DE4033959A1

DE4033959A1 - Verbundstoffe aus mit siliziumkarbid-fasern verstaerkter titanlegierung verbesserter zugfestigkeit

Info

Publication number: DE4033959A1
Application number: DE4033959A
Authority: DE
Inventors: Ann Melinda Ritter; Paul Alfred Siemers; Donald Robert Spriggs
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-01-02
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1991-07-04
Also published as: GB9024189D0; IT1243997B; JPH03207830A; GB2239662B; IT9021941A1; US4978585A; GB2239662A; CA2029163A1; FR2656628A1; IT9021941A0

Description

Die vorliegende Erfindung steht allgemein in Beziehung zu der am 4. Dezember 1989 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Serial-Nr. 4 45 203 sowie den noch einzureichenden deutschen Patentanmeldungen mit den Anwaltskennzeichen 12 875.6 und 12 876.7, für die die Prioritäten der US- Patentanmeldungen vom 22. Dezember 1989 mit den Serial Nr. 4 55 041 bzw. 4 55 048 in Anspruch genommen sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbundstoffe mit einer Titanlegierungsmatrix, die durch Siliziumkarbid-Fasern oder -Fäden verstärkt worden ist. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen in den Matrixkomponenten eines Verbundstoffes aus mit Siliziumkarbid verstärkten Titanaluminids.

Die Herstellung von Folien und Platten aus einer Titanlegierungsbasis und von verstärkten Strukturen, bei denen Siliziumkarbid-Fasern in eine Titanbasislegierung eingebettet sind, sind in den folgenden US-PS beschrieben: 47 75 547; 47 82 884; 47 86 566; 48 05 294; 48 05 833 und 48 38 337.

Die Herstellung solcher Verbundstoffe ist Gegenstand intensiver Untersuchungen, da diese Verbundstoffe sehr hohe Festigkeiten mit Bezug auf ihr Gewicht aufweisen. Vor der Entwicklung der Verfahren, die in den vorgenannten US-PS beschrieben sind, wurden solche Strukturen hergestellt durch sandwichartige Anordnung der verstärkenden Fäden zwischen Folien aus der Titanbasislegierung und Pressen der Stapel abwechselnder Schichten aus Legierung und verstärkenden Fasern, bis eine Verbundstruktur gebildet war. Diese Praxis nach dem Stand der Technik führte jedoch zu einer gewissen Fehlausrichtung der verstärkenden Fasern.

Die in den vorgenannten US-PS beschriebenen Strukturen weisen eine starke Verbesserung gegenüber der davor üblichen Praxis der Herstellung von Sandwiches durch Druck auf.

Während festgestellt wurde, daß die nach den vorgenannten US-PS hergestellten Strukturen Eigenschaften aufweisen, die eine starke Verbesserung gegenüber den früheren Strukturen darstellen, sind von den potentiell sehr hohen Zugfestigkeiten dieser Strukturen die theoretisch möglichen Werte noch nicht erhalten worden.

Das Testen der Verbundstoffe, die nach den vorgenannten US- PS hergestellt wurden, zeigte, daß sich die gemessenen Modulwerte allgemein in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen aufgrund der Mischungsregel befinden, während die Zugfestigkeitswerte üblicherweise viel geringer sind als die, die aufgrund der Eigenschaften der einzelnen Bestandteile des Verbundstoffes vorhergesagt wurden. Weiter haben die Tests gezeigt, daß die Gesamtdehnung bis zum Verbundstoffbruch relativ gering ist und daß darüber hinaus ein außerordentlich starkes Brechen der Matrix außerhalb der Ebene beobachtet worden ist. Es wurde festgestellt, daß die Matrix in Verbundstoffen, die durch eine SiC- Verstärkung in einer Ti-1421-Matrix erhalten werden, vorwiegend aus der Alpha-2-Kristallform besteht, die eine geordnete intermetallische Phase ist, und daß der zweite Bestandteil der Matrix aus geringen Mengen Beta-Phase besteht. Das Alpha-2-Kristall-Material neigt zu einer geringen Duktilität und Hüllen aus dieser Phase, die sich um die SiC-Fasern herum bilden, brechen während der Verfestigung.

