DE2153218A1

DE2153218A1 - Titanium (alloy) parts - with aluminium diffused into surface, for wear-, oxidation-,corrosion and erosion-resistance

Info

Publication number: DE2153218A1
Application number: DE19712153218
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Lehnert; Helmut Dipl Chem Meinhardt
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke GmbH
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke GmbH
Priority date: 1971-10-26
Filing date: 1971-10-26
Publication date: 1973-05-03
Also published as: DE2153218B2

Abstract

Ti (alloy) parts, which must have hard, wear-, oxidn.-, corrosion- and erosion-resistant surface besides high strength to density ratio, have Al diffused into the surface. The protective layer is 25 - 100 mu m thick and is produced by gas phase diffusion, by packing the part in a powder mixt. of 5 - 30 wt.% Al, 0.1 - 1.5% halode (CrCl3), rest inert filler (Al2O3) and subjecting to diffusion treatment for 3 - 15 hr. at 750 - 1000 degrees C under a protective (inert) gas. The treatment is esp. useful for compressor discs and blades for aircraft engines, crank- and cam-shafts, piston rods and gudgeon pins in automobile construction and for pump-impeller blades, bearings and valves in chemical plant.

Description

Gegenstände aus Titan oder Titanlegierungen. Articles made of titanium or titanium alloys.

Die Erfindung betrifft Gegenstände aus Titan oder Titanlegierungen, die neben hohem Verhältnis von Festigkeit zu Dichte harte, verschleißfeste, oxydations-, korrosions- und erosionsbeständige Oberflächen haben müssen.The invention relates to articles made of titanium or titanium alloys, which, in addition to a high ratio of strength to density, is hard, wear-resistant, oxidation, must have corrosion and erosion-resistant surfaces.

Titan und Titanlegierungen werden bisher als Konstruktionswerkstoffe für Anwendungszwecke eingesetzt, bei denen es auf ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte ankommt, wie zum Beispiel im Flugzeugbau und im Leichtmotorenbau, und darüber hinaus, wo die Korrosionsbeständigkeit des Materials eine Rolle spielt, zum Beispiel im chemischen Apparatebau. In bestimmten Anwendungsfällen werden neben den genannten Eigenschaften noch harte, verschleißfeste, oxydations- und erosionsbeständige Oberflächen bei zähem Kern gefordert. Als Beispiele für derartige Anwendungsfälle seien Verdichterschaufeln und Verdichterscheiben in Flugtriebwerken, sowie Kurbel- und Nockenwellen, Pleuel und Kolbenbolzen im Automobil-Motorenbau, sowie Pumpenflügel, Wellenlager und Armaturen im chemischen Apparatebau genannt.Titanium and titanium alloys are hitherto used as construction materials Used for applications where there is a high ratio of strength too density matters, for example in aircraft construction and light engine construction, and in addition, where the corrosion resistance of the material plays a role, for example in chemical apparatus engineering. In certain use cases, the properties mentioned still hard, wear-resistant, oxidation- and erosion-resistant Surfaces required with a tough core. As examples of such applications be compressor blades and compressor disks in aircraft engines, as well as crank and camshafts, connecting rods and piston pins in automotive engine construction, as well as pump blades, Shaft bearings and fittings called in chemical apparatus engineering.

Die Eigenschaften von Titan und bekannten Titanlegierungen reichen nicht aus, um Bauteile in dem gewünschten Maß vor Reibverschleiß zu schützen, der Materialabtragung durch Erosion zu widerstehen, das Festfressen von Passungsverbindungen und durch hohe Reiberwärmung verursachtes Brennen zu verhindern. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu beseitigen und die Härte, Verschleißfestigkeit, Oxydations-, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit der Oberflächen von Gegenständen aus Titan oder Titanlegierungen zu erhöhen.The properties of titanium and well-known titanium alloys range not enough to protect components from fretting to the desired extent, the Resist material erosion through erosion, seizure of fit connections and to prevent burning caused by high friction heat. Task of the present The invention is therefore to eliminate these disadvantages and increase the hardness, wear resistance, Oxidation, corrosion and erosion resistance of the surfaces of objects from titanium or titanium alloys to increase.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß in die Oberflächen der Gegenstände aus Titan oder Titanlegierungen Aluminium eindiffundiert ist. Dabei soll vorzugsweise die Dicke der durch über die Gasphase eindiffundiertes Aluminium gebildeten Oberflächenschutzschicht 25 bis 100 jum betragen.To solve this problem it is proposed according to the invention, that in the surfaces of objects made of titanium or titanium alloys aluminum is diffused. In this case, the thickness of the through the gas phase should preferably The surface protective layer formed by diffused aluminum should be 25 to 100 μm.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Titan oder einer Tltanlegierung mit in ihre Oberflächen eindiffundiertem Aluminium besteht aus Einbetten der Gegenstände in ein 5 bis 30 Gew. -% metallisches Aluminium, 0,1 0> 1 bis 1, 5 Gew. -7r0 Halogenid, vorzugsweise Aluminiumoxyd, enthaltendes Pulvergemisch und Diffusionsbehandeln der in das Pulvergemisch eingebetteten Gegenstände unter Schutzgas, vorzugsweise Edelgas, bei einer 0 Temperatur von 750 bis 1000 C: für 3 bis 15 Stunden.A preferred method of making articles from titanium or a titanium alloy with aluminum diffused into their surfaces from embedding the objects in a 5 to 30% by weight metallic aluminum, 0.1 0> 1 to 1.5 wt. -7r0 halide, preferably aluminum oxide, containing powder mixture and diffusion treating the articles embedded in the powder mixture Protective gas, preferably noble gas, at a temperature of 750 to 1000 C: for 3 to 15 hours.

