DE19621135A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen auf Basis der intermetallischen Phase TiAl durch druckloses Sintern vorverdichteter elementarer Pulvermischungen - Google Patents

Description

TiAl-Strukturwerkstoffe sind geeignet für technische Anwendungen, wo neben geringer Dichte gute Hochtemperatureigenschaften, wie Festigkeit, Zähigkeit, Oxidations- und Korrosionsbestän­ digkeit gefordert sind. Hauptanwendungsgebiete liegen daher im Bereich der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie. So können durch leichtere Ventile in Fahrzeugmotoren erhebliche Gewichts- und damit Treibstoffeinsparungen erzielt werden. Auch für die Anwendung in Turbinentriebwerken spielen Gewichtseinsparungen eine große Rolle.

Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen und Bauteilen auf Basis intermetallischer Phasen, wie Titanaluminium, müssen den spezifischen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe Rechnung tragen. Relevante Verfahren für die Herstellung endformnaher Bauteile sollten daher die Schwierigkeiten bei der Umformung dieser Hochtemperaturwerkstoffe umgehen und sich durch einfache, kostengünstige Technologien auszeichnen.

Stand der Technik; Nachteile des Standes der Technik

TiAl-Basiswerkstoffe und Bauteile können nach verschiedenen Verfahren sowohl auf schmelz­ metallurgischem (IM) als auch pulvermetallurgischem Weg (PM) hergestellt werden.

Die schmelzmetallurgische Route beinhaltet im wesentlichen gußtechnische Verfahren und die thermomechanische Bearbeitung von Schmelzingots. Die Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen erfolgt durch:

• 1) Gießprozeß; Feinguß
• 2) HT-Umformung, wie Heißstrangpressen und Stauchen
• 3) isothermes Walzen (Blechherstellung)
• 4) superplastische Formgebung

Aus Halbzeugen werden Endformen durch beispielsweise Diffusionsschweißen oder mechanische Bearbeitung hergestellt.

Zu den pulvermetallurgischen Verfahren sind prinzipiell 2 Wege bekannt:

• I) Herstellung von vorlegierten TiAl-Pulvern durch spezielle Verfahren, wie Zerstäuben einer rotierenden Elektrode, Inertgasverdüsung aus der Schmelze, Hochenergiemahlen von Elementpulvermischungen oder Legierungspulvern.
• 5) Weitere Technologiestufen, wie Heißpressen oder heißisostatisches Pressen, sind notwendig, um die so hergestellten Pulver zu Bauteilen zu konsolidieren.
• II) Die Reaktionspulvermetallurgie (RPM) beinhaltet die Herstellung von Titanaluminiden aus Elementpulvern: Elementare Pulver (Titan, Aluminium, Legierungszusätze) werden gemischt, vorverdichtet, umgeformt und durch Reaktionssintern (RS) oder reaktives heißisostatisches Pressen (RHIP) die intermetallische Phase gebildet.
• 6) Zur Herstellung endformnaher Bauteile ist Sintern unter Anwendung eines äußeren Druckes (RHIP) bzw. ein Pseudo-HIP-Prozeß notwendig.

Nachteile des Standes der Technik:

