DE10228924C1

DE10228924C1 - Pulvermetallurgisch durch Reaktionssintern hergestelltes Bauteil aus einem Titanaluminid-Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10228924C1
Application number: DE2002128924
Authority: DE
Inventors: Bernd Kieback; Alexander Boehm; Thomas Weisgaerber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2022-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch durch Reaktionssintern hergestelltes Bauteil aus einem Titanaluminid-Werkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung. Mit der Erfindung soll aufgabengemäß ein Bauteil aus einem Titanaluminid-Werktoff hergestellt werden, das gute mechanische und thermische Eigenschaften aufweist, wobei insbesondere ein verbessertes duktiles Verhalten erreicht werden soll. Erfindungsgemäß ist hierzu im pulvermetallurgisch durch Reaktionssintern hergestellten Bauteil aus dem Titanaluminid-Werkstoff Sauerstoff als bei einer thermischen Behandlung und/oder beim Sintern gebildetes Oxid mindestens eines weiteren Elementes im Titanaluminid-Werkstoff eingebettet, wobei der im Werkstoff enthaltene Sauerstoffanteil < 0,1 Masse-% ist.

Description

Die Erfindung betrifft pulvermetallurgisch durch Re aktionssintern hergestellte Bauteile aus einem Ti tanaluminid-Werkstoff sowie ein entsprechend geeigne tes Herstellungsverfahren.

Neben anderen intermetallischen Werkstoffen sind Ti tanaluminide insbesondere wegen ihrer thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie der gegenüber ande ren metallischen Werkstoffen relativ geringen Dichte für die verschiedensten Einsatzzwecke interessant. So kann ein Einsatz vorteilhaft für verschiedenste Bau teile von Verbrennungskraftmaschinen erfolgen.

Für die Herstellung solcher Bauteile aus einem Ti tanaluminid-Werkstoff sind an sich bekannte schmelz metallurgische Verfahren, wie beispielsweise die In got-Metallurgie oder das Feingießen bekannt. Wegen der Eigenschaften der verwendeten Ausgangselemente Titan und Aluminium sind diese schmelzmetallurgischen Verfahren insbesondere auch wegen aufwendiger nach folgender Umformverfahrensschritte kostenintensiv.

Letzteres trifft besonders auf das in der Regel er forderliche mechanische Umformen zu.

Es sind auch Ansätze bekannt, wie solche Bauteile aus einem Titanaluminid-Werkstoff aus entsprechenden pul verförmigen Ausgangsmaterialien durch heißisostati sches Pressen hergestellt werden können. Hierbei sind wiederum erhöhte Kosten, die durch dieses Verfahren hervorgerufen werden und außerdem eine Gefügeausbil dung im Titanaluminid-Werkstoff zu verzeichnen, die die gewünschten Eigenschaften der entsprechenden Bau teile nachteilig beeinflussen.

Erfolgt dagegen die Herstellung entsprechender Bau teile durch druckloses Reaktionssintern, sind zwar die Herstellungskosten entsprechend reduziert, aber insbesondere durch die hohe Affinität von Titan und Aluminium zu Sauerstoff, weisen die so hergestellten Bauteile einen erhöhten Sauerstoffanteil auf, der sich insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften (insbesondere Duktilität) nachteilig auswirkt. Die durch druckloses Reaktionssintern hergestellten Bau teile aus einem Titanaluminid-Werkstoff sind relativ spröde und weisen nahezu keine Duktilität auf, so dass sich dies sowohl beim tatsächlichen Einsatz der Bauteile, wie auch bei einer möglicherweise erforder lichen nachfolgenden formgebenden spanlosen aber auch zerspanenden Bearbeitung ungünstig auswirkt.