Aufgrund der gemachten Beobachtungen und ausgeführten Analyse scheint es, daß die Modifikation der Phasenverteilungen, welche die Legierung in der Matrix bildet, dazu beitragen könnte, einen Matrixbruch zu verhindern und verbesserte Eigenschaften ergeben würde. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen scheint es, daß eine solche Eigenschaftsverbesserung durch Modifikation des Plasmaverarbeitens erzielbar sein könnte, das bei der Bildung der Matrix der Verbundstruktur benutzt wird.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften von fadenverstärkten Verbundstoffen mit einer Titanbasismatrix zu verbessern.

Eine andere Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens, daß Verbesserungen in der Matrix von verstärkten Verbundstoffen mit einer Titanbasismatrix gestattet. Weiter soll eine bequeme Kontrolle zur Optimierung der Eigenschaften einer Matrix eines Verbundstoffes mit einer Matrix aus einer Titanbasislegierung geschaffen werden.

Andere Aufgaben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

In einem seiner breiteren Aspekte werden die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben gelöst durch
Schaffen einer Vielzahl von Strängen eines verstärkenden Siliziumkarbids,
Aufbringen eines Titanaluminids eines erwünschten Atomver hältnisses von Titan zu Aluminium auf diese Stränge durch Plasmaspritz-Abscheiden und
Einstellen der Plasmaparameter, die bei dem Plasmaspritz- Abscheideverfahren benutzt werden, um die Überhitzung der Teilchen, die beim Durchgang durch das Plasma schmelzen, zu erhöhen und dadurch das Verhältnis der Beta-Phasen- Kristallform in der Abscheidung zu vergrößern.

Die folgende Beschreibung wird besser verstanden unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine graphische Darstellung, bei der die Zusammensetzung in Gew.-% gegen die Waserstoffmenge in % aufgetragen ist;

Fig. 2, 3, und 4 Schliffbilder von mit Siliziumkarbid verstärktem Titanaluminid und

Fig. 5 eine graphische Darstellung, bei der die Zugfestigkeit gegen den Volumenanteil des Siliziumkarbids in % aufgetragen ist.

Wie oben erwähnt, wurde beobachtet, daß die Legierung Ti- 1421, die nominell aus 14 Gew.-% Aluminium und 21 Gew.-% Niob in einer Titanbasis besteht, zur Bildung der Alpha-2- Kristallform mit einer untergeordneten Menge an Beta- Phasen-Kristallform neigt. Es wurde festgestellt, daß die Betaform der Legierung hinsichtlich einiger Eigenschaften bevorzugt ist, da sie eine größere Duktilität bei Raumtemperatur und weniger Rißneigung zeigt.

Verbundstrukturen mit Siliziumkarbid-Faserverstärkung und Ti-1421-Matrix wurden unter Anwendung von Plasmaspritz- Techniken gebildet, wie sie in den oben genannten US-PS beschrieben sind.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß durch Modifikation des Plasmaspritzens die Erhöhung der Konzentration des Beta-Bestand teils im durch Spritzen aufgebrachten Ti-1421 möglich ist. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß eine große Menge an Beta-Phase im verfestigten Verbundstoff vorhanden ist, wenn eine gesteuerte Aluminiummenge aus der Ti-1421- Legierung während der Plasmaabscheidung verdampft wird.

Die Verdampfung des Aluminiums wird erreicht durch Variieren des Grades des Überhitzens des geschmolzenen Ti- 1421-Pulvers. Der Grad des Überhitzens wird prinzipiell durch Modifizieren der Zusammensetzung des Plasmagases modifiziert, um den Grad der Überhitzung, dem die Teilchen des Ti-1421-Pulvers ausgesetzt werden, während sie durch die Plasmaflamme treten, zu erhöhen.

Die Plasmaverarbeitung der Ti-1421-Legierung zur Umwandlung des Pulvers in eine Matrix kann wie in den oben genannten US-PS beschrieben ausgeführt werden. Alternativ kann diese Plasmaabscheidung ausgeführt werden, indem man ein Verfahren benutzt, wie es in der anhängigen US- Patentanmeldung mit dem Anwaltszeichen RD-17 823 beschrieben ist, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.