• 1)-3) Die schmelzmetallurgische Route beinhaltet mehrere energie- und kostenaufwendige Verfahrensschritte, da die Ausgangsschmelzingots ein für die Eigenschaften nachteiliges, sehr grobkörniges Gefüge aufweisen. Segregationen und Gefügeinhomogenitäten in Schmelz-Ingots werden durch nachfolgende Umformprozesse, z. B. Schmieden und Warmstrangpressen, sowie anschließende Wärmebehandlungen verringert [Hu­ ang/1991/363]. Nach dem Strangpressen von Ti-Al-Cr-(Nb)-Schmelzingots bei beispielsweise 1340°C sind mehrstufige Wärmebehandlungen zur Einstellung des gewünschten Gefüges notwendig [Soboyejo/1993/353]. Heißisostatisches Pressen wird zur Ausheilung von Defekten (Poren, Lunker) eingesetzt. Die thermomechanische Bearbeitung erfordert Schutzgasatmosphäre oder ein Kapseln des Materials, um Sauerstoffzutritt zu verhindern, wodurch die Fertigung endkonturnaher Bauteile in der Regel erschwert wird. Für Endformen ist eine weitere mechanische und/oder elek­ troerosive Bearbeitung notwendig. Durch Feinguß können endkonturnahe Bauteile hergestellt werden. Eine Kornfeinung des grobkörnigen Gußgefüges ist durch zusätzliche legierungstechnische Maßnahmen und TiB₂-Zusätze möglich. In der Regel ist eine zusätzliche HIP-Behandlung zur Eliminierung von Poren und Wärmebehandlung zur Einstellung der gewünschten Gefüge erforderlich [u. a. Fuchs/1993/195].
• 3) Speziell für die Herstellung von Blechen wurde das "Pack-rolling"-Verfahren entwickelt [Clemens/1993/205]. Es wird die Herstellung von Ti48Al2Cr (At-%)-Blechen aus Schmelzingots über gekapseltes Schmieden und Walzen aus Schmelzingots beschrieben. Dieses Verfahren kann nicht ohne weiteres auf andere Bauteilformen übertragen werden. Bis zum Endprodukt sind viele kostenintensive Bearbeitungsschritte notwendig. Zur Herstellung von Bauteilen sind Verfahrensschritte wie z. B. das Diffusionsschweißen oder die super­ plastische Umformung notwendig.
• 4) Die superplastische Umformung ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt, um bei hohen Temperaturen (< 1200°C) aus Vorprodukten, wie Blechen, endformnahe Teile herzustellen [Yang/1993/69]. Aufgrund der begrenzten Umformgeschwindigkeiten und des notwendigen Oxidationsschutzes sind die Kosten für dieses Verfahren hoch, der Einsatz auf die Herstellung von Blechstrukturen begrenzt.
• 5) Die Herstellung von Bauteilen aus vorlegierten Pulvern erfordert das Füllen der Pulver in eine Kapsel oder Form und anschließendes Heißpressen oder HIP, da ein Verdichten durch uniaxiales Pressen oder CIP und anschließendes Sintern ohne Druck nicht zum Erfolg führt. Formkomplizierte Bauteile können über diesen Weg nicht hergestellt werden.
• 6) Die Konsolidierung von Ti-Al-Elementpulvermischungen ist problematisch, da während des Sinterns ein sehr starker Schwelleffekt auftritt, der hauptsächlich auf das Aufschmelzen der Al-Pulverteilchen, die Bildung von Al₃Ti-Hüllen um die Titanteilchen und die damit verbundene Entstehung sekundärer Poren zurückzuführen ist. Nach dem Stand der Technik ist daher ein Kapseln und reaktives heißisostatisches Pressen (RHIP) notwendig, um dichte, porenfreien Proben zu erhalten [DE 38 22 686]. Der HIP-Prozeß ist teuer. Nachteilig ist ebenfalls das Kapseln und das nach dem HIP erforderliche Entkapseln durch beispielsweise mechanische Bearbeitung des Teiles. Weiterhin ist nach dem HIP eine zusätzliche Wärmebehandlung zur chemischen Homogenisierung und Gefügeoptimierung erforderlich.

Mit der Erfindung gelöste Aufgabe

Die Erfindung beinhaltet die Herstellung eines Formteiles auf Basis von γ-TiAl-Legierungen durch druckloses Sintern, wobei als Ausgangsstoffe noch aus den Elementen bestehende Pulver eingesetzt werden. Dabei wird der erste Sinterschritt bei einer relativ niedrigen Temperatur oberhalb des Al-Schmelzpunktes, bei der bei druckloser, freier Sinterung große Schwelleffekte auftreten, in einer einfachen Formmatrize (im folgenden Zwangsform genannt) durchgeführt. Es entsteht ein chemisch noch inhomogenes, jedoch porenarmes Bauteil mit Phasen unterschiedlicher Stöchiometrie. Nach der Entnahme des Teiles aus der Zwangsform wird anschließend bei höherer Temperatur in einfachen Vakuum- oder Schutzgasöfen bis zur gewünschten Phasen- und Gefügeausbildung bei gleichzeitig eintretender Schwindung des Teiles fertiggesintert.

