DE4121215A1 - Giessbares, tantal und chrom enthaltendes titanaluminid - Google Patents
Giessbares, tantal und chrom enthaltendes titanaluminidInfo
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Description
Die vorliegende Anmeldung steht in enger Beziehung zu der
am gleichen Tag eingereichten anderen deutschen
Patentanmeldung, für die die Priorität der US
Patentanmeldung Ser.-Nr. 5 46 973 vom 2. Juli 1990 in
Anspruch genommen ist. Auf diese andere Patentanmeldung
wird daher ausdrücklich Bezug genommen.
Die Erfindung betrifft allgemein Gamma-Titanaluminid (TiAl)
-Legierungen mit verbesserter Gießbarkeit im Sinne einer
verbesserten Kornstruktur. Mehr im besonderen bezieht sich
die vorliegende Erfindung auf Gußkörper aus Chrom- und
Tantal-dotiertem TiAl, die aufgrund der kombinierten
Zusätze aus Chrom, Tantal und Bor ein feines Korngefüge und
einen Satz verbesserter Eigenschaften aufweisen.
Bei der Herstellung eines Gußkörpers ist es allgemein
erwünscht, daß das zu gießende geschmolzene Metall
ausgeprägte Flüssigkeitseigenschaften hat. Eine solche
Fluidität gestattet es dem geschmolzenen Metall freier in
eine Form zu fließen und Teile der Form einzunehmen, die
geringe Abmessungen aufweisen und in komplizierte
Abschnitte der Form einzudringen, ohne daß vorher eine
Erstarrung erfolgt. In dieser Hinsicht ist es allgemein
erwünscht, daß das flüssige Metall eine geringe Viskosität
aufweist, so daß es in Abschnitte der Form eintreten kann,
die scharfe Ecken aufweisen, so daß das gegossene Produkt
der Gestalt der Form, in der es gegossen wurde, sehr genau
angepaßt ist.
Ein anderes erwünschtes Merkmal gegossener Strukturen ist,
daß diese ein feines Gefüge haben, daß heißt eine feine
Korngröße, so daß die Segregation der verschiedenen
Bestandteile einer Legierung minimiert ist. Dies ist
wichtig zur Vermeidung eines Metallschrumpfens in einer
Form in einer Weise, die zum Heißreißen führt. Das
Auftreten einer gewissen Schrumpfung in einem Gußkörper
beim Erstarren und Abkühlen des gegossenen Metalles ist
recht üblich und normal. Tritt jedoch eine bedeutsame
Segregation von Legierungskomponenten auf, ergibt sich eine
Gefahr, daß Risse in Abschnitten des gegossenen
Gegenstandes erscheinen, die aufgrund einer solchen
Segregation geschwächt sind und die als Ergebnis der
Erstarrung und des Abkühlens des Metalles und des
Schrumpfens aufgrund des Abkühlens einer Spannung
beziehungsweise Dehnung ausgesetzt sind. In anderen Worten
ist es erwünscht, daß das flüssige Metall genügend flüssig
ist, so daß es die Form vollständig füllt und in alle
feinen Hohlräume innerhalb der Form eintritt, doch es ist
auch erwünscht, daß das einmal erstarrte Metall fehlerfrei
ist und keine schwachen Abschnitte aufweist, die aufgrund
zu starker Segregation oder inneren Heißreißens entstanden
sind.
Hinsichtlich des Titanaluminids selbst ist es bekannt, daß
bei der Zugabe von Aluminium zu Titanmetall in immer
größeren Anteilen die Kristallform der erhaltenen Titan-
Aluminium-Zusammensetzung einer Änderung unterliegt.
Geringe Prozentsätze von Aluminium gehen im Titan in feste
Lösung, und die Kristallform bleibt die des Alpha-Titans.
Bei höheren Aluminiumkonzentrationen (die etwa 25 bis 30
At-% einschließen) bildet sich die intermetallische
Verbindung Ti3Al, die eine geordnete hexagonale
Kristallform aufweist, die mit Alpha-2 bezeichnet wird. Bei
noch höheren Aluminiumkonzentrationen (die den Bereich von
50 bis 60 At-% einschließen) bildet sich eine andere
intermetallische Verbindung, TiAl, die eine mit Gamma
bezeichnete geordnete tetragonale Kristallform aufweist.
Die Gamma-Titanaluminide sind von primären Interesse in der
vorliegenden Anmeldung.