Die Art und Weise des Modifizierens der Plasmaverarbeitung zur Verminderung der Aluminiumkonzentration in der abgeschiedenen Legierung ist in der anhängigen US- Patentanmeldung mit der Serial Nr. 4 45 203 vom 4. Dezember 1989 diskutiert, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Wie in dieser anhängigen US-Anmeldung ausgeführt, besteht ein Weg, mit dem die Überhitzung eines Plasma-verarbeiteten Pulvers erhöht werden kann, darin, die Wasserstoff konzentration im Plasmagas zu ändern. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei der Verarbeitung der Ti-1421- Legierung mit höheren Wasserstoffkonzentrationen in der Plasmagasmischung es nicht nur eine größere Neigung zur Verdampfung von Aluminium gibt, sondern daß, außerordentlich überraschend, zusätzlich eine größere Neigung zur Bildung der Beta-Phasen-Kristallform der Legierung besteht. Dies war ein unerwartetes Ergebnis.

Somit wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Kristallform der Ti-1421-Legierung von ihrer normalen Alpha-2-Form zu einer Beta-Form geändert werden kann. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß die Änderung in Abhängigkeit von der ausgeführten Plasma-Verarbeitung zu einem geringeren oder zu einem stärkeren Grade erfolgen kann. Es kann ein hoher oder ein mittlerer Anteil an Beta- Phasenform in der Plasma- abgeschiedenen Legierung entwickelt werden, in Abhängigkeit von dem Grad der Überhitzung der durch die Plasmaflamme tretenden Teilchen, und es wird entsprechend der Anteil der Beta-Phasen- Kristallform in der abgeschiedenen Legierung verändert. Es ist zwar nicht bekannt, weshalb die Ti-1421-Legierung die beobachtete Veränderung der Kristallform erfährt, doch wurde festgestellt, daß diese Änderung stattfindet und daß sie zu einem nützlichen Ergebnis führt.

Es wurde ein Anzahl von Tests mittels dem Verfahren zum Herstellen von fadenverstärkten Verbundstoffen mit Titanbasismatrix ausgeführt. Bei diesen Tests wurde der Volumenanteil der Siliziumkarbidverstärkung in etwa konstant gehalten, doch wurde der Prozentanteil des Wasserstoffes im Plasmagas wie in der folgenden Tabelle I aufgeführt, variiert.

Tabelle I

Zugfestigkeit in Längsrichtung bei Raumtemperatur für plasmagesprühtes Ti-1421/SCS6

Aus den in Tabelle I aufgeführten Zahlen ergibt sich, daß die Konzentration des Wasserstoffes von null % bis 1,5 und dann bis 3% variiert wurde. Der Volumenanteil der verstärkenden Siliziumkarbidfaser war für die letzten sechs Zusammensetzungen, die in der Tabelle aufgeführt sind, im wesentlichen konstant. Die Streckgrenze erhöhte sich im Durchschnitt mit der zunehmenden Waserstoffkonzentration im Plasmagas. In ähnlicher Weise erhöhte sich die Zugfestigkeit beträchtlich mit zunehmender Wasserstoff konzentration.

Es wurde festgestellt, daß der %-Gehalt an Wasserstoff im Gas den Grad der Überhitzung beeinflußt, der in den Legierungsteilchen entwickelt wird, die durch die Plasmaflamme verarbeitet werden. Das bei dieser Plasmaverarbeitung benutzte Grundgas war zu 2/3 Helium und zu 1/3 Argon. Es ist jedoch die Zugabe der geringen Wasserstoffkonzentration zum Grundgas, die das Überhitzen der Teilchen steuert. Diese Beziehung zwischen Wasserstoffgas-Konzentration und Überhitzung, und die entsprechende Korrelation zwischen Wasserstoffgas- und Konzentration und dem Grad der Beta-Phasen-Kristallform in der abgeschiedenen Legierung gibt dem Praktiker dieser Erfindung ein sehr wirksames, unerwartetes Werkzeug zum Steuern des Grades an Beta-Phasen-Kristall, der in der abgeschiedenen Ti-1421-Legierung entwickelt wird.

Es wurden Bestimmungen der Konzentration des Aluminiums in der Plasma-abgeschiedenen Ti-1421-Legierung mit Bezug auf die Wasserstoffkonzentration im Plasmagas ausgeführt. Die gesammelten Daten gelten für eine Anzahl verschiedener Ansätze von Pulvern mit unterschiedlichen Anfangskonzentrationen an Aluminium und Niob sowie unterschiedlichen Teilchengrößen. Die bei diesen Tests und Studien gesammelten Daten sind in Fig. 1 aufgetragen, da die Bedeutung der Wertänderungen dadurch klarer wird.

