DE19748874C2

DE19748874C2 - Verwendung einer TiAl-Legierung

Info

Publication number: DE19748874C2
Application number: DE19748874A
Authority: DE
Inventors: Georg Frommeyer; Juergen Wesemann
Original assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Current assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Priority date: 1996-11-09
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: EP0948658A1; DE19748874A1; WO1998021375A1; EP0948658B1; ATE250148T1; ES2207755T3

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer TiAl- Legierung für hochfeste zähe und duktile warmgeformte Produkte.

Molybdänhaltige TiAl-Basis-Legierungen sind bekannt. So beschreibt Min-Chul-Kim et al. (Materials Transactions, JIM, Vol. 37, No. 5 (1996), p. 1197) eine Legierung der Zusammensetzung Ti₅₁Al₄₈,₄Mo_0,6, die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 300 MPa bei 1,4% plastischer Dehnung aufweist. Ferner ist eine Legierung der Zusammensetzung Ti_50,8Al_48,6Mo_0,6 bekannt (Sumitomo Search Nr. 52 (1993) 74), die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 365 MPa bei einer 1,2% plastischen Dehnung erreicht.

Die EP 0 581 204 A1 offenbart eine γ-TiAl-Legierung mit 30-40 at.-% Al, 0,1-20 at.-% Si, 0,1-15 at.-% Nb, ggf. 0,1-5 at.-% Mo, W oder V, Rest Ti für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen.

Aus der EP 0 455 005 A1 ist eine TiAl-Legierung bekannt, welche zur Herstellung für mechanisch und thermisch hochbeanspruchte Bauteile von Maschinen bestimmt ist. Diese Legierung basiert im wesentlichen auf dotiertem TiAl, wobei diese TiAl-Legierung im Gußzustand eine Fließspannung aufweist, welche unter 400 MPa liegt. Darüber hinaus beträgt die plastische Dehnung weniger als 2%.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine TiAl- Legierung zu schaffen, die im Gußzustand bei Raumtemperatur eine Fließspannung von mindestens 400 MPa bei einer plastischen Dehnung von größer als 2% und nach einer Warmverformung eine Fließspannung bei Raumtemperatur von mindestens 700 MPa erreicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird für den vorerwähnten Zweck erfindungsgemäß die Verwendung einer Titanaluminid- (TiAl)Legierung mit 0,1 bis 0,5 at.-% Si, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 at.-% Si, insbesondere 0,2 at.-% Si, und 0,5 bis 4,0 at.-% Mo, vorzugsweise 1 bis 2 at.-% Mo, insbesondere 1,0 at.-% Mo, vorgeschlagen.

Eine solche TiAl-Legierung hat im Gußzustand mit lamellarer Mikrostruktur eine Rißzähigkeit K_IC von größer 30 MPa . m^1/2 eine Fließspannung bei Raumtemperatur von größer 400 MPa bei einer plastischen Dehnung von über 2%. Oxidationsversuche an Luft bei 850°C ergaben eine Massenzunahme von weniger als 5 mg/cm³ nach 500 h. Demgegenüber hat eine Ti₅₀Al₅₀-Referenzlegierung eine Massenzunahme von über 13 mg/cm³. Die Kriechfestigkeit wurde im Vergleich zu einer bekannten TiAlCrSi-Legierung im Druckversuch ermittelt. Die Kriechspannung (Dehnrate bzw. Kriechgeschwindigkeit: 10^-7/s) der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung beträgt bei 800°C über 450 MPa. Dagegen ist bei der bekannten hochentwickelten TiAl- Basis-Legierung Ti₄₈Al₄₈Cr₂Nb₂ die Kriechgrenze bereits bei Spannungen von 240 MPa erreicht.

Durch Warmumformen, insbesondere Strangpressen, im Temperaturbereich von 1100 bis 1350°C wird ein Mikroduplex-Gefüge (α₂/γ) eingestellt, das bis 1000°C extrem hohe Festigkeiten erzielen läßt. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Fachmeinung, gemäß der einem grobkörnigen Gußgefüge gegenüber einem thermomechanisch prozessierten feinkörnigen Gefüge eine größere Hochtemperaturfestigkeit (Streckgrenze und Zugfestigkeit) zugeschrieben wurde. Je nach Umformgrad beträgt die Fließspannung im stranggepreßten Zustand bei feinkörnigem äquiaxialen Gefüge 700 bis 800 MPa bei Raumtemperatur, 380 bis 600 MPa bei 800°C und bis zu 180 MPa bei 1000°C. Die Fließspannungen sind somit deutlich höher als die bisher bekannter TiAl-Legierungen im strang gepreßten Zustand, die nur 600 MPa bei Raumtemperatur und 400 MPa bei 760°C erreichen.

Bei Raumtemperatur werden plastische Dehnungen von 2,3 bis 3,4% erreicht, 6 bis 13% bei 700°C und bis 91% bei 800°C.

Aufgrund ihres vorgenannten Eigenschaftsspektrums eignet sich die erfindungsgemäße Legierung mit Vorteil als Werkstoff für die Herstellung von im Temperaturbereich von 1100 bis 1350°C umgeformten, insbesondere stranggepreßten Gegenständen mit einer Fließspannung von mindestens 700 MPa bei Raumtemperatur, wie Pleuel, Kolbenbolzen und rotierende Bauteile, z. B. Schaufeln in Niederdruckturbinen, Axialverdichtern und Zentrifugen sowie Ein- und Auslaßventile in Verbrennungsmotoren.

Claims

1. Verwendung einer Legierung, bestehend aus 0,1 bis 0,5 at.-% Silicium, 0,5 bis 4,0 at.-% Molybdän, Rest Titanaluminid (TiAl), als Werkstoff für die Herstellung von im Temperaturbereich von 1100 bis 1350°C warmumgeformten Halbzeugen und daraus gefertigten Endprodukten, die im Gußzustand bei Raumtemperatur eine Fließspannung von mindestens 400 MPa bei einer plastischen Dehnung von größer als 2% und nach der Warmverformung eine Fließspannung bei Raumtemperatur von mindestens 700 MPa erreicht.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, jedoch mit 0,2 bis 0,4 at.-% Silicium und 1,0 bis 2,0 at.-% Molybdän für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, jedoch mit 0,2 at.-% Silicium und 1,0 at.-% Molybdän für den Zweck nach Anspruch 1.