Die Legierung aus Titan und Aluminium, die die Gamma-
Kristallform und ein stöchiometrisches Verhältnis von etwa
1 aufweist, ist eine intermetallische Verbindung mit einem
hohen Modul, einer geringen Dichte, einer hohen thermischen
Leitfähigkeit, einer günstigen Oxidationsbeständigkeit und
einer guten Kriechbeständigkeit. Die Beziehung zwischen
Modul und Temperatur für TiAl-Verbindungen und andere
Titanlegierungen in Beziehung zu Nickel-Basis-
Superlegierungen ist in Fig. 1 dargestellt. Wie dieser
Figur zu entnehmen, hat das Gamma-TiAl den besten Modul
aller dargestellten Titanlegierungen. Der Modul der Gamma-
TiAl-Verbindung ist nicht nur höher bei höherer Temperatur,
sondern die Abnahmerate des Moduls mit zunehmender
Temperatur ist für Gamma-TiAl geringer als für die anderen
Titanlegierungen. Darüber hinaus behält Gamma-TiAl einen
brauchbaren Modul bei Temperaturen bei, die über denen
liegen, bei denen die anderen Titanlegierungen unbrauchbar
werden. Legierungen auf der Grundlage der intermetallischen
TiAl-Verbindung sind attraktive Materialien geringen
Gewichtes zur Anwendung dort, wo ein hoher Modul bei hohen
Temperaturen erforderlich ist sowie ebenfalls ein guter
Schutz gegen die Umgebung.
Eine der charakteristischen Eigenschaften des Gamma-TiAl,
die seine tatsächliche Anwendung für solche Zwecke
begrenzt, ist eine bei Raumtemperatur auftretende
Sprödigkeit. Eine andere Eigenschaft des Gamma-TiAl, die
seine tatsächliche Anwendung begrenzt, ist eine relativ
geringe Fluidität der geschmolzenen Zusammensetzung. Diese
geringe Fluidität begrenzt die Gießbarkeit der Legierungen
insbesondere dort, wo der Gußkörper dünne Wandabschnitte
und eine komplizierte Struktur mit scharfen Winkeln und
Ecken einschließt. Die Verbesserung der intermetallischen
Gamma-TiAl-Verbindung zur Förderung der Fluidität der
Schmelze als auch zur Erzielung eines feinen Gefüges in
einem gegossenen Produkt sind sehr erwünscht, um einen
ausgedehnteren Gebrauch der gegossenen Zusammensetzungen
bei den höheren Temperaturen zu gestatten, für die sie
geeignet sind. Bei der Bezugnahme auf ein feines Gefüge in
einem gegossenen TiAl-Produkt in der vorliegenden Anmeldung
bezieht sich diese auf das Gefüge des Produktes im
gegossenen Zustand.
Es ist bekannt, daß beim Schmieden oder anderem
mechanischen Bearbeiten beziehungsweise Verformen nach dem
Gießen das Gefüge geändert und verbessert werden kann. Für
Anwendungen, bei denen ein gegossenes Produkt brauchbar
ist, muß das Gefüge im Produkt erhalten werden, wie es
gegossen ist und nicht durch die Anwendung zusätzlicher
mechanischer Bearbeitungsstufen.
In einem Gußprodukt ist auch eine Mindestduktilität von
mehr als 0,5% angestrebt und im hohen Grade erwünscht.
Eine solche Duktilität ist für das Produkt zur Erzielung
einer angemessenen Integrität erforderlich. Eine
Mindestfestigkeit für eine Zusammensetzung bei
Raumtemperatur, um allgemein brauchbar zu sein, beträgt
etwa 350 MPa (entsprechend etwa 50 Ksi). Materialien, die
eine solche Festigkeit haben, sind jedoch nur von
begrenzter Brauchbarkeit, und höhere Festigkeiten sind für
viele Anwendungen häufig bevorzugt.
Das stöchiometrische Verhältnis von Gamma-TiAl-Verbindungen
kann über einen Bereich varieren, ohne daß sich die
Metallstruktur ändert. Der Aluminiumgehalt kann von etwa 50
bis etwa 60 At-% variieren. Die Eigenschaften der Gamma-
TiAl-Zusammensetzungen unterliegen jedoch sehr deutlichen
Änderungen als Ergebnis relativ geringer Änderungen von 1
Prozent oder mehr im stöchiometrischen Verhältnis der
Bestandteile Titan und Aluminium. Auch werden die
Eigenschaften in ähnlicher Weise durch den Zusatz relativ
geringer Mengen ternärer und quaternärer Elemente als
Zusätze oder Dotierungsmittel verändert.
Es gibt eine ausgedehnte Literatur über die
Zusammensetzungen von Titan und Aluminium einschließlich
der intermetallischen Verbindungen TiAl3, Gamma-TiAl und
Ti3Al. So enthält die US-PS 42 94 615 eine intensive
Diskussion der Titanaluminid-artigen Legierungen
einschließlich der intermetallischen Gamma-TiAl-Verbindung.
Wie in der genannten PS in Spalte 1, beginnend mit Zeile 50
zu den Vorteilen und Nachteilen von Gamma-TiAl im Vergleich
zu Ti3Al ausgeführt:
"Es sollte klar sein, daß das Gamma-TiAl-Legierungssystem das Potential aufweist leichter zu sein, daß es mehr Aluminium enthält. In den fünfziger Jahren ausgeführte Laboratoriumsarbeiten zeigten, daß die Titanaluminid- Legierungen das Potential für einen Einsatz für hohe Temperatur bis etwa 1000°C aufwiesen. Doch zeigte die nachfolgende praktische Erfahrung mit solchen Legierungen, daß sie zwar die erforderliche Hochtemperatur-Festigkeit aufwiesen, jedoch wenig oder keine Duktilität bei Raum- und mäßigen Temperaturen, das heißt von 20 bis 550°C. Materialien, die zu spröde sind, können nicht leicht hergestellt werden, und sie wiederstehen auch nicht einer nicht zu häufigen, aber unvermeidbaren untergeordneten Beschädigung während der Benutzung ohne zu reißen und nachfolgend zu versagen. Sie sind daher keine brauchbaren Konstruktionsmaterialien, um andere Basislegierungen zu ersetzen."