Wie sich den in Fig. 1 aufgetragenen Daten entnehmen läßt, änderte sich die Aluminiumkonzentration der Legierungen mit einer anfänglichen Aluminiumkonzentration bei etwa 14%. Die anfängliche Konzentration wurde durch das Plasmaspritzen vermindert, und der Grad der Verminderung stand in Beziehung sowohl zum Wasserstoffanteil im Plasmagas als auch zur Teilchengröße des Pulvers, das durch Plasmasprühen aufgebracht wurde. Es ergibt sich, daß die Verminderung in der Aluminiumkonzentration mit zunehmender Wasserstoffkonzentration bis zu etwa 6% zunahm. Der Grad der Änderung der Aluminiumkonzentration in der Ti-1421- Legierung nahm auch mit abnehmender Teilchengröße des durch Plasmasprühen aufgebrachten Pulvers zu.

Die wirkliche Bedeutung der Änderungen, die in der abgeschiedenen Matrix aufgetreten sind, ergeben sich jedoch nicht so sehr aus der graphischen Darstellung der Fig. 1 als aus den Schliffbildern der Fig. 2, 3 und 4. Jedes dieser drei Schliffbilder hat die gleiche Vergrößerung, wie der 50 µm-Stab im unteren Teil der Figuren erkennen läßt. Fig. 2 gibt ein Schliffbild der verstärkten Matrix wieder, die durch Plasmaspritzen-Abscheidung der Ti-1421-Legierung gebildet wurde, unter Verwendung eines Plasmagases, das wasserstofffrei war. Man kann feststellen, daß die Alpha-2- Matrix sehr kleine isolierte Bereiche an Beta-Phase enthielt. Fig. 3 zeigt eine Matrix ähnlich der nach Fig. 2, doch gibt sie ein Schliffbild einer verstärkten Matrixzusammensetzung wieder, die erhalten wurde durch Plasmaspritz-Abscheiden und Verdichten unter Verwendung eines Plasmagases mit etwa 1,5% Wasserstoff.

Die Fig. 4 veranschaulicht ein Schliffbild einer faserverstärkten Matrix aus Ti-1421-Legierung, bei der die Matrix abgeschieden wurde unter Verwendung eines 3% Wasserstoff enthaltenden Plasmagases. Die anderen Bestandteile des Gases bei den drei Beispielen waren etwa 2/3 Helium und 1/3 Argon.

Der Fig. 4 läßt sich entnehmen, daß große halbkontinuierliche Bereiche an Beta-Phase oder umgewandelter Betaphase in der Matrix entstanden sind bei Verwendung eines Plasmagases, das 3% Wasser stoff enthielt.

Durch sorgfältiges Beobachten jedes der drei Schliffbilder wird deutlich, daß die Breite der Alpha-2-Umhüllungen, die die Fasern umgeben, mit zunehmender Beta-Phasen-Menge in der Matrix des Verbundstoffes abnahm.

Einige Verarbeitungseinzelheiten sind in den folgenden Beispielen aufgeführt:

Beispiel 1-3

Eine Probe aus Ti-15Al-21Nb-Pulver, deren Zusammensetzung in Gew.-% angegeben ist, wurde nach dem Plasmaverfahren mit rotierender Elektrode hergestellt. Das erhaltene Pulver wurde gesiebt und der Anteil mit 105 bis 177 µm (Maschengröße -80 +140) wurde für die Plasmaabscheidung benutzt. Es wurden drei separate Plasmaabscheidungen des Ti-15Al-21Nb-Pulvers vorgenommen. Bei diesen drei Versuchen war der Wasserstoffanteil des Plasmagases 0, 1,5% und 3%. Eine Aufnahmeoberfläche wurde zuerst durch Wickeln von Siliziumkarbidfasern, die von der Textron Specialty Materials Company erhalten und als SCS-6-Fasern bezeichnet sind, um eine Stahltrommel vorbereitet. Das Pulver wurde durch Plasmaspritzen auf die Stahltrommel aufgebracht, um eine Matrix um die Fasern zu bilden und ein Monoband zu ergeben. Es wurden jeweils vier solcher Monobänder mit jedem der verschiedenen Plasmagase hergestellt. Die separaten Sätze von vier Schichten von Monoband wurden separat mit etwa 1050 bar für drei Stunden bei 1000°C heißisostatisch zusammengepreßt.