Verbesserungen und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Der Vorteil der erfindungsgemäß gelösten Aufgabe besteht darin, daß durch druckloses Reaktionssintern Bauteile in ihrer Endform hergestellt werden können. Ein dem Stand der Technik gemäßes, material- und kostenaufwendiges Kapseln und heißisostatisches Pressen zur Erzielung dichter Formkörper entfällt. Das Sintern in der Zwangsform erfolgt bei einer Temperatur, die keine Reaktion zwischen Proben- und Formwerkstoff zuläßt. Das hat gleich­ zeitig den Vorteil, daß sich die Probe aus der Form lösen läßt, was eine Wiederverwendung der Zwangsform ermöglicht. Demgegenüber erfordert der dem Stand der Technik gemäße HIP-Prozeß ein mechanisches Abtragen der nur einmal verwendbaren HIP-Kapsel nach der Konsolidierung.

Weiterhin ermöglicht diese reaktionspulvermetallurgische Route feinkörnige Gefüge, wie sie mit konventionellen Technologien nur durch zusätzliche energie- und kostenintensive Hochtempera­ turumformung zu erreichen sind.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die gewünschte Bauteilgeometrie im dukti­ len, elementaren Zustand mittels konventioneller Umformtechnologien der Metallhalbzeugindustrie erzielt werden kann. Das Reaktionssintern in der Zwangsform wirkt dem bekannten Schwelleffekt, der zur Volumenzunahme und damit zum Verlust der gewünschten Bauteilform führt, entgegen.

Grundzüge des Lösungsweges

Die elementaren Ausgangspulver, wie Titan, Aluminium und Legierungszusätze oder ersatzweise Aluminiumlegierungen werden gemischt und durch kaltisostaisches Pressen verdichtet. Die anschließende Umformung des duktilen Materials wird in einem Temperaturbereich durchgeführt, bei dem noch keine TiAl-Phasenbildung stattfindet (RT bis 400°C). Dies ist insofern von Bedeutung, da durch eine vorzeitige Phasenbildung einerseits der bekannte Schwelleffekt eintritt und andererseits infolge der härteren Phasenbestandteile der Umformprozeß nur erschwert oder garnicht mehr möglich ist. Durch die Umformung, wie Strangpressen und/oder Fließpressen, wird das plastisch gut verformbare Material in die gewünschte Bauteilform gebracht. Gleichzeitig sichert dieser Umformschritt eine weitere Verdichtung zu einem porenfreien Ausgangsmaterial. Das Bauteil wird in eine Sinterform, die exakt der Bauteilgeometrie entspricht, eingesetzt. Die Sinterform ist so gestaltet, daß sie sich leicht öffnen und schließen läßt und gleichzeitig während des Reaktionssinterns ein Schwellen des Bauteils, wie es beim kapsellosen Sintern beobachtet wird, verhindert. Das Bauteil wird in dieser Form bis zu einer Temperatur oberhalb des Al-Schmelzpunktes (T < 665°C) erhitzt. Dabei finden erste Reaktionen zur Bildung intermetallischer Verbindungen statt. Es ist damit ein Zustand erreicht, der ein anschließendes Sintern unter Dichtezunahme des Bauteils ermöglicht. Wird der Sinterprozeß zunächst hier unterbrochen, läßt sich die Probe leicht aus der Form entnehmen und kann in einer abschließenden Wärmebe­ handlung ohne Kapsel und ohne Druck bis zur vollständigen Phasenbildung und der Einstellung des gewünschten TiAl-Gefüges gesintert werden.