"Es sollte klar sein, daß das Gamma-TiAl-Legierungssystem das Potential aufweist leichter zu sein, daß es mehr Aluminium enthält. In den fünfziger Jahren ausgeführte Laboratoriumsarbeiten zeigten, daß die Titanaluminid- Legierungen das Potential für einen Einsatz für hohe Temperatur bis etwa 1000°C aufwiesen. Doch zeigte die nachfolgende praktische Erfahrung mit solchen Legierungen, daß sie zwar die erforderliche Hochtemperatur-Festigkeit aufwiesen, jedoch wenig oder keine Duktilität bei Raum- und mäßigen Temperaturen, das heißt von 20 bis 550°C. Materialien, die zu spröde sind, können nicht leicht hergestellt werden, und sie wiederstehen auch nicht einer nicht zu häufigen, aber unvermeidbaren untergeordneten Beschädigung während der Benutzung ohne zu reißen und nachfolgend zu versagen. Sie sind daher keine brauchbaren Konstruktionsmaterialien, um andere Basislegierungen zu ersetzen."
Es ist bekannt, daß sich das Gamma-TiAl-Legierungssystem
beträchtlich von Ti3Al unterscheidet (sowie von den
Legierungen des Ti, die feste Lösungen bilden), obwohl
sowohl TiAl als auch Ti3Al im Grunde geordnete
intermetallische Titan-Aluminium-Verbindungen sind. Wie in
der obigen US-PS 42 94 615 unten in der Spalte 1
ausgeführt:
"Der Fachmann weiß, daß es einen beträchtlichen Unterschied zwischen den beiden geordneten Phasen gibt. Das Legierungs- und Umwandlungsverhalten von Ti3Al ähnelt dem des Titans, da die hexagonalen Kristallstrukturen sehr ähnlich sind. Die Verbindung TiAl hat jedoch eine tetragonale Anordnung der Atome und somit ziemlich unterschiedliche Legierungseigenschaften. Ein solcher Unterschied wird in der früheren Literatur häufig nicht erkannt."
"Der Fachmann weiß, daß es einen beträchtlichen Unterschied zwischen den beiden geordneten Phasen gibt. Das Legierungs- und Umwandlungsverhalten von Ti3Al ähnelt dem des Titans, da die hexagonalen Kristallstrukturen sehr ähnlich sind. Die Verbindung TiAl hat jedoch eine tetragonale Anordnung der Atome und somit ziemlich unterschiedliche Legierungseigenschaften. Ein solcher Unterschied wird in der früheren Literatur häufig nicht erkannt."
Eine Anzahl technischer Veröffentlichungen, die sich mit
den Titan-Aluminium-Verbindungen sowie mit Eigenschaften
dieser Verbindungen befaßt, sind die folgenden:
- 1. E. S. Bumps, H. D. Kessler und M. Hansen, "Titanium- Aluminum System", Journal of Metals, Juni 1952, Seiten 609- 614, Transactions AIME, Band 194.
- 2. H. R. Ogden, D. J. Maykuth, W. L. Finlay und R. I. Jaffee, "Mechanical Properties of High Purity Ti-Al Alloys", Journal of Metals, Februar 1953, Seiten 267-272, Transactions AIME, Band 197.
- 3. Joseph B. McAndrew und H. D. Kessler, "Ti-36 Pct Al as a Base for High Temperature Alloys", Journal of Metals, Oktober 1956, Seiten 1345-1353, Transactions AIME, Band 206.
- 4. S. M. Barinov, T. T. Nartova, Yu L. Krasulin and T. V.
Mogutova, "Temperature Dependence of the Strength and
Fracture Toughness of Titanium Aluminum", Izv. Akad. Nauk
SSSR, Met., Band 5, Seite 170, 1983.
In Druckschrift 4., Tabelle I, ist eine Zusammensetzung von Titan-36 Aluminium -0,01 Bor aufgeführt, von der gesagt wird, daß sie eine verbesserte Duktilität habe. Diese Zusammensetzung entspricht in At-% Ti50Al49,97B0,03. - 5. S. M. L. Sastry und H. A. Lispitt, "Plastic Deformation of TiAl und Ti3Al", Titanium 80 (veröffentlicht durch American Society for Metals, Warrendale, PA.), Band 2, Seite 1231 (1980).
- 6. Patrick L. Martin, Madan G. Mendiratta und Harry A. Lispitt, "Creep Deformation of TiAl und TiAl+W Alloys", Metallurgical Transactions A, Band 14A, Seiten 2171-2174 (Oktober 1983).
- 7. Tokuzo Tsujimoto, "Research, Development, and Prospects of TiAl Intermetallic Compound Alloys", Titanium and Zirconium, Band 33, Nr. 3, 159, Seiten 1-13 (Juli 1985).
