DE3781394T2

DE3781394T2 - Titan-aluminium-legierung.

Info

Publication number: DE3781394T2
Application number: DE8787116728T
Authority: DE
Inventors: Susumu Isobe; Takuya Miyashita; Yukio Nishiyama; Toshiharu Noda
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1987-11-12
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2007-11-13
Also published as: US4849168A; DE3781394D1; EP0275391A1; EP0275391B1

Description

Die Erfindung betrifft die Verbesserung von Ti-Al-Legierungen, insbesondere Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase die intermetallische Verbindung TiAl ist.
Motorenteile, die unter einer Dreh- oder Hin- und Herbewegung verwendet werden, wie z. B. Turbinenschaufeln, Heißräder von Turboladern und Motorventile sind in neuerer Zeit mehr oder weniger gewichtsleicht, um die Anforderungen von hoher Leistung, wie hohe Antwort und hohe Leistung, zu erfüllen. Hitzebeständige Materialien für die oben angegebenen Teile werden daher anhand ihrer spezifischen Festigkeit (Festigkeit/ Dichte) anstelle ihrer absoluten Festigkeit bewertet. Es werden Anstrengungen gemacht, um die spezifische Festigkeit dieser Materialien zu verbessern.
Unter diesen Umständen finden Ti-Al-Legierungen, insbesondere Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase die intermetallische Verbindung TiAl ist, Aufmerksamkeit. Die maximal verwendbare Temperatur (Temperatur, bei der die Dauerstandfestigkeit 1.000 Stunden unter einer Spannung von 2.756,6 bar (28,1 Kgf/mm²) ist), von TiAl beträgt 800ºC, was höher ist als diejenige einer herkömmlichen Titanlegierung (Ti-6A1-4V), 550ºC. Weiterhin ist das spezifische Gewicht von TiAl (3,8) niedriger als dasjenige der herkömmlichen Titanlegierung (4,5) und es kommt näher an dasjenige von Keramiken (z. B. Si&sub3;N&sub4; 3,2) heran. TiAl hat eine Duktilität, die den Keramiken fehlt, und seine spezifische Festigkeit ist höher als diejenige von Nickel-Superlegierungen (z. B. Inconel 713C).
Ti-Al-Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase TiAl ist, haben jedoch im Vergleich zu Titanlegierungen und Nickel- Superlegierungen eine niedrigere Duktilität, und sie weisen den Nachteil einer schlechten plastischen Verarbeitbarkeit auf. Es wurden zwar schon Anstrengungen zu einer Verbesserung unternommen (so beschreibt z. B. Japanische Patentschrift 56- 4344 die Zugabe einer geeigneten Menge von V), doch haben diese noch keine praktische Anwendung erreicht. Da weiterhin der Schmelzpunkt der intermetallischen Verbindung TiAl über 1.500ºC hinausgeht, was höher ist als derjenige der Nickel-Superlegierungen für Gießzwecke (gewöhnlich 1.250-1.400ºC), ist es schwierig, durch das herkömmliche Wachsausschmelz-Gußverfahren unter Verwendung von Keramikformen fehlerlose Gußprodukte mit gewünschter Gestalt zu erhalten, was auf chemische Reaktionen zwischen dem aktiven geschmolzenem Metall TiAl mit hoher, über 1.500ºC hinausgehender Temperatur und Keramiken, die die Formen bilden, zurückzuführen ist.
Die US-A-3 203 794 beschreibt eine Titanlegierung, die etwa 34 bis 46% Aluminium enthält und die dadurch charakterisiert ist, daß sie ihre Raumtemperaturhärte bei Temperaturen, die so hoch wie etwa 1.250ºC sind, im wesentlichen beibehält, und daß sie bei erhöhten Temperaturen von bis zu mindestens 1.050ºC hoch oxidationsbeständig ist.
Demgemäß ist es Aufgabe dieser Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu überwinden und eine leichte, hitzebeständige Legierung mit verbesserter Verarbeitbarkeit beim plastischen Verarbeiten bereitzustellen, indem die Duktilität von Ti-Al- Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase die intermetallische Verbindung TiAl ist, erhöht wird.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Duktilität von Ti-Al-Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase die intermetallische Verbindung TiAl ist, so zu verbessern, daß das plastische Verarbeiten erleichtert wird. Weiterhin soll eine leichte, hitzebeständige Legierung mit verbesserter Verarbeitbarkeit beim plastischen Verarbeiten und beim Formgießen bereitgestellt werden, indem die Duktilität erhöht wird und der Schmelzpunkt der Ti-Al-Legierungen, bei denen der Hauptbestandteil die intermetallische Verbindung TiAl ist, erniedrigt wird.
Die Erfindung stellt eine Ti-Al-Legierung bereit, die aus Al: 28-38%, Ni: 0,05-3,0% und Si: 0,05-3,0% und zum Rest aus Ti unter schmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Ti-Al-Legierung bereit, die aus Al: 28-38%, einer oder zwei Komponenten von Ni: 0,05- 3,0% und Si: 0,05-3,0% und weiterhin B: 0,005-0,30%, Rest Ti unter schmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Bei den obigen Legierungszusammensetzungen ist es, wenn eine bessere Duktilität bei niedriger Temperatur angestrebt wird, erforderlich, einen niedrigen Al-Gehalt auszuwählen. Wenn die Duktilität bei höherer Temperatur wichtiger ist, dann ist es zweckmäßig, einen Al-Gehalt von 32% oder mehr auszuwählen. Es wird bevorzugt, daß die Mengen der Verunreinigungen in dem folgenden Bereich liegen: C: bis zu 0,2%, O: bis zu 0,3% und N: bis zu 0,3%, wobei O + N: bis zu 0,4%.