Die so gebildeten verstärkten Verbundstrukturen enthielten 33 bis 34 Vol.-% an Siliziumkarbidverstärkung. Es wurden drei solche Platten für die Plasmagase, die 0, 1,5% und 3% Wasserstoff enthielten, hergestellt. Die Gefüge dieser Platten wurden untersucht, und Schliffbilder aufgenommen, die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt sind. Wie oben ausgeführt, war die geringste Menge an Beta-Phase oder umgewandelter Beta-Phase (die dunkelätzende Phase) in der mit null % Wasserstoff hergestellten Platte vorhanden, und die höchste Menge an Beta-Phase oder umgewandelter Phase war in der mit 3% Wasserstoff hergestellten Platte vorhanden. Die mit 1,5% Wasserstoff hergestellte Platte enthielt eine Zwischenmenge an Beta-Phase oder umgewandelter Beta-Phase.

Es wurden Zugproben aus jeder Platte hergestellt und bei Raumtemperatur getestet, wobei die angelegte Spannung parallel zur Faserachse lag. Die gemessenen Daten sind in der obigen Tabelle I enthalten. Die Tabelle enthält auch die Ergebnisse einer anderen Platte mit wenig Beta-Phase (Nr. 764), die hergestellt wurde durch Plasmaspritzen mit 0% Wasserstoff unter Anwendung der gleichen Bedingungen, wie sie oben beschrieben sind.

Als Gesamtbeobachtung wurde festgestellt, daß die Platten mit höheren Anteilen an Beta-Phase fester waren und höhere Bruchdehnungen aufwiesen, als die Platten mit geringen Anteilen an Beta-Phase in der Matrix. Die relative Festigkeit der Verbundstoffe mit hohem Beta-Phasen-Anteil und geringem Beta-Phasen-Anteil ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Fig. 5 enthält eine Auftragung der Zugfestigkeit in sieben N/mm² gegen den Volumenanteil an Siliziumkarbid in der Struktur in Vol.-%. Die Ergebnisse der Fig. 5 zeigen, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Platten mit hohem Beta-Phasenanteil die besten Gesamteigenschaften der hergestellten Strukturen haben. Eine Untersuchung der metallographischen Abschnitte der Zugfestigkeitsproben zeigte außerdem, daß es viele zusammenhängende Matrixrisse in den Platten mit wenig Beta- Phase gab, aber nur kurze Risse in den Platten mit viel Beta-Phase.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß die Gefügemodifikationen der Matrices der Verbundstrukturen mit Ti-1421-Legierung in Beziehung stehen zu den verbesserten Eigenschaften bei hohem Beta-Phasen-Anteil und mit Verbesserungen im Bruchmodus der Verbundstoffe.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Verbundstoffes, umfassend:
Schaffen eines Satzes verstärkender Stränge,
Montieren der Stränge auf einem Substrat zur Aufnahme einer plasmagespritzten Matrix,
Schaffen einer pulverisierten Probe aus Ti-1421-Legierung,
Aufbringen des Pulvers auf die Stränge und das Substrat durch Plasmaspritzen mit einer Hochfrequenz-Plasmakanone zur Bildung einer Matrix aus Ti-1421-Legierung und
Modifizieren der Zusammensetzung der Ti-1421-Legierung beim Plasma-Spritzabscheiden durch Verstärken der Überhitzung der Teilchen der Legierung, während die Teilchen durch das Hochfrequenzplasma treten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Plasmagas bis zu 6 Vol.-% Wasserstoff enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Plasmagas bis zu 3 Vol.-% Wasserstoff enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Plasmagas etwa 1,5 Vol.-% Wasserstoff enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Überhitzen durch Vermindern der Teilchengröße des plasmagespritzten Pulvers verstärkt wird.

6. Gegenstand aus einem faserverstärkten Metall-Monoband, umfassend
eine Vielzahl von Siliziumkarbidfäden,
wobei diese Fäden eine durch Plasmaspritzen abgeschiedene Ti-1421-Legierung tragen und
diese Legierung einen hohen %-Anteil an Beta-Kristallform aufweist.

7. Monoband nach Anspruch 6, bei dem die Fäden axial ausgerichtet sind.