Ausführungsbeispiel

Reines Titanpulver und legiertes Aluminiumpulver (Al6,6Cr11,7Nb), Teilchengröße der Pulver 80-200 µm, werden in einem Verhältnis gemischt, daß nach dem Reaktionssintern ein TiAl-Basiswerkstoff der chemischen Zusammensetzung Ti 47Al 2Cr 2Nb (At-%) entsteht. Die Pulvermischung wird bei 1700 bar kaltisostatisch verdichtet, anschließend in eine Al-Kapsel eingeschweißt (Außen-⌀ 170 mm; Wandstärke 5 mm) und bei 400°C im Hochvakuum ausgegast. Durch indirektes Strangpressen wird ein Strangpreßbolzen mit Außen-⌀ 48,5 mm hergestellt. Dieser Bolzen wird erneut durch hydrostatisches Strangpressen umgeformt auf einen Enddurch­ messer von 15 mm. Das Preßverhältnis beträgt damit insgesamt 131,5 und es liegt ein sehr feinkörniges, in Strangpreßrichtung zeilig gestrecktes Gefüge aus elementarem Titan und legiertem Aluminium vor. Die zylindrische Ti-Al-Probe (Al-Strangpreßkapsel abgedreht) wird in eine Zwangsform aus warmfestem Stahl eingesetzt, diese Form im Ausführungsbeispiel mit 2 Schrauben verschlossen und in einem Vakuumofen bei 700°C/30 min gesintert. Das Aufheizen bis zur Sintertemperatur erfolgt mit 5 K/min, die Abkühlung mit 10 K/min. Die Konstruktion der Zwangsform ermöglicht ein leichtes Öffnen und Entnehmen der Probe. Sie weist nach diesem 1. Sinterschritt eine Dichte von 90-95% (bezogen auf die Enddichte der intermetallischen Phase TiAl) auf und besteht aus den Phasen Ti, TiAl₃, TiAl₂, Ti₃Al und TiAl. Im weiteren wird die Probe im Vakuum frei gesintert durch Aufheizen mit 10 K/min bis 1330°C, Haltezeit 30 min. Es wird eine Dichte von 99% erzielt. Röntgenographisch werden die Phasen TiAl und Ti₃Al nachgewiesenen. Das Gefüge ist sehr feinkörnig (s. Abb. 1) und hat die typische Duplexstruktur aus γ-TiAl und Lamellen (γ-TiAl und α₂-Ti₃Al).

Claims (7)

1. Herstellung von Werkstoffen und Bauteilen auf Basis der intermetallischen Phase TiAl aus den Elementpulvern, die zur Bildung der gewünschten Werkstoffzusammensetzung notwendig sind, durch Mischen der Pulverkomponenten Titan, Aluminium und Legierungs­ zusätze oder Aluminiumlegierungen, kaltisostatisches Pressen der Pulver und anschließende Umformung bis zur gewünschten Halbzeug- oder Bauteilgeometrie, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bauteil in eine Zwangsform eingesetzt und in dieser bis auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums bzw. der Al-Legierung erhitzt wird und nach Entnahme des Bauteils aus der Zwangsform bis zur vollständigen Phasenbildung unter Vermeidung des Schwellens des konsolidierten Materials fertiggesintert wird.

2. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß Al-Pulver im vorlegierten Zustand (z. B. Legierung mit Cr, Nb, Mg, Si, Y, Ce, Mg) eingesetzt wird.

3. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Al-Gehalt zwischen 40 . . . 52 At-% variiert wird.

4. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Bauteilherstellung durch Preß- und Umformverfahren, wie kaltisostatisches Pressen, Strangpressen, Fließpressen, im duktilen Zustand erfolgt, in dem noch keine intermetallische Phase vorliegt.

5. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Zwangssinterform aus hochfestem, temperaturbeständigen metallischem oder kera­ mischem Material besteht.

6. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß das Sintern zur Ausbildung des gewünschten Gefügezustandes im Temperaturbereich zwischen 700°C und 20 K unterhalb des Alpha-Transus der gewählten Legierungszusam­ mensetzung drucklos unter nichtoxidierender Atmosphäre erfolgt.

7. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die nach Anspruch 6 hergestellten Bauteile durch eine druckunterstützte, jedoch kapsellose Wärmebehandlung eine weitere Verdichtung und/oder Gefügeoptimierung erfahren.