Als Maßnahme zur Herstellung der gewünschten Konstruktionsteile mit den erfindungsgemäßen Ti-Al-Legierungen kann ,ein Gießen sowie ein Schmieden angewendet werden.
Die Auswahl der oben beschriebenen Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Ti-Al-Legierungen baut sich aus den folgenden Gründen auf:
Al; 28-38% Die stöchometrische Zusammensetzung der intermetallischen Verbindung TiAl (Gammaphase) ist Al: 36%, und der Bereich, in der Ti-Al in den binären Legierungen in einer einzigen Phase existieren kann, ist Al: 34-42%. Wenn jedoch der Anteil von Al über 38% hinausgeht, dann nimmt die Duktilität ab, was im Gegensatz zu der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe steht. Daher wird 38% als Obergrenze ausgewählt. Wenn andererseits die Zusammensetzung an Ti reich ist, oder wenn der Anteil von Al weniger als 34% beträgt, dann wird Ti&sub3;Al (Alpha&sub2;-Phase), gebildet. Diese Verbindung erhöht die Duktilität der Legierung bei niedriger Temperatur, und daher wird, wenn eine gute Kaltduktilität gewünscht wird, ein Gehalt an Al im Bereich von 28- 34% empfohlen. Diese Verbindung ist weiterhin, wenn ihr Gehalt gering ist, dazu geeignet, die Hochtemperaturduktilität zu verbessern. Jedoch ist Ti&sub3;Al als solches brüchig, und die Legierung verliert Duktilität, wenn die Menge davon zunimmt. Wenn daher eine gute Heißverarbeitbarkeit erforderlich ist, ist ein Bereich des Al-Gehalts von 32-38% bevorzugt. Weiterhin erniedrigt Al den Schmelzpunkt der Legierung, wie Bor, Nickel und Silicium, wie untenstehend zum Ausdruck gebracht.
B: 0,005-0,3% Bor erhöht die Duktilität, indem die Korngrenze der TiAl- Verbindung verfestigt wird, und es trägt auch zu einer Verbesserung der Festigkeit durch Kornverfeinerung bei. Dieser Effekt kann durch Zugabe einer Menge, die so klein wie 0,005% ist, erhalten werden. Wenn andererseits die Menge zunimmt, dann induziert Bor die Bildung von spröden Boriden, wodurch die Duktilität vermindert wird. Daher wird 0,3% als Obergrenze ausgewählt. Weiterhin ist Bor, wie Nickel und Silicium, wie untenstehend zum Ausdruck gebracht, dazu wirksam, den Schmelzpunkt der erfindungsgemäßen Legierungen zu erniedrigen:
Ni: 0,05-3,0%, Si: 0,05-3,0% Sowohl Nickel als auch Silicium lösen sich in der TiAl-Phase auf, und sie erhöhen die Duktilität. Dieser Effekt ist bei Gehalten, die so gering wie 0,05% sind, wahrnehmbar. Andererseits sind die Mengen von Nickel und Silicium, die in der TiAl-Phase aufgelöst werden-können, auf 3,0% begrenzt, und eine überschüssige Zugabe führt zu einer Verminderung der Duktilität. Somit werden die Obergrenzen dieser Elemente auf 3,0% festgelegt. Nickel und Silicium erniedrigen die Schmelztemperatur der erfindungsgemäßen Legierung.
C: bis zu 0,2% Kohlenstoff bildet Titankarbid TiC, das die Festigkeit der Legierung verbessert, doch vermindert Kohlenstoff die Duktilität der Legierung. Daher wird 0,2% als Obergrenze ausgewählt.
O: bis zu 0,3%, N: bis zu 0,3%, vorzugsweise bis zu 0,2%, wobei O + N: bis zu 0,4%
Sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff werden in TiAl aufgelöst und verfestigen es. Sie vermindern jedoch die Duktilität der Legierung, und daher werden die oben angegebenen Obergrenzen aufgrund dieses Gesichtspunkts festgelegt. Wenn für die Legierung eine bessere Festigkeit gewünscht wird, dann sind die Verunreinigungen ziemlich gut geeignet, und es wird daher eine positive Zugabe im oben angegebenen Bereich bevorzugt. Wenn andererseits die Legierung eine höhere Duktilität haben sollte, dann müssen die Mengen dieser Verunreinigungen so klein wie möglich sein.
Erfindungsgemäß wird die Duktilität von Ti-Al-Legierungen mit hoher Hitzebeständigkeit und hoher spezifischer Festigkeit verbessert, und somit wird die Verarbeitbarkeit beim plastischen Verarbeiten verbessert. Die verringerten Schmelzpunkte der Legierungen resultieren in einer höheren Gießbarkeit, und sie erleichtern den Präzisionsguß. Daher können in einfacher Weise verschiedene mechanische Teile von drehenden oder hin- und hergehenden Systemen wie Turbinen von Luftfahrtdüsenmotoren und technische Gasturbinen, Einlaß- und Auspuffventile, Schwenkarme, Verbindungsstäbe und Heißblätter von Turboladern für Motorrad- und Automobilmotoren durch Schmieden oder Gießen hergestellt werden.
Die leichtere Verarbeitbarkeit führt auch zu einer Verminderung der Probleme der Verläßlichkeit der Produkte, die auf Verarbeitungsschwierigkeiten des Materials zurückzuführen sind.

