DE4121228A1 - Giessbares, niob und chrom enthaltendes titanaluminid - Google Patents

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 46 962 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 Niob-dotiertem TiAl, die aufgrund der kombinierten Zusätze aus Chrom, Niob 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 3ß 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 anderen 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 variieren, 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 Zusmmensetzungen 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, daß 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 frühreren 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-Aluminium 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 TiAl 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 Aluminium", 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-% Ti₅₀Al_49,97B_0,03.
• 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 (Oktover 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 Ll₀TiAl 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 Microstruckture and Properties of Ti₃Al und 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 XD^TM 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 Patentanschriften mit 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 TiAl einschließt.
Die EP-A-0 2 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 5,0 At-% Niob 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 folgennde Beschreibung wird einfacher verstanden, wenn auf die anliegende Zeichnung Bezug genommen wird. Im einzelnen zeigt

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-46,5Al-2Cr-4-Nb-1B-0,1C (Beispiel 18),

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.

Beispiele 1 bis 3

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.

Tabelle I

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.

Beispiele 4 bis 6

Wie sich der US-PS 48 42 819 entnehmen läßt, kann die Gamma-TiAl-Verbindung beträchlich 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.

Tabelle II

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 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.

Beispiele 7 bis 9

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.

Tabelle III

Jede der Schmelzen wurde gegossen und die Kristallform der Gußkörper wurde beobachtet. Man schnitt Stäbe aus dem Gußkörper und diese Stäbe wurden heiß isostatisch gepreßt und dann einzeln Wärmebehandlungen bei den in Tabelle III aufgeführten Temperaturen unterworfen. Tests der Streckgrenze, Bruchfestigkeit und plastischen Dehnung wurden ausgeführt, und die Ergebnisse dieser Tests sind ebenfalls in Tabelle III aufgeführt.

Wie sich der Tabelle III entnehmen läßt, wurden relativ geringe Konzentrationen an Bor in der Größenordnung von 1- oder 2 Zehntel eines Atomprozents benutzt. Der Tabelle läßt sich auch entnehmen, daß diese Menge an Borzusatz nicht in der Lage war, die Kristallform des Gußkörpers zu ändern.

Die Bestandteile des Beispiels 2 wurden zur Erleichterung des Vergleiches mit den neuen Beispielen 7, 8 und 9 mit aufgeführt, da alle borhaltigen Zusammensetzungen ebenfalls 48 At-% Aluminium enthielten.

Es ist von Bedeutung, festzustellen, daß die Zugaben geringer Konzentrationen an Bor nicht zu einer merklichen Verminderung der Werte der Zugfestigkeit und der Duktilität führten.

Beispiele 10 bis 13

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.

Tabelle IV

Nach der Bildung jeder der Schmelzen 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 übernommen, um den Vergleich der Daten mit denen der Ti-46Al-2-Cr-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.

Beispiele 14 und 15

Es wurden zwei zusätzliche Legierungszusammensetzungen 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.

Tabelle V

Wie der Tabelle V zu entnehmen sind die beiden Zusammensetzungen im wesentlichen gleich den Zusammensetzungen der Beispiele 12 und 13, zu denen 4 At-% Niob hinzugefügt worden sind. US-PS 48 79 092 lehrt eine neue Zusammensetzung von Titan-Aluminium-Legierungen, die durch Chrom und Niob modifiziert sind. Eine abhängige US-Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 3 54 965 vom 22. Mai 1989 betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von mit Chrom und Niob modifizierten TiAl-Legierungen.

Nach der zu 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 Proben der Beispiele 12 und 13 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 den Zusammensetzungen der Beispiele 14 und 15 der Tabelle V erzielbar ist. Daraus kann man die Schlußfolgerung ziehen, daß die Borzugabe die Gießbarkeit der Zusammensetzung des obigen US Patentes stark verbesserte. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die geringeren Aluminiumkonzentrationen höhere Borkonzentrationen gestatten. Aus diesem Grunde wurde die Aluminiumkonzentration im Beispiel 15 im Vergleich zum Beispiel 14 vermindert, um die erhöhte Borzugabe im Beispiel 15 teilweise zu kompensieren.

Das gegossene Material hat aber nicht nur die erwünschte feine gleichachsige Form, sondern die Festigkeiten der Zusammensetzungen der Beispiele 14 und 15 sind gegenüber den Zusammensetzungen der Beispiele 1 bis 3 der Tabelle I stark verbessert. Darüber hinaus ist die plastische Dehnung der Proben der Beispiele 14 und 15 nicht wie in Beispiel 10 oder aufgrund des Stickstoffzusatzes wie in Beispiel 11 zu einem unannehmbaren Niveau vermindert.

Beispiele 16 bis 18

Es wurden drei weitere Schmelzen gemäß dem mit Bezug auf die Beispiele 1 bis 3 beschriebenen Verfahren zubereitet. Die Zusammensetzungen der drei weiteren Schmelzen sind in der folgenden Tabelle VI aufgeführt. Wie in den früheren Beispielen wurde elementares Bor in das Schmelzgut gemischt, um die Borkonzentration jeder borhaltigen Legierung zu erhalten.

