DE2153218B2

DE2153218B2 - Articles made of titanium or titanium alloys and processes for their manufacture

Info

Publication number: DE2153218B2
Application number: DE19712153218
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr. 4150 Krefeld Lehnert; Helmut Dipl.-Chem. 4154 Toenisvorst Meinhardt
Original assignee: DEUTSCHE EDELSTAHLWERKE AG 4150 KREFELD
Current assignee: DEUTSCHE EDELSTAHLWERKE AG 4150 KREFELD
Priority date: 1971-10-26
Filing date: 1971-10-26
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2153218A1

Description

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 high ratio of strength have hard, wear-resistant, oxidation-, corrosion- and erosion-resistant surfaces that are too dense have to.

Titan und Titanlegierungen werden bisher als Konstruktionswerkstoffe für Anwendungszwecke eingesetzt, bei denen es auf ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte ankommt, wie z. B. i,n Flugzeugbau und im Leichtmotorenbau, und darüber hinaus, wo die Korrosionsbeständigkeit des Materials eine Rolle spielt, z. B. 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 genanntTitanium and titanium alloys are so far used as construction materials Used for applications where there is a high ratio of strength too density matters, such as B. i, n aircraft construction and light engine construction, and beyond where the corrosion resistance the material plays a role, e.g. B. in chemical apparatus engineering. In certain use cases are hard, wear-resistant, oxidation and Erosion-resistant surfaces required with a tough core. Examples of such applications are Compressor blades and compressor disks in aircraft engines as well as crankshafts and camshafts, connecting rods and piston pins in automotive engine construction as well as pump vanes, shaft bearings and fittings in chemical Called 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 known titanium alloys are not sufficient to produce components in the desired Measure to protect against fretting, to withstand material removal by erosion, that To prevent seizing of fit connections and burning caused by high friction heat. The object of the present invention is therefore to eliminate these disadvantages and to improve the hardness, wear resistance, Oxidation, corrosion and erosion resistance of the surfaces of objects made of titanium or Increase titanium alloys.

Gegenstand der US-PS 32 19 474 ist die Erzeugung einer Schutzschicht auf Teilen aus Niob. Die Schutzschicht wird nach dem bekannten Verfahren durch Eindiffundieren von Titan in die Oberfläche des Niob-Gegenstandes gebildet, wobei sich eine N iob-Titan-Legierung bildet Dieser Stand der Technik weicht sowohl hinsichtlich der vorerwähnten Aufgabe als auch der nachfolgend beschriebenen Lösung von dem Erfindungsvorschlag ab.The subject of US-PS 32 19 474 is the production of a protective layer on parts made of niobium. The protective layer is made according to the known method by diffusing titanium into the surface of the niobium object formed, with a Niob titanium alloy is formed. This prior art gives way to both with regard to the aforementioned object as well as the solution of the proposed invention described below away.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird vorgeschlagen, in die Oberflächen von Gegenständen aus Titan oder Titanlegierungen Aluminium einzudiffundieren. Dabei soll vorzugsweise die Dicke der durch über die Gasphase eindiffundiertes Aluminium gebildeten Oberflächenschutzschicht 25 bis 100 μπι betragen.To solve the problem on which the invention is based, it is proposed that in the surfaces of To diffuse aluminum into objects made of titanium or titanium alloys. Preferably the Thickness of the surface protective layer 25 to formed by the aluminum diffused in via the gas phase 100 μπι amount.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Titan oder einer Titanlegierung mit in ihre Oberfläche eindiffundiertem Aluminium besteht aus Einbetten der Gegenstände in ein 5 bis 30 Gewichtsprozent metallisches Aluminium, 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Halogenid, vorzugsweise Chromchlorid (CrCb), Rest inertes Filimaterial, vorzugsweise Aluminiumoxyd, enthaltendes Pulvergemisch und Diffusions-A preferred method of making articles from titanium or a titanium alloy with in their surface of diffused aluminum consists of embedding the objects in a 5 to 30 weight percent metallic aluminum, 0.1 to 1.5 weight percent halide, preferably chromium chloride (CrCb), the rest of the inert film material, preferably aluminum oxide, containing powder mixture and diffusion

behandeln der in das Pulvergemisch eingebetteten Gegenstände unter Schutzgas, vorzugsweise Edelgas, bei einer Temperatur von 750 bis 1000° C für 3 bis 15 Stunden. treat the objects embedded in the powder mixture under protective gas, preferably noble gas a temperature of 750 to 1000 ° C for 3 to 15 hours.