- 8. H. A. Lispitt, "Titanium Aluminides - An Overview", Mat. Res. Soc. Symposium Proc., Materials Research Society, Band 39, Seiten 351-364 (1985).
- 9. S.H. Whang et al, "Effect of Rapid Solidification in LloTiAl Compound Alloys", ASM Symposium Proceedings on Enhanced Properties in Struc. Metals Via Rapid Solidification, Materials Week, Seiten 1-7 (1986).
- 10. Izvestiya Akademii Nauk SSR, Metally, Nr. 3, Seiten 164-168 (1984).
- 11. P. L. Martin H. A. Lispitt, N. T. Nuhfer und J. C. Williams, "The Effects of Alloying on the Microstructure and Properties of Ti3Al and TiAl", Titanium 80 (veröffentlicht durch die American Society of Metals, Warrendale, PA.), Band 2, Seiten 1245-1254 (1980).
- 12. D. E. Larsen, M. L. Adams, S. L. Kampe, L. Christodoulou und J. D. Bryant, "Influence of Matrix Phase Morphology on Fracture Toughness in a Discontinuously Reinforced XDTM Titanium Aluminide Composite", Scripta Metallurgica et Materialia, Band 24, Seiten 851-856 (1990).
- 13. J.D. Bryant, L. Christodon und J.R. Maisano, "Effect of TiB2 Additions on the Colony Size of Near Gamma Titanium Aluminides", Scripta Metallurgica et Materialia, Band 24, Seiten 33-38 (1990).
Es befaßt sich auch eine Reihe von Patentschriften mit
TiAl-Zusammensetzungen:
Die US-PS 32 03 794 offenbart verschiedene TiAl- Zusammensetzungen.
Die US-PS 32 03 794 offenbart verschiedene TiAl- Zusammensetzungen.
Die CA-PS 6 21 884 offenbart ebenfalls verschiedene
Zusammensetzungen von TiAl.
US-PS 46 61 316 lehrt Titanaluminid-Zusammensetzungen,
die verschiedene Zusätze enthalten.
US-PS 48 42 820 lehrt die Einführung von Bor zur
Bildung einer tertiären TiAl-Zusammensetzung und zur
Verbesserung von Duktilität und Festigkeit.
US-PS 46 39 281 lehrt den Einschluß faserförmiger
Dispersoide von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und deren
Mischungen oder deren Mischungen mit Silizium in eine
Titanbasislegierung, die Ti-Al einschließt.
Die EP-A-02 75 391 lehrt TiAl-Zusammensetzungen, die
bis zu 0,3 Gew.-% Bor und 0,3 Gew.-% Bor enthalten, wenn
Nickel und Silizium vorhanden sind. Eine Kombination von
Chrom oder Tantal mit Bor wird jedoch nicht gelehrt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Gießen intermetallischer Gamma-TiAl-
Verbindung zu Körpern zu schaffen, die eine feine
Kornstruktur aufweisen. Die Gußkörper sollen außerdem eine
erwünschte Kombination von Eigenschaften aufweisen. Weiter
soll ein Verfahren zum Gießen von Gamma-TiAl zu Strukturen
geschaffen werden, die eine reproduzierbare feine
Kornstruktur aufweisen.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung
sind teilweise augenscheinlich und ergeben sich teilweise
aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem ihrer breiteren Aspekte können die Aufgaben
durch die vorliegende Erfindung gelöst werden durch
Schaffen einer Schmelze aus einem Gamma-TiAl, das zwischen
43 und 48 At-% Aluminium, zwischen 1,0 und 6,0 At-% Tantal
und zwischen 0 und 3,0 At-% Chrom enthält, Hinzugeben von
Bor als einem Impfzusatz in Konzentrationen zwischen 0,5
und 2 At-% und Gießen der Schmelze.
Die folgende Beschreibung wird einfacher verstanden, wenn
auf die anliegende Zeichnung Bezug genommen wird. Im
einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen Modul und Temperatur für eine Reihe von
Legierungen,
Fig. 2 ein Schliffbild eines Gußkörpers aus Ti-48Al
(Beispiel 2),
Fig. 3 ein Schliffbild eines Gußkörpers aus Ti-
45,5Al-2Cr-2Ta-1B (Beispiel 14),
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die
Eigenschaftsunterschiede zwischen den Legierungen
wiedergibt, die ähnlich denen nach den Fig. 2 und 3
sind.
Es ist gut bekannt und ausführlich oben diskutiert worden,
daß mit Ausnahme seiner Sprödigkeit die intermetallische
Gamma-TiAl-Verbindung viele Einsatzmöglichkeiten in der
Industrie haben würde, da sie ein geringes Gewicht, eine
hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen und relativ geringe
Kosten hat. Die Zusammensetzung hätte heutzutage viele
industrielle Einsatzmöglichkeiten, gäbe es nicht den
grundlegenden Eigenschaftsdefekt des Materials, der seine
Anwendung für viele Jahre verhindert hat.