Durch druckloses Reaktionssintern lassen sich auf be kanntem Wege nahezu keine Bauteile aus einem entspre chenden Werkstoff herstellen, dessen Sauerstoffgehalt unterhalb einer kritischen Grenze von 0,1 Masse-% liegt. Um dies zu vermeiden, müssten höchstreine Aus gangspulver eingesetzt und die Sinterung unter nahezu vollständigem Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt werden, so dass dadurch wiederum eine entsprechende Kostenerhöhung zu verzeichnen wäre, um die Nachteile durch nicht chemisch gebundenen Sauerstoff im Titana luminid zu vermeiden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil aus einem Titanaluminid-Werkstoff auf pulvermetallurgi schem Wege durch Sinterung herstellen zu können, bei dem der Kostenaufwand für die Herstellung reduziert ist und das Bauteil mit dem Titanaluminid-Werkstoff gute mechanische und thermische Eigenschaften auf weist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für ein erfindungsgemäßes Bauteil und für ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildung der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Bauteil aus einem Titanaluminid- Werkstoff zeichnet sich gegenüber dem Stand der Tech nik dadurch aus, dass die Herstellung im Wesentlichen durch drucklose Sinterung erfolgt und der bis dato kritische, die Eigenschaften des Titanaluminid- Werkstoffes nachteilig beeinflussende Anteil an Sau erstoff, nunmehr als Oxid mindestens eines weiteren Elementes innerhalb des Titanaluminid-Werkstoffes eingebettet ist, wobei die Oxidbildung während des Sinterns, einer thermischen und/oder mechanischen Be handlung erfolgt.

In der Oxidform können deutlich höhere Sauerstoffan teile innerhalb eines Titanaluminid-Werkstoffes tole riert werden, wobei die thermischen und mechanischen Eigenschaften zumindest nicht negativ beeinflusst und häufig sogar verbessert werden können.

Der Sauerstoffanteil im Titanaluminid-Werkstoff soll oberhalb 0,1 Masse-%, aber auch höher gehalten sein, ohne die bisher nachteilige Einflüsse auf die Eigen schaften eines solchen Werkstoffen hervorzurufen.

Vorteilhafterweise sind die gebildeten Oxide in Korn form ausgebildet und diskret innerhalb der Titanalu minid-Matrix eingebettet.

Dabei sollten diese kornförmigen Oxide diskret an Titanaluminid-Korngrenzen angeordnet und von der Titanaluminid-Werkstoffmatrix umgeben sein.

Für die Oxidbildung kommen unterschiedliche Elemente, die jedoch eine deutlich negativere freie Bindungs enthalpie, als die Oxide der Basiskomponenten für Ti tanaluminid, also Titan und Aluminium aufweisen, in Frage.

So können diese Elemente beispielsweise ausgewählt sein aus B, Li, Mg, Hf, Zr und/oder den Seltenerdme tallen. Bevorzugt sind dabei die Seltenerdmetalle Cer, Yttrium, Neodym, Promethium, Samarium und Prase odym.

Dabei können auch verschiedene solcher oxidbildenden Elemente voneinander getrennt, aber auch in Form von sogenannten an sich bekannten Mischmetallen für die Herstellung von erfindungsgemäßen Bauteilen einge setzt werden.

Dementsprechend können für die Herstellung erfin dungsgemäßer Bauteile entsprechende elementare Aus gangspulver, als Pulvergemisch eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, einzelne oder alle Ausgangspulver in legierter Form einzusetzen. Geeig nete Legierungselemente sind Chrom, Niob, Tantal, Germanium, Vanadium, Bor, Kohlenstoff, Eisen, Wolf ram, Zirkon oder Molybdän.

Die Bildung der erfindungsgemäß erforderlichen Oxide kann teilweise oder vollständig in einer dem Sinter prozess vorgeschalteten thermischen Behandlung erfol gen.

Die Bildung dieser Oxide kann aber auch ausschließ lich während des drucklos durchgeführten Sinterpro zesses in einer sauerstofffreien Atmosphäre, also beispielsweise im Vakuum oder einer inerten Atmosphä re durchgeführt werden. Die Oxidbildung erfolgt immer mit im im Titan- und/oder Aluminiumpulver in gelöster Form enthaltenen Sauerstoff.

Eine teilweise entsprechende Bildung dieser Oxide kann aber auch bei einer mechanischen Hochenergiemah lung, wie sie beispielsweise in DE 197 22 416 A1 und DE 44 18 598 A1, auf deren Offenbarungsgehalt hier Bezug genommen wird, beschrieben sind, erfolgen.

