweist.
3. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Volumenanteil der gebildeten dendritischen krz-Phase in
der Matrix 20 bis 90%, vorzugsweise 50 bis 70% beträgt.
4. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Länge der Primär-Dendritenachsen im Bereich von 1-100 µm
liegt und der Radius der Primär-Dendriten 0,2-2 µm beträgt.
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