Weiter wurde erkannt, daß gegossenes Gamma-TiAl an einer
Anzahl von Nachteilen leidet, von denen einige oben
erläutert wurden. Diese Nachteile schließen die Abwesenheit
eines feinen Gefüges, die Abwesenheit einer geringen
Viskosität zum Gießen in dünnen Abschnitten, die Sprödheit
der gebildeten Gußkörper, die relativ geringe Festigkeit
der gebildeten Gußkörper und eine geringe Fluidität im
geschmolzenen Zustand ein, um Gußkörper mit feinen
Einzelheiten und scharfen Winkeln und Ecken im gegossenen
Produkt zu gestatten.
In der vorliegenden Erfindung wurde nun festgestellt, daß
beträchtliche Verbesserungen in der Gießbarkeit von Gamma-
TiAl und beträchtliche Verbesserungen in den gegossenen
Produkten erzielt werden können, indem man die Gießpraxis
in der hier erläuterten Weise modifiziert.
Um die Verbesserungen der Eigenschaften der Gamma-TiAl
besser zu verstehen, wird eine Anzahl von Beispielen
gegeben und diskutiert, bevor man zu den Beispielen kommt,
die sich mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen befassen.
Es wurden drei einzelne Schmelzen zubereitet, die Titan und
Aluminium in verschiedenen binären stöchiometrischen
Verhältnissen enthielten, die sich dem des TiAl annäherten.
Jede der drei Zusammensetzungen wurde separat gegossen, um
das Gefüge zu beobachten. Die Proben schnitt man in Stäbe,
und die Stäbe wurden separat für drei Stunden unter einem
Druck von etwa 315 MPa bei 1050°C heißisostatisch gepreßt.
Die Stäbe wurden dann einzeln verschiedenen
Wärmebehandlungs-Temperaturen unterworfen, die im Bereich
von 1200 bis 1375°C lagen. Es wurden aus den
wärmebehandelten Proben übliche Teststäbe zubereitet und
Messungen der Streckgrenze, der Bruchfestigkeit und der
plastischen Dehnung vorgenommen. Die Beobachtungen
hinsichtlich der Erstarrungsstruktur, der Wärmebehandlungs-
Temperaturen und der bei den Tests ermittelten Werte sind
in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt.
Wie sich der Tabelle I entnehmen läßt, enthalten die drei
verschiedenen Zusammensetzungen drei verschiedene
Aluminiumkonzentrationen und zwar im einzelnen 46 At-%
Aluminium, 48 At-% Aluminium und 50 At-% Aluminium. Die
Erstarrungsstruktur für diese drei separaten Schmelzen sind
ebenfalls in Tabelle I aufgeführt, und es ergibt sich aus
der Tabelle, daß drei verschiedene Strukturen beim
Erstarren der Schmelze gebildet wurden. Diese Unterschiede
in der Kristallform der Gußkörper bestätigen teilweise die
scharfen Unterschiede in Kristallform und in den
Eigenschaften, die sich aus geringen Unterschieden im
stöchiometrischen Verhältnis der Gamma-TiAl-
Zusammensetzungen ergeben. Das Ti-46Al hatte die beste
Kristallform von den drei Gußkörpern, doch ist eine kleine
gleichachsige Form bevorzugt.
Hinsichtlich der Zubereitung der Schmelze und der
Erstarrung wurde jeder separate Barren mit einem
elektrischen Lichtbogen in einer Argonatmosphäre
erschmolzen. Es wurde ein wassergekühlter Herd als Behälter
für die Schmelze benutzt, um unerwünschte Reaktionen der
Schmelze mit dem Behälter zu vermeiden. Es wurde sorgfältig
vermieden, das heiße Metall Sauerstoff auszusetzen, weil
Titan eine starke Affinität zu Sauerstoff hat.
Es wurden Stäbe aus den separaten gegossenen Strukturen
geschnitten. Diese Stäbe wurden heiß isostatisch gepreßt
und einzeln bei den in der Tabelle I aufgeführten
Temperaturen wärmebehandelt.
Die Wärmebehandlung wurde bei der in Tabelle I angegebenen
Temperatur für zwei Stunden ausgeführt.
Aus den in Tabelle I enthaltenen Testdaten ergibt sich, daß
die Legierungen, die 46 und 48 At-% Aluminium enthielten,
allgemein eine hervorragende Festigkeit und allgemein eine
hervorragende plastische Dehnung aufwiesen, verglichen mit
der Legierungszusammensetzung, die mit 50 At-% Aluminium
hergestellt war. Die Legierung mit der besten
Gesamtduktilität war die, die 48 At-% Aluminium enthielt.
Die Kristallform der Legierung mit 48 At-% Aluminium im
gegossenen Zustand wies jedoch keine erwünschte gegossene
Struktur auf, da es allgemein erwünscht ist, feine
gleichachsige Körner in einer gegossenen Struktur zu haben,
um die beste Gießbarkeit in dem Sinne zu erhalten, daß ein
Gießen in dünnen Abschnitten und mit feinen Details, wie
scharfen Winkeln und Ecken möglich ist.
