DE19812444A1

DE19812444A1 - TiAl-Basislegierung

Info

Publication number: DE19812444A1
Application number: DE19812444A
Authority: DE
Inventors: Georg Frommeyer; Juergen Wesemann; Sven Knippscheer
Original assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Current assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Priority date: 1998-03-21
Filing date: 1998-03-21
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2018-03-22
Also published as: AU3146799A; DE19812444B4; ATE260996T1; EP1070152B1; EP1070152A1; WO1999049090A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine TiAl-Basislegierung mit einer Zusammensetzung des Titanaluminids mit 42 bis 54 at.-% Al, Rest Titan, der bis zu 12 at.-% bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können. Kennzeichen der Erfindung ist, daß die Legierung 0,1 bis 5 at.-% Kupfer enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine TiAl-Basislegierung mit einer Zusammensetzung des Titanaluminids mit 42 bis 54 at.-% Al, Rest Titan, der bis zu 12 at.-% bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine TiAl- Basislegierung derart zu modifizieren, daß sie in mehrfacher Hinsicht bessere Eigenschaften aufweist als herkömmliche Legierungen auf dieser Basis. Insbesondere wird eine verbesserte Vergießbarkeit, Warmumformbarkeit und Duktilität bei höherer Festigkeit angestrebt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine TiAl- Basislegierung vorgeschlagen, die 0,1 bis 5 at.-% Cu, vorzugsweise 0,2 bis 1 at.-% Cu, enthält. Zusätzlich kann die Legierung 0,1 bis 2 at.-% Si, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 at.-% Si, und/oder 0,1 bis 5 at.-% Mo, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Mo, und/oder 0,1 bis 5 at.-% Cr, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Cr, sowie bis insgesamt 12 at.-% weitere Legierungselemente enthalten. Bis insgesamt 2 at.-% kann ein oder können mehrere der festigkeitssteigernden Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr in der Legierung als "weitere Legierungselemente" enthalten sein.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Erfindung bei folgenden Legierungen erwiesen:
Ti52.3Al46.5Cu1Si0.2
Ti52.0Al46.6Cr1Cu0.2Si0.2
Ti52.0Al46.6Mo1Cu0.2Si0.2
Ti52.0Al46.5Mo0.5Cu0.8Si0.2.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz an Kupfer zu TiAl bewirkt eine stark verringerte Korngröße bzw. ein wesentlich feiner strukturiertes Gußgefüge gegenüber TiAl-Basislegierungen ohne Kupferzusatz. Lamellare TiAl- Basislegierungen mit Kupferzusatz weisen darüber hinaus reduzierte Lamellenabstände auf. Diese Effekte werden durch den Zusatz von Silizium noch verstärkt. Der Zusatz von Kupfer führt zu einer erhöhten Festigkeit von TiAl- Basislegierungen bei gegenüber vergleichbaren Legierungen gesteigerter Duktilität. Außerdem wird die Warmumformbarkeit verbessert. Die Umformung von TiAl- Basislegierungen mit Kupferzusatz kann dadurch mit geringeren Kräften bzw. bei niedrigeren Temperaturen als bei vergleichbaren Legierungen durchgeführt werden.

Mindestens 0,1 at.-% Cu ist erforderlich, um die angestrebten Wirkungen herbeizuführen. Mehr als 5 at.-% rufen eine Versprödung hervor und sind daher nicht sinnvoll. Schon geringe Mengen in der Größenordnung bis 0,2 at.-% Cu verbessern die Vergießbarkeit durch eine Verringerung der Schmelzviskosität und bewirken gegenüber vergleichbaren Legierungen ohne Cu-Zusätze ein deutlich feiner strukturiertes Gußgefüge.

Bild 1 zeigt die Erstarrungsstruktur einer TiAlMoSi- Legierung. Im Vergleich dazu weisen TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz, repräsentiert durch die Ti₅₂Al_46.8Cu₁Si_0.2- Legierung gemäß Bild 2, ein deutlich feiner strukturiertes Erstarrungsgefüge auf. Wie die Bilder 3 und 4 belegen, ist der kornfeinende Einfluß des Kupferzusatzes zu TiAl auch noch nach dem Glühen der Legierung für 30 min bei 1400 °C ausgeprägt.

In Bild 5 sind die temperaturabhängigen Bruchstauchungen modifizierter TiAl-Legierungen mit Kupferzusatz im Vergleich zu einer Ti₅₂Al₄₈- und einer TiAlMoSi-Legierung dargestellt. Die Festigkeit von TiAI-Basislegierungen wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatz von Kupfer zu TiAl signifikant erhöht. Der vergleichsweise steile Festigkeitsabfall bei Temperaturen < 800 °C bei den TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz führt zu einer verbesserten Warmumformbarkeit. Die Ti₅₂Al_46.5Mo_0.5Cu_0.8Si_0.2- Legierung weist z. B. mit Stauchgrenzen zwischen 580 MPa bei Raumtemperatur und 538 MPa bei 800 °C eine höhere Stauchgrenze als eine bereits hochfeste Ti₅₂Al_46.8Mo₁Si_0.2- Legierung auf. Ab 1000 °C zeigt die Ti₅₂Al_46.5Mo_0.5Cu_0.8Si_0.2- Legierung jedoch einen deutlich geringeren Verformungswiderstand als die Ti₅₂Al_46.8Mo₁Si_0.2-Legierung. Gleichzeitig zeichnet sich die Ti₅₂Al_46.5Mo_0.5Cu_0.8Si_0.2- Legierung, wie auch andere Legierungsmodifikationen mit Kupferzusatz, durch eine verbesserte Duktilität aus. Die Bilder 5 und 6 belegen, daß durch die Variation des Kupfergehaltes bzw. der Legierungszusammensetzung die Einstellung einer optimalen Eigenschaftskombination aus Festigkeit, Duktilität und Umformbarkeit möglich ist.

Aufgrund seiner besonderen verbesserten Eigenschaften eignet sich die erfindungsgemäße TiAl-Basislegierung als Konstruktionswerkstoff für Feingußteile, aber auch für Teile, die durch Strangpressen, Isothermschmieden und/oder superplastisches Umformen an die gewünschte Endform erzeugt werden. Anwendungsbeispiele sind Ventile für Verbrennungsmotoren, Kolbenbodensegmente, Turboladerrotoren und Komponenten für Turbinen und Verdichter.

Claims

1. TiAl-Basislegierung mit 42 bis 54 at.-% Aluminium, Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen, der insgesamt bis 12 at.-%, bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß, sie 0,1 bis 5 at.-% Kupfer enthält.

2. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,2 bis 1 at.-% Cu enthält.

3. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weiteres Legierungselement 0,1 bis 2 at.-% Si enthält.

4. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weiteres Legierungselement 0,1 bis 0,3 at.-% Si enthält.

5. TiAl-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß sie als weitere Legierungs elemente 0,1 bis 5 at.-% Mo und/oder 0,1 bis 5 at.-% Cr enthält.

6. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungselemente 0,4 bis 1,2 at.-% Mo und/oder 0,4 bis 1,2 at.-% Cr enthält.

7. TiAl-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungselemente oder als weiteres Legierungselement bis insgesamt 2 at.-% eines oder mehrere der Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr enthält.