Die Oxidbildung kann aber auch bei einer thermischen Vorbehandlung des Pulvergemisches bei Temperaturen oberhalb 500°C erreicht werden.

Mittels einer solchen Hochenergiemahlung in einer sauerstofffreien Atmosphäre können besonders feine, für die Sinterung sehr gut geeignete Pulvergemische zur Verfügung gestellt werden, die durch entsprechen de im Gegensatz zum herkömmlichen Mahlverfahren klei ne Korngrößenfraktionen der letztendlich erhaltenen Pulver mit entsprechend erhöhter Sinteraktivität zur Verfügung stellen. Mit der erhöhten Sinteraktivität kann mit diesen feinvermahlenen Ausgangspulvern auch eine ansonsten auftretende undefinierte Ausbildung von aus solchen Pulvergemischen hergestellten Grün körpern während der Sinterung vermieden werden, so dass die Gestalt und Dimensionierung eines so herge stellten Bauteiles nach dem Sintern in reproduzierba rer Form vorliegt und gegebenenfalls noch erforderli che Einflussnahmen auf die jeweilige Größe und Form der Bauteile, durch nachfolgende formgebende Bearbei tungsschritte, zumindest reduziert werden können.

Das Pulvergemisch für die Herstellung von Grünkör pern, vor dem nachfolgenden Sinterprozess sollte mög lichst eine mittlere Korngrößenverteilung d₅₀ unter halb von 0,5 mm, bevorzugt unterhalb von 0,2 mm und besonders bevorzugt unterhalb von 0,1 mm aufweisen. Es können Ti-Al-Verbundpulver eingesetzt werden.

Das eine oder auch mehrere oxidbildende Element(e) sollten im Ausgangspulvergemisch, das für die Her stellung erfindungsgemäßer Bauteile eingesetzt werden soll, mit einem Anteil zwischen 0,1 bis 5 Masse-% enthalten sein, wobei diese Anteilsangabe die jewei lige Summe der für die erfindungsgemäße Oxidbildung eingesetzten Elemente bezeichnet.

Das drucklos gesinterte erfindungsgemäße Bauteil weist, je nach den eingesetzten Korngrößen des Pul vergemisches und den Sinterbedingungen eine Dichte auf, die mindestens 90% der theoretischen Dichte entspricht (abgeschlossene Porosität).

Nachfolgend kann das so gesinterte Bauteil noch hei ßisostatisch gepresst werden, wobei die Dichte weiter auf oberhalb 99% der theoretischen Dichte erhöht werden kann.

Insbesondere durch die verbesserten Eigenschaften des die gebildeten Oxide enthaltenden Titanaluminid- Werkstoffes, kann bei einem solchen heißisostatischen Pressen kapsellos gearbeitet werden, wodurch die ent sprechenden Herstellungskosten deutlich reduziert werden können und nach dem heißisostatischen Pressen ein zumindest nahezu fertiges Bauteil vorliegt, das in der Regel nicht mehr zwingend formgebend nachbear beitet werden muss.

Infolge der oxidischen Ausscheidung im Titanaluminid- Gefüge, die als solche chemische Verbindung sowohl chemisch wie auch thermisch stabil sind, kann das Ti tanaluminid-Gefüge stabilisiert werden. Des weiteren behindern diese gebildeten Oxide das Kornwachstum der beiden Hauptphasen TiAl und Ti₃Al und das erfindungs gemäße Bauteil kann eine relativ feine Gefügestruktur erreichen.

Die mechanischen Eigenschaften und hier besonders ih re Duktilität bei Raumtemperatur und ihre Hochtempe raturfestigkeit sind gegenüber herkömmlichen Titana luminid-Werkstoffen, auch mit deutlich reduzierten Sauerstoffgehalten, verbessert.

Die Korngrößen der gebildeten Oxide innerhalb der Ti tanaluminid-Matrix sind gegenüber den Korngrößen die ser Matrix kleiner.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel nä her erläutert werden.

Zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Bauteiles durch Reaktionssintern wurden Titan- und Aluminium pulver in jeweils gleichem Atomverhältnis miteinander vermischt. Die Ausgangspulver hatten eine Körnung zwischen 50 und 300 µm und wiesen einen Sauerstoffan teil von 2000 ppm auf. Dieser Pulvermischung wurden 0,5 Masse-% Cer-Mischmetall zugesetzt und nachfolgend in einer Planetkugelmühle P5 der Firma Fritsch über einen Zeitraum von ca. 3 h in einer Argon-Schutzgas atmosphäre gemahlen.

Die so gemahlene Pulvermischung wurde durch uniaxia les Pressen verdichtet und anschließend drucklos un ter Hochvakuum (10^-5 Pa) bei 1320°C über einen Zeit raum von 1 h gesintert, so dass eine maximale Tempe ratur von 1.400°C beim Sintern nicht überschritten wurde. Das fertig gesinterte Bauteil weist eine abge schlossene Porosität auf. Im Gefüge des Werkstoffes liegen diskrete Einschlüsse von Seltenerdoxid vor und der Sauerstoffanteil im Titanaluminid-Werkstoff lag oberhalb 0,1 Masse-%.

Claims

1. Pulvermetallurgisch durch Reaktionssintern her gestelltes Bauteil aus einem Titanaluminid- Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff als bei einer thermischen Behandlung und/oder beim Sin tern gebildetes Oxid mindestens eines weiteren Elementes im Titanaluminid-Werkstoff eingebettet und der gesamte Titanaluminid-Werkstoff enthal tende Sauerstoffanteil < 0,1 Masse-% ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Oxi de in Kornform diskret in einer Titanaluminid- Matrix eingebettet sind.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine oxidbildende Element ausgewählt ist aus B, Li, Mg, Hf, Zr und/oder einem der Seltenerdmetalle.

4. Bauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindes tens zwei unterschiedliche Oxide im Titanalumi nid-Werkstoff enthalten sind.

5. Bauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kornförmigen Oxide diskret an Titanaluminid- Korngrenzen angeordnet und von Titanaluminid um geben sind.

6. Bauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Legierungselemente im Titanaluminid-Werkstoff enthalten sind.

7. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen aus Titanaluminid durch Reaktions sintern, bei dem ein Titan, Aluminium und min destens ein bei einer thermischen Behandlung und/oder beim Sintern oxidbildendes weiteres E lement in Pulverform vermischt, aus der Pulver mischung ein Grünkörper geformt und hergestellt wird,
der Grünkörper drucklos in einer nichtoxidieren den Atmosphäre gesintert,
durch eine mechanische oder thermische Vorbe handlung der Pulvermischung und/oder beim Sin tern eine Bildung von Oxiden des mindestens ei nen weiteren Elementes erfolgt und
das/die gebildete(n) Oxid(e) im Titanaluminid- Werkstoff eingebettet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulvergemisch, das neben Titan und Aluminium das mindestens ei ne oder auch mehrere weitere oxidbildende Ele ment(e) mit einem Anteil zwischen 0,1 bis 5 Mas se-% enthält, verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Pulvergemisch für die Oxidbildung pulverförmiges aus Selten erdmetallen bestehendes Mischmetall verwendet wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus gangspulver vor der Ausbildung des Grünkörpers gemeinsam gemahlen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangspulver einem Hochenergiemahlprozess unterzogen werden.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Hochenergiemahlprozess, als mechanische Vorbe handlung in einer inerten Atmosphäre, zumindest teilweise eine Bildung des einen oder mehreren Oxide(s) erreicht wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Grünkörpers ein Pulvergemisch, das eine mittlere Körnung ≦ 0,5 mm aufweist, verwendet wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Grünkörpers ein Ti-Al- Verbundpulver verwendet wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung ein Pulvergemisch, das neben Titan und Aluminium auch für die Oxidbildung ein Ele ment, ausgewählt aus B, Li, Mg, Hf, Zr und/oder einem der Seltenerdmetalle enthält, verwendet wird.

16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulver gemisch, das zusätzlich weitere Legierungsele mente enthält, verwendet wird.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vorlegier tes Ti-Al-Pulver verwendet wird.

18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinte rung bei Temperaturen bis zu maximal 1400°C in einer sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt wird.

19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das gesin terte Bauteil zusätzlich heißisostatisch ge presst wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das heißisostati sche Pressen kapsellos durchgeführt wird.