Wie sich der US-PS 48 42 819 entnehmen läßt, kann die
Gamma-TiAl-Verbindung beträchtlich duktiler gemacht werden,
indem man eine geringe Menge Chrom hinzugibt.
Es wurde eine Reihe von Legierungszusammensetzungen
als Schmelzen hergestellt, die verschiedene Konzentrationen
von Aluminium zusammen mit einer geringen Konzentration von
Chrom enthielten. Die Legierungszusammensetzungen dieser
Versuche sind in der folgenden Tabelle II aufgeführt. Das
Herstellungsverfahren war im wesentlichen wie mit Bezug auf
die Beispiele 1 bis 3 oben beschrieben.
Die Kristallform der erstarrten Struktur wurde beobachtet
und, wie sich der Tabelle II entnehmen läßt, verbesserte
die Zugabe des Chroms den Erstarrungsmodus der Struktur der
Materialien, die in Tabelle I aufgeführt sind, nicht. Im
besonderen hatte die Zusammensetzung mit 46 At-% Aluminium
und 2 At-% Chrom eine große gleichachsige Kornstruktur. Zum
Vergleich hatte die Zusammensetzung des Beispiels 1 mit 46
At-% Aluminium ebenfalls eine große gleichachsige
Kornstruktur. In ähnlicher Weise zeigen die Beispiele 5 und
6, daß die Zugabe von 2 At-% Chrom zur Zusammensetzung der
Beispiele 2 und 3 der Tabelle I keine Verbesserung in der
Erstarrungsstruktur ergab.
Stäbe, die aus den verschiedenen gegossenen Strukturen
geschnitten waren, wurden heiß isostatisch gepreßt und bei
Temperaturen, wie sie in Tabelle II aufgeführt sind,
einzeln wärmebehandelt. Die Teststäbe wurden aus den
separaten wärmebehandelten Proben zubereitet, und es wurden
Messungen der Streckgrenze, der Bruchfestigkeit und der
plastischen Dehnung vorgenommen. Im allgemeinen erwies sich
das Material mit 46 At-% Aluminium als etwas weniger duktil
als die Materialien mit 48 und 50 At-% Aluminium, doch
waren die Eigenschaften der drei Materialien ansonsten im
wesentlichen äquivalent mit Bezug auf die Zugfestigkeit.
Es ist festzustellen, daß die Zusammensetzung mit 48 At-%
Aluminium und 2 At-% Chrom den besten Satz von
Eigenschaften aufwies. In diesem Sinne ist sie ähnlich der
Zusammensetzung mit 48 At-% Aluminium nach Beispiel 2. Die
Zugabe von Chrom verbesserte die Duktilität des gegossenen
Materials jedoch nicht, wie es bei den Zusammensetzungen
nach der US-PS 48 42 819 der Fall war, die in anderer Weise
erhalten wurden.
Es wurden Schmelzen von drei weiteren Zusammensetzungen aus
Gamma-TiAl mit den in Tabelle III aufgeführten
Zusammensetzungen zubereitet. Diese Zubereitung erfolgte in
Übereinstimmung mit dem Verfahren, das oben mit Bezug auf
die Beispiele 1 bis 3 beschrieben wurde. Es wurde
elementares Bor der zu schmelzenden Ladung hinzugegeben, um
die erwünschte Borkonzentration jeder borhaltigen Legierung
zu erhalten. Um den Vergleich zu erleichtern, sind
Zusammensetzung und Testergebnisse des Beispiels 2 in
Tabelle III übernommen worden.
Wie den in Tabelle III aufgeführten Ergebnissen zu
entnehmen, führt die Zugabe von geringen Konzentrationen an
Bor in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 At-% nicht zu
einer Änderung der Kristallform der erstarrten TiAl-
Grundzusammensetzung.
Die Eigenschaften der TiAl-Grundzusammensetzungen können
vorteilhaft durch Zugabe einer geringen Menge Tantal zum
TiAl als auch durch Zugabe einer geringen Menge von Chrom
plus Tantal zum TiAl modifiziert werden, wie in der US-PS
48 42 817 und der EP-A 04 06 638 ausgeführt.
Obwohl die Kristallform des erstarrten, Chrom und Tantal
enthaltenden Gamma-TiAl durch die Zugabe von 0,2 At-% Bor
nicht geändert wurde, verbesserten sich die
Zugeigenschaften der Zusammensetzung außerordentlich stark,
insbesondere hinsichtlich der Zugfestigkeit und der
Duktilität.
Es wurden Schmelzen von vier weiteren Zusammensetzungen aus
Gamma-TiAl mit den in Tabelle IV aufgeführten
Zusammensetzungen zubereitet. Die Herstellung erfolgte nach
den oben mit Bezug auf die Beispiele 1 bis 3 beschriebenen
Verfahren. In den Beispielen 12 und 13 wurden, wie in den
Beispielen 7 bis 9, die Borkonzentrationen in Form
elementaren Bors dem Schmelzgut hinzugegeben.