Beispiel

Ti-Al-Legierungen mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung wurden hergestellt. Das Schmelzen erfolgte unter einer Argongasatmosphäre durch einen Plasmabogen in einem Pfannenofen mit einem wassergekühlten Kupfertiegel. Die Läufe Nr. 1-7 sind Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, während die Läufe Nr. 8 und 9 Vergleichsbeispiele sind.
Probekörper, die aus Gußbarren der Legierung herausgeschnitten worden waren, wurden Zugfestigkeitstests bei 900ºC unterworfen. Weiterhin wurden die Schmelzpunkte (Liquidus und Solidus) durch Differentialthermoanalyse gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Aus Tabelle 4 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine erhöhte Duktilität und erniedrigte Schmelzpunkte haben.
Die Legierung Nr. 5 wurde einem 30%igen und 50%igen Stauchen bei 1.150 C unterworfen. Selbst im Falle eines Stauchens von 50% trat auf dem Probekörper kein Riß auf.
Unter Verwendung der Legierungen Nr. 5 und 7 und von Keramikformen, die durch ein Wachsausschmelzverfahren hergestellt worden waren, wurden Heißräder für Turbolader gegossen. Auf den Turbinen der Heißräder, die aus der Kontrollegierung Nr. 7 gegossen worden waren, wurden Fehler beobachtet, die auf eine chemische Umsetzung zwischen der Form und dem geschmolzenen TiAl zurückzuführen waren. Daher wurde kein gesundes Produkt erhalten. Andererseits waren die Heißräder, die aus der erfindungsgemäßen Legierung Nr. 5 hergestellt worden waren, gesunde Produkte ohne Fehler. Tabelle 1 Legierungszusammensetzung (Gew.%, Rest Ti) Nr. erfindungsgemäß Kontrolle Tabelle 2 Zugeigenschaften Schmelzpunkt Nr. Zugfestigkt. bar (Kgf/mm²) Dehnung % Flächenverminderung % Liquidus ºC Solidus ºC erfindungsgemäß Kontrolle

Claims

1. Ti-Al-Legierung bestehend aus Al: 28-38%, Ni: 0,05-3,0% und Si: 0,05-3,0% und zum Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

2. Ti-Al-Legierung bestehend aus Al: 28-38%, einer oder zwei Komponenten von Ni: 0.05-3,0% und Si: 0,05-3,0%, und weiterhin B: 0,005-0,30%, Rest Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

3. Ti-Al-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengen der Verunreinigungen in den unten angegebenen Bereichen liegen:

C: bis zu 0,2%, O: bis zu 0,3%, N: bis zu 0,3%, wobei O + N: bis zu 0,4%.

4. Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus den Legierungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt worden sind und daß sie Schaufeln von Luftfahrt- Düsenmotoren und technischen Gasturbinen, Einlaß- und Auspuffventile, Schwenkarme, Verbindungsstäbe und Heißräder von Turboladern für Motorrad- und Automobilmotoren umfassen.