Anhand eines Beispiels wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using an example.

Es wurden 3 Proben diffusionsbehandelt, eine aus technisch reinem Titan, die zweite aus einer Legierung mit 6 % Aluminium, 4 % Vanadium, Rest Titan und die dritte aus 5 % Aluminium, 2 % Zinn und Rest Titan.3 samples were diffusion treated, one of technically pure Titanium, the second from an alloy with 6% aluminum, 4% vanadium, the remainder titanium and the third of 5% aluminum, 2% tin and the remainder titanium.

Die drei Proben wurden in ein Pulvergemisch eingebettet, das aus 20 Gew. -% Aluminium, 0, 2 % Chromchlorid (CrC13), Rest Aluminiumoxyd bestand. Die Glühung der eingebetteten Proben erfolgte in einer geschlossenen Retorte unter Argon als Schutzgas bei einer Tempe-0 ratur von 850 C für eine Zeit von 10 Stunden. The three samples were embedded in a powder mixture made from 20% by weight of aluminum, 0.2% of chromium chloride (CrC13), the remainder being aluminum oxide. the The embedded samples were annealed in a closed retort under argon as a protective gas at a Tempe-0 temperature of 850 C for a period of 10 hours.

Nach dieser Diffusionsbehandlung betrug die Dicke der durch Eindiffundieren in die Oberfläche der Proben gebildeten Diffusionsschutzschicht etwa 0, 050 mm. After this diffusion treatment, the thickness was that by diffusion Diffusion protection layer formed in the surface of the samples about 0.050 mm.

In den beigefügten Diagrammen ist einmal der Konzentrationsverlauf der Legierungselemente und des eindiffundierten Aluminiums im Oberflächenbereich der Proben und dazu der Härteverlauf von der Oberfläche der Proben zum Kern hin aufgetragen. Bild 1 zeigt die Kurven für die alitierte Probe aus technisch reinem Titan, Bild 2 die Kurven für die zweite Probe Ti-6A1-4V und Bild 3 die Kurven für die alitierte Probe Ti-5Al-2Sn. Wie sich aus den Diagrammen ergibt, ist die Härte an den Oberflächen der Proben aufgrund der Eindiffusion von Aluminium gegenüber der Härte des Grundwerkstoffs von etwa 300 HV auf etwa 500 HV erheblich erhöht worden. Ein Vergleich der Härte- mit den Konzentrationskurven zeigt aber auch, daß die Härte jenseits der eigentlichen, etwa 50 m betragenden Diffus ions schutzschicht noch höher ist als im Kern der Proben, d. h., der Abfall der Härtekurve erstreckt sich über einen weiteren Bereich als die Diffusionsschutzschicht. Das bedeutet, daß man schon bei verhältnismäßig dünnen Diffu sions schutz schichten in einem breiteren Oberflächenabschnitt eine Härtesteigerung erzielen kann. In the attached diagrams you can see the concentration curve the alloying elements and the diffused aluminum in the surface area of the samples and the hardness curve from the surface of the samples to the core applied. Figure 1 shows the curves for the aluminized sample made from technically pure Titan, Figure 2 the curves for the second sample Ti-6A1-4V and Figure 3 the curves for the alloyed sample Ti-5Al-2Sn. As can be seen from the diagrams, this is the hardship on the surfaces of the samples due to the diffusion of aluminum the hardness of the base material has been increased considerably from around 300 HV to around 500 HV. A comparison of the hardness with the concentration curves also shows that the hardness beyond the actual diffusion protection layer of around 50 m is higher than in the core of the samples, i.e. i.e., the slope of the hardness curve extends over a wider area than the diffusion protection layer. That means that one even with relatively thin diffusion protection layers in a wider one Surface section can achieve an increase in hardness.

Neben der Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit von Teilen aus Titan oder Titanlegierungen kann durch die Eindiffusion von Aluminium in ihre Oberfläche aber auch die Oxydations-, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit verbessert und das bei ungeschützten Titanteilen durch hohe Reib erwärmung auftretende Breiin en unterbunden werden. In addition to increasing the hardness and wear resistance of parts from titanium or titanium alloys can be made by the diffusion of aluminum into their But the surface also improves the resistance to oxidation, corrosion and erosion and the pulp that occurs in unprotected titanium parts due to high frictional heating en are prevented.

Claims

f items made of titanium or titanium alloys, in addition to high ratio from strength to density hard, wear-resistant, oxidation-, corrosion- and erosion-resistant Surfaces must have, characterized in that aluminum is used in their surfaces is diffused.

2. Objects according to claim 1, characterized in that the thickness the surface protective layer formed by aluminum diffusing in via the gas phase 25 to 100 pm.

3. Process for the manufacture of articles from titanium or a Titanium alloy according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the Objects in a 5 to 30 wt.% Metallic aluminum, 0> 1 to 1.5 wt. -% IIalogenide> preferably chromium chloride (CrCl3), remainder inert filling material, preferably aluminum oxide containing powder mixture embedded and under protective gas, preferably noble gas, at a temperature of 750 to 10000C for 3 to 15 hours be diffusion treated.