Nach der Bildung jeder der Schmelze der vier Beispiele
erfolgte die Beobachtung der Erstarrungsstruktur, und deren
Beschreibung ist in Tabelle IV aufgeführt. Die Ergebnisse
des Beispiels 4 sind in die Tabelle IV übernommnen, um den
Vergleich der Daten mit denen der Ti-46Al-2Cr-
Zusammensetzung zu erleichtern. Darüber hinaus wurden Stäbe
aus der erstarrten Probe hergestellt, diese Stäbe wurden
heiß isostatisch gepreßt und einzeln bei Temperaturen von
1250 bis 1400°C wärmebehandelt. Es wurden Ermittlungen der
Streckgrenze, Bruchfestigkeit und plastischen Dehnung
vorgenommen, und die Ergebnisse sind für jede der
untersuchten Proben in Tabelle IV aufgeführt.
Man wird feststellen, daß die Zusammensetzungen der Proben
der Beispiele 10 bis 13 der Zusammensetzung der Probe des
Beispiels 4 nahezu entsprechen, da jede etwa 46 At-%
Aluminium und 2 At-% Chrom enthält. Darüber hinaus wurde in
jedem der Beispiele ein quaternärer Zusatz benutzt. In
Beispiel 10 war dieser Zusatz Kohlenstoff, und es ergibt
sich aus der Tabelle IV, daß dieser Zusatz der
Erstarrungsstruktur nicht sehr nützte, da eine säulenartige
Struktur statt der großen gleichachsigen Struktur des
Beispiels 4 beobachtet wurde. Während für die Probe des
Beispiels 10 eine merkliche Zunahme in der Festigkeit zu
verzeichnen ist, nahm die plastische Dehnung derart ab, daß
die Proben im wesentlichen unbrauchbar waren.
Den Ergebnissen des Beispiels 11 läßt sich entnehmen, daß
die Zugabe von 0,5 At-% Stickstoff als quaternärem Zusatz
zu einer beträchtlichen Verbesserung in der
Erstarrungsstruktur führte, da sie eine feine gleichachsige
Struktur war. Der Verlust an plastischer Dehnung bedeutet
jedoch, daß der Einsatz von Stickstoff unakzeptabel war,
weil er eine Verschlechterung der Zugeigenschaften zur
Folge hatte.
Betrachtet man die folgenden Beispiele 12 und 13, so stellt
man fest, daß hier wiederum der quaternäre Zusatz, der in
beiden Fällen Bor war, zu einer feinen gleichachsigen
Erstarrungsstruktur führte, was die Zusammensetzung mit
Bezug auf ihre Gießbarkeit verbesserte. Außerdem ergab sich
ein merklicher Gewinn hinsichtlich der Festigkeit durch die
Borzugabe, wie ein Vergleich der Festigkeitswerte mit denen
der Probe des Beispiels 4 zeigt. Bemerkenswert ist auch,
daß die plastische Dehnung der Proben, die Bor als
quaternären Zusatz enthielten, nicht derart vermindert
wurde, daß die Zusammensetzungen im wesentlichen
unbrauchbar wurden. Somit wurde festgestellt, daß durch die
Zugabe von Bor zum Titanaluminid, das Chrom als ternären
Zusatz enthielt, nicht nur die Erstarrungsstruktur
beträchtlich verbessert, sondern auch die Zugfestigkeiten,
und zwar sowohl hinsichtlich der Streckgrenze als auch der
Bruchfestigkeit merklich verbessert werden können, ohne daß
ein unannehmbarer Verlust hinsichtlich der plastischen
Dehnung auftritt. Es wurde weiter festgestellt, daß
nützliche Ergebnisse durch Zugaben höherer
Borkonzentrationen erhältlich sind, wenn die
Konzentrationen des Aluminiums im Titanaluminid geringer
sind. Gamma-Titanaluminid-Zusammensetzungen, die Chrom- und
Bor-Zusätze enthalten, verbessern damit merklich die
Gießbarkeit der Zusammensetzung auf der Grundlage von
Titanaluminid, insbesondere hinsichtlich der
Erstarrungsstruktur und der Festigkeitseigenschaften der
Zusammensetzung. Die Verbesserung in der gegossenen
Kristallform trat für die Legierung des Beispiels 13 ebenso
auf, wie für die des Beispiels 12. Die plastische Dehnung
der Legierung des Beispiels 13 war jedoch nicht so hoch wie
die der Legierung des Beispiels 12.
Es wurde eine zusätzliche Legierungszusammensetzung
zubereitet mit dem Gehalt an Bestandteilen, wie er in der
folgenden Tabelle V aufgeführt ist. Das
Herstellungsverfahren war im wesentlichen wie oben im
Zusammenhang in den Beispielen 1 bis 3 beschrieben. Wie in
den früheren Beispielen wurde elementares Bor dem
Schmelzgut hinzugefügt, um die Borkonzentration jeder
borhaltigen Legierung zu erhalten.
Wie der Tabelle V zu entnehmen, ist die Zusammensetzung des
Beispiels 14 im wesentlichen gleich den Zusammensetzungen
der Beispiele 12 und 13, zu denen 2 At-% Tantal hinzugefügt
worden sind.
