DE3822686A1

DE3822686A1 - Verfahren zur herstellung von intermetallischen phasen aus pulverfoermigen duktilen komponenten

Info

Publication number: DE3822686A1
Application number: DE3822686A
Authority: DE
Inventors: Michael Dahms
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1988-07-05
Publication date: 1990-01-11
Also published as: DE3822686C2; GB2220425A; FR2633853A1; GB2220425B; US4909983A; GB8915288D0; JPH0273952A; FR2633853B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallegierungen aus pulverförmigen duktilen Komponenten, die in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis gemischt und anschließend durch Kaltpressen vorverdichtet werden.

Es ist bekannt, intermetallische Phasen, die eine relativ gute Duktilität bei Raumtemperatur und eine gute Zeit standfestigkeit bei hoher Temperatur haben, durch Legie rungen zu bilden, die im wesentlichen aus Titan-Aluminium bestehen, wobei diese bekannten Legierungen gegossen und geschmiedet werden können (DE-OS 30 24 645). Metallegie rungen dieser Art werden beispielsweise in Strahltrieb werken als Ausgangswerkstoff zur Herstellung von Schau felrädern verwendet, wo es auf hohe Zugfestigkeit, hohe Duktilität, hohen Elastizitätsmodul, hohe Dauerfestig keit, Oxidationsbeständigkeit und niedrige Dichte an kommt. Ein anderes Anwendungsgebiet derartiger Legierun gen ist beispielsweise die Anwendung bei der Herstellung von Werkzeugen und Motorteilen, wo es auf die vorgenann ten Eigenschaften ankommt.

Die bisher bekannten Legierungen dieser Art weisen, was eingehende Untersuchungen belegt haben, nachteiligerweise inhomogene Gefüge auf, so daß die in sie gesetzten Erwar tungen in bezug auf die angestrebten Anwendungsfälle nicht erfüllt wurden. Ein weiterer Nachteil der bisheri gen Legierungen dieser Art ist ihre schlechte Reprodu zierbarkeit in bezug auf die obigen aufgeführten Eigen schaften einerseits und andererseits, daß mit den bishe rigen herkömmlichen Schmelzverfahren nur geringste Mengen herstellbar sind.

Intermetallische Phasen, insbesondere im gegossenen Zu stand, sind spröde, so daß sie üblicherweise durch Heiß strangpressen bei sehr hohen Temperaturen verformt wer den. Die beteiligten Werkzeuge werden extrem beansprucht. Eine aufwendige Ofentechnologie ist erforderlich. Sogar Laboröfen, die Temperaturen bis 1350°C ermöglichen, sind extrem kostenspielig. Ein Laborofen für 1600°C kostet ca. DM 20 000,--. Eine Legierung wie TiAl wird beispielsweise bei 1400°C gepreßt.

Die schmiedende Bearbeitung liefert ein inhomogenes Gefü ge, da die Probe unterschiedlich belastet wird. Beim Schmieden können auch nur Einzelteile bearbeitet werden. Für große Probenmengen ist deshalb ein höherer Aufwand erforderlich als beim Pressen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mit dem die aufgeführten Nachteile beseitigt werden und insbesondere eine beliebige Reproduzierbarkeit der angestrebten Legierungen erreichbar ist, wobei auch in einem Verfahrensgang beliebig große Mengen an ge wünschter Legierung herstellbar sind.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die vorverdichteten Komponenten anschließend derart ge preßt (kompaktiert) werden, daß der Verformungsgrad des Komponentengemisches <80% ist, wobei nachfolgend der Werkstoff wärmebehandelt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im we sentlichen darin, daß der gem. dem Verfahren hergestellte Werkstoff eine homogene Struktur aufweist, wobei gegen über bekannten Werkstoffen gleicher Art die Zähigkeit deutlich vergrößert werden kann. Wie angestrebt, ist eine beliebige Reproduzierbarkeit von Legierungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich und es ist in belie bigen Mengen mit fortwährend gleichen vorbestimmten Ei genschaften herstellbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Kompaktieren des Komponentengemisches durch Strang- und/oder Fließpressen, d. h. das erfindungsge mäße Verfahren kann bei unterschiedlichen Preßvorgängen angewendet werden, je nach Bedarf und der zur Herstellung der Legierung zur Verfügung stehenden Art der Pressen. Die duktilen Pulverteilchen werden langgezogen, dadurch entsteht eine frische Oberfläche (oxidfrei). Die Teilchen können miteinander verschweißen. Zusätzlich wird beim Übergang vom Pulverteilchen zur Faser der Diffusionsweg kleiner.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah rens erfolgt das Kompaktieren bei einer Temperatur unter halb der Temperatur der die Komponenten bildenden Teil chen, bei der die Teilchen zur Bildung eines homogenen Werkstoffs miteinander reagieren. Die Preßkräfte sind geringer. Das Verfahren kann mit kleineren Pressen ausge führt werden.

Vorzugsweise ist es auch möglich, das Kompaktieren bei einer Temperatur oberhalb der Temperatur der die Kompo nenten bildenden Teilchen durchzuführen, so daß die Teil chen zur Bildung eines homogenen Werkstoffs miteinander reagieren, wobei sich insbesondere bei dieser Art der Ausführung des Verfahrens die einzelnen Pulverteilchen stark verformen und somit eine sehr homogene Struktur des gebildeten Werkstoffs erreicht wird. Zudem wird ein Wär mebehandlungsschritt eingespart.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Bearbeitung des gebildeten Werkstoffs zwischen dem Ver fahrensschritt der Kompaktierung und der Wärmebehandlung erfolgen, beispielsweise auch in Form einer spanabheben den Bearbeitung. Das Gefüge wird weiter verfeinert und die Endform des Bauteils kann angenähert werden. Das Spanabheben stellt bei duktilen Werkstoffen eine leichte Form der Bearbeitung dar. Aus einer Rundstange kann bei spielsweise eine Turbinenschaufel hergestellt werden.

Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise wenigstens ein stufig bei einer maximalen, unter der Solidustemperatur liegenden Temperatur des Werkstoffs. Der gesamte Tempera turbereich ist abgedeckt. Festkörperreaktionen. sind je doch noch möglich. Schließlich kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die Wärmebe handlung unter Druck erfolgen. Bei der Reaktion der Reak tion der Pulverteilchen bilden sich vielfach Poren, die durch Druck geschlossen werden können.

Das Verfahren wird nun anhand der einzelnen Verfahrens schritte gemäß einer typischen Ausgestaltung der Erfin dung beschrieben.

Zuerst werden die pulverförmigen duktilen Komponenten, die elementar oder vorlegiert vorliegen können, in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis gemischt. Anschließend wird das pulverförmige Gemisch durch uniaxiales oder iso statisches Kaltpressen vorverdichtet, wobei der kalte Pressen bei Temperaturen erfolgt, bei denen die pulver förmigen Komponenten noch nicht miteinander reagieren.

Erfindungsgemäß werden nun die pulverförmigen vorverdich teten Komponenten durch Strangpressen oder Fließpressen gepreßt bzw. Kompaktiert, und zwar bis zu einem Verfor mungsgrad von <80%. Auch dieser Vorgang kann kalt, d. h. bei Temperaturen, bei denen die pulverförmigen Komponen ten noch nicht miteinander reagieren, oder warm erfolgen. Bei Bedarf kann der kompaktierte Werkstoff jetzt schon weiterverformt werden, und zwar in eine gewünschte Form gebracht werden oder aber spanabhebend bearbeitet werden.

Nachfolgend erfolgt eine Wärmebehandlung, die wenigstens einstufig erfolgt. Die Wärmebehandlung kann drucklos (Glühen) oder unter Druck (Hippen) erfolgen, wobei die Temperatur der Wärmebehandlung kleiner als die Solidus temperatur der gebildeten Legierung ist. Gemäß dem vorbe schriebenen Verfahrensgang können mit der Erfindung be liebige Legierungen bzw. Werkstoffe hergestellt werden, wobei Voraussetzung ist, daß alle pulverförmigen Kompo nenten duktil sind. Je nach zur Verfügung stehender Druckleistung bei der Ausführung des Verfahrens können auch spröde pulverförmige Komponenten in das Komponenten gemisch mit eingebracht werden, die sich zwar bei Pressen nicht verformen, jedoch zerbrechen. Es sei erwähnt, daß die Wärmebehandlung durch Glühung auch unter oxidierenden Bedingungen erfolgen kann. So kann es gemäß dem erfin dungsgemäßen Verfahren möglich sein, Hochtemperatur-Sup raleiter in Drahtform herzustellen. Gemäß der Erfindung sind somit große Mengen der intermetallischen Phase unter kontrolliert reproduzierbaren Bedingungen herstellbar. Der gebildete Werkstoff hat eine gleichmäßige homogene Struktur. Das Strangpressen wird gemäß dem Verfahren an duktilen Phasen durchgeführt und kann somit auch bei Raumtemperaturen stattfinden. Mit dem Verfahren können Profile hergestellt werden, die weiterverformbar und weiterbearbeitbar sind, so daß maßgenaue gewünschte Werkstücke herstellbar sind.

Die folgenden intermetallischen Phasen können mit dem Verfah ren hergestellt werden:

Hochtemperaturwerkstoffe:
NiAl, CoAl, NiAlCr, Co₂TiAl, NbAl₃, NbNiAl, TiAl, Ti₃Al, Ni₃Al

Formgedächtnislegierungen:
CuZnAl, NiTi

Supraleiter:
Nb₃Sn in Kupfermatrix

Al-haltige intermetallische Phasen, die duktil sind, eignen sich besonders gut.

Es können aber auch Legierungen mit einem endlichen Gehalt an spröden Phasen hergestellt werden, wenn die anderen Komponen ten duktil genug sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von intermetallischen Phasen aus pulverförmigen duktilen Komponenten, die in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis gemischt und an schließend durch Kaltpressen vorverdichtet werden, da durch gekennzeichnet, daß die vorverdichteten Komponenten anschließend derart gepreßt (kompaktiert) werden, daß der Verformungsgrad des Komponentengemisches <80% ist, wobei nachfolgend der Werkstoff wärmebehandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompaktieren des Komponentengemisches durch Strang und/oder Fließpressen erfolgt.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompaktieren bei einer erhöhten Temperatur unterhalb der Temperatur der die Kom ponenten bildenden Teilchen erfolgt, bei der die Teilchen zur Bildung eines homogenen Werkstoffs miteinander rea gieren.

4. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompaktieren bei einer Temperatur oberhalb der Temperatur der die Komponenten bildenden Teilchen erfolgt, so daß die Teilchen zur Bil dung eines homogenen Werkstoffs während des Pressens mit einander reagieren.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zwischen dem Kompaktieren und der Wärmebehandlung verformt und/oder bearbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung spanabhebend erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung wenig stens einstufig bei einer maximalen, unter der Solidus temperatur liegenden Temperatur des Werkstoffs erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter Druck erfolgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses die Herstellung von Superlegierungen gestattet, die schwer spanabhebend bear beitbar sind.