An Hand eines Beispiels wird die Erfindung näher erläutert. 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 sjs 5% Aluminium, 2% Zinn und Rest Titan.
Die drei Proben wurden in ein Pulvergemisch eingebettet, das aus 20 Gewichtsprozent Aluminium, 0,2% Chromchiorid (CrCU), Rest Aluminiumoxyd bestand. Die GlUhung der eingebetteten Proben erfolgte in einer geschlossenen Retorte unter Argon als Schutzgas bei einer Temperatur von 850⁰C für eine Zeit von 10 Stunden.The invention is explained in more detail using an example. 3 samples were diffusion treated, one made of technically pure titanium, the second made of an alloy with 6% aluminum, 4% vanadium, remainder titanium and the third sjs 5% aluminum, 2% tin and remainder titanium.
The three samples were embedded in a powder mixture which consisted of 20 percent by weight aluminum, 0.2% chromium chloride (CrCU), the remainder aluminum oxide. The GlUhung the embedded samples was carried out in a closed retort under argon as a protective gas at a temperature of 850 ⁰ 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.
In den 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. F i g. 1 zeigt die Kurven für die alitierte Probe aus technisch reinem Titan, F i g. 2 die Kurven für die zweite Probe Ti-6A1-4V und F i g. 3 die Kurven für die alitierte Probe Ti-5AI-2Sn. Wie sich aus den Diagrammen ergibt ist die Härte an den Oberflächen der Proben auf Grund 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 μηι betragenden Diffusionsschutzschicht 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 Diffusionsschutzschichten in einem breiteren Oberflächenabschnitt eine Härtesteigerung erzielen kann.After this diffusion treatment, the thickness of the diffusion protection layer formed by diffusion into the surface of the samples was about 0.050 mm.
In the diagrams, the concentration profile of the alloying elements and the diffused aluminum in the surface area of the samples and the hardness profile from the surface of the samples to the core are plotted. F i g. 1 shows the curves for the alloyed sample made of technically pure titanium, FIG. Figure 2 shows the curves for the second sample, Ti-6A1-4V and F i g. 3 the curves for the alloyed sample Ti-5Al-2Sn. As can be seen from the diagrams, the hardness on the surfaces of the samples has been increased considerably from about 300 HV to about 500 HV due to the diffusion of aluminum compared to the hardness of the base material. A comparison of the hardness and concentration curves also shows that the hardness beyond the actual, about 50 μm diffusion protection layer is even higher than in the core of the samples, ie the drop in the hardness curve extends over a wider area than the diffusion protection layer. This means that even with relatively thin diffusion protection layers, an increase in hardness can be achieved in a broader surface section.

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 Reiberwärmung auftretende Brennen unterbunden werden.In addition to increasing the hardness and wear resistance of parts made of titanium or titanium alloys due to the diffusion of aluminum into their surface but also the oxidation, corrosion and erosion resistance and that which occurs with unprotected titanium parts due to high friction heating Burning can be prevented.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Articles made of titanium or titanium alloys, in addition to having high strength to density ratio must have hard, wear-resistant, oxidation, corrosion and erosion-resistant surfaces, characterized in that aluminum has diffused into their surfaces

2. Articles according to claim 1, characterized in that the thickness of the through over Gas phase diffused aluminum formed surface protective layer is 25 to 100 µm.

3. A method for the production of objects made of titanium or a titanium alloy according to one of claims 1 or 2, characterized in that the objects in a 5 to 30 percent by weight of metallic aluminum, 0.1 to 1.5 percent by weight of halide, preferably chromium chloride (CrCh) The rest of the inert filler material, preferably a powder mixture containing aluminum oxide, is embedded and ^{diffusion treated under an inert gas, preferably a noble gas, at a temperature of 750 to 1000 °} C. for 3 to 15 hours.