Nach der in den Beispielen 1 bis 3 gegebenen Beschreibung
wurde die Erstarrungsstruktur untersucht, nachdem die
Schmelze gegossen worden war. Die Erstarrungsstruktur
erwies sich als die feine gleichachsige Form, die auch für
die Probe des Beispiels 12 beobachtet wurde.
Nach den mit Bezug auf die Beispiele 1 bis 3 angegebenen
Stufen wurden Stäbe des gegossenen Materials zubereitet,
heißisostatisch gepreßt und einzeln bei den in Tabelle V
aufgeführten Temperaturen wärmebehandelt. Dann wurden die
wärmebehandelten Stäbe sowohl hinsichtlich der
Festigkeitseigenschaften als auch der plastischen Dehnung
untersucht, und die entsprechenden Ergebnisse finden sich
in Tabelle V. Aus diesen Ergebnissen läßt sich entnehmen,
daß eine merkliche Verbesserung hinsichtlich der
plastischen Dehnung mit der Zusammensetzung des Beispiels
14 der Tabelle V erzielbar ist.
Es wird daher deutlich, daß das gegossene Material nicht
nur die erwünschte feine gleichachsige Form aufweist,
sondern daß die Festigkeit der Zusammensetzungen des
Beispiels 14 gegenüber der Zusammensetzung der Beispiele 1,
2 und 3 der Tabelle I stark verbessert ist. Zusätzlich ist
die plastische Dehnung der Proben des Beispiels 14 nicht
merklich vermindert, wie dies bei der Zugabe von
Kohlenstoff im Beispiel 10 oder aufgrund des Einsatzes des
Stickstoffzusatzes im Beispiel 11 der Fall war.
Die Untersuchungen haben gezeigt, daß die Legierung der
EP-A-04 06 638, die Tantal- und Chrom-Zusätze enthält, eine
in hohem Maße erwünschte Legierung ist, weil sie eine
Kombination von Eigenschaften und spezifisch die
Verbesserung der Eigenschaften des TiAl aufweist, die der
Zugabe von Tantal- und Chrom-Zusätzen zugeschrieben werden.
Es ist jedoch auch deutlich geworden, daß die Kristallform
einer Legierung, die Chrom und Tantal enthält, im Grunde
säulenförmig ist und nicht die bevorzugte feine
gleichachsige Kristallform aufweist, die für
Gießanwendungen erwünscht ist. Wegen der Zugabe von Bor zur
Grundlegierung ist die Kristallform dieser Legierung und
seine Gießbarkeit sehr verbessert. Gleichzeitig gibt es
jedoch keinen merklichen Verlust an den Eigenschaften, die
der TiAl-Grundlegierung durch die Chrom- und Tantal-Zusätze
verliehen werden. Aus der Untersuchung des Einflusses der
verschiedenen Zusätze, wie den oben genannten Zusätzen
Kohlenstoff und Stickstoff, wird deutlich, daß es die
Kombination der Zusätze ist, die den einzigartigen Satz
erwünschter Ergebnisse bringt. Zahlreiche andere
Kombinationen einschließlich einer, die zum Beispiel
Stickstoff enthält, leiden an einem merklichen Verlust von
Eigenschaften, obwohl sie eine nützliche Kristallform
gewinnen.
Claims (12)
1. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium,
Chrom, Tantal und Bor in der folgenden etwaigen
Zusammensetzung:
Ti41-55.5Al43-48Cr0-3Ta1-6B0.5-2.0
2. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium,
Chrom, Tantal und Bor in der folgenden etwaigen
Zusammensetzung:
Ti41.5-55Al43-48Cr0-3Ta1-6B1.0-1.5
3. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium,
Chrom, Tantal und Bor in der folgenden etwaigen
Zusammensetzung:
Ti43-53.5Al43-48Cr1-3Ta2-4B0.5-2.0
4. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium,
Chrom, Tantal und Bor in der folgenden etwaigen
Zusammensetzung:
Ti46-50.5Al44.5-46.5Cr2Ta2-4B1.0-1.5
5. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium,
Chrom, Tantal und Bor in der folgenden etwaigen
Zusammensetzung:
Ti47-51.5Al44.5-46.5Cr1-3Ta2B1.0-1.5
6. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium,
Chrom, Tantal und Bor in der folgenden etwaigen
Zusammensetzung:
Ti48-50.5Al44.5-46.5Cr2Ta2B1.0-1.5
7. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden
etwaigen Zusammensetzung ist:
Ti41-55.5Al43-48Cr0-3Ta1-6B0.5-2.0
8. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden
etwaigen Zusammensetzung ist:
Ti41.5-55Al43-48Cr0-3Ta1-6B1.0-1.5
9. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden
etwaigen Zusammensetzung ist:
Ti43-53.5Al43-48Cr1-3Ta2-4B0.5-2.0
10. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden
etwaigen Zusammensetzung ist:
Ti46-50.5Al44.5-46.5Cr2Ta2-4B1.0-1.5
11. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden
etwaigen Zusammensetzung ist:
Ti47-51.5Al44.5-46.5Cr1-3Ta2B1.0-1.5
12. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden
etwaigen Zusammensetzung ist:
Ti48-50.5Al44.5-46.5Cr2Ta2B1.0-1.5
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