Tabelle VI

Die Zusammensetzungen der drei Schmelzen der Tabelle VI entsprechen der Zusammensetzung der Schmelze des Beispiels 14 mit zwei Ausnahmen. Eine Ausnahme besteht darin, daß jede der drei Schmelzen der Beispiele 16, 17 und 18 eine andere Aluminiumkonzentration aufwies, und zwar 44,5 At-% für Beispiel 16, 45,5 At-% für Beispiel 17 und 46,5 At-% für Beispiel 18. Zweitens enthielt jede der Schmelzen der Tabelle VI 0,1 At-% Kohlenstoff. Die Zusammensetzungen wurden gegossen und die gegossenen Zusammensetzungen hinsichtlich der Erstarrungsstruktur untersucht. In jedem Falle war die erhaltene Struktur eine feine gleichachsige Struktur. Diese feine gleichachsige Struktur wurde nicht der Zugabe von Kohlenstoff zugeschrieben, weil die Kohlenstoffzugabe im Beispiel 10 eine säulenartige Erstarrungsstruktur erzeugte.

Aus dem gegossenen Material wurden Stäbe gearbeitet, diese Stäbe heißisostatisch gepreßt und Wärmebehandlungen nach dem in Tabelle VI aufgeführten Schema unterworfen. An den einzeln wärmebehandelten Proben wurden Tests ausgeführt und dabei Werte für die Streckgrenze, die Bruchfestigkeit und die plastische Dehnung bestimmt, die ebenfalls in Tabelle VI aufgeführt sind. Ein Vergleich der bei der Probe des Beispiels 17 erhaltenen Daten mit denen der Probe des Beispiels 14 zeigt, daß als Ergebnis der Zugabe von 0,1 At-% Kohlenstoff eine deutliche Verfestigung eintrat, da die Zusammensetzungen ansonsten identisch waren. Darüber hinaus war die plastische Dehnung des Materials des Beispiels 18, das 46,5 At-% Aluminium enthielt, annehmbar hoch für eine Zusammensetzung im gegossenen Zustand. Bei der Auswertung der Ergebnisse dieser drei Beispiele 16 bis 18 wird deutlich, daß bei Zunahme der Aluminiumkonzentration die Festigkeit abnimmt und die Duktilität zunimmt.

Die vorbeschriebenen Tests haben gezeigt, daß die Niob- und Chrom-Zusätze enthaltende TiAl-Legierung nach der US-PS 48 79 092 eine sehr erwünschte Legierung ist wegen der Kombination von Eigenschaften und insbesondere wegen der Verbesserung der Eigenschaften des TiAl, die der Zugabe der Zusätze Niob und Chrom zugeschrieben wird. Es ist jedoch auch deutlich geworden, daß die Kristallform einer Chrom und Niob enthaltenden Titan-Aluminium-Legierung im Grunde säulenförmig ist und nicht die bevorzugte feine gleichachsige Kristallform hat, die für Gießanwendungen erwünscht ist. Somit hat die Grundlegierung mit Chrom- und Niobzusätzen eine erwünschte Kombination von Eigenschaften, die der Anwesenheit von Chrom und Niob zugeschrieben werden können. Wegen der Einführung von Bor in die Grundlegierung werden die Kristallform der Legierung und ihre Gießbarkeit sehr stark verbessert. Gleichzeitig findet kein merklicher Verlust an den Eigenschaften statt, die der TiAl-Grundlegierung durch die Chrom- und Niob-Zusätze verliehen werden. Aufgrund der oben beschriebenen Untersuchungen des Einflusses verschiedener Zusätze, wie Kohlenstoff und Stickstoff, wird deutlich, daß es die Kombination von Zusätzen ist, die den einzigartigen Satz erwünschter Ergebnisse ergibt. Zahlreiche andere Kombinationen, wie zum Beispiel solche, die Stickstoff enthalten, leiden an einem deutlichen Verlust an Eigenschaften, obwohl man eine nützliche Kristallform erhält.

Claims (12)

1. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium, Chrom, Niob und Bor in der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_42-55,5Al_43-48Cr_0-3Nb_1-5B_0,5-2,0

2. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium, Chrom, Niob und Bor in der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_42,5-55Al_43-48Cr_0-3Nb_1-5B_1,0-1,5

3. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium, Chrom, Niob und Bor in der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_43-53,5Al_43-48Cr_1-3Nb_2-4B_0,5-2,0

4. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium, Chrom, Niob und Bor in der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_46-50,5Al_44,5-46,5Cr₂Nb_2-4B_1,0-1,5

5. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium, Chrom, Niob und Bor in der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_45-49,5Al_44,5-46,5Cr_1-3Nb₄B_1,0-1,5

6. Gießfähige Zusammensetzung mit Titan, Aluminium, Chrom, Niob und Bor in der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_46-48,5Al_44,5-46,5Cr₂Nb₄B_1,0-1,5

7. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden etwaigen Zusammensetzung ist: Ti_42-55,5Al_43-48Cr_0-3Nb_1-5B_0,5-2,0

8. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden etwaigen Zusammensetzung ist: Ti_42,5-55Al_43-48Cr_0-3Nb_1-5B_1,0-1,5

9. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden etwaigen Zusammensetzung ist: Ti_43-53,5Al_43-48Cr_1-3Nb_2-4B_0,5-2,0

10. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden etwaigen Zusammensetzung ist: Ti_46-50,5Al_44,5-46,5Cr₂Nb_2-4B_1,0-1,5

11. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden etwaigen Zusammensetzung ist: Ti_45-49,5Al_44,5-46,5Cr_1-3Nb₄B_1,0-1,5

12. Strukturelement, das ein Gußkörper der folgenden etwaigen Zusammensetzung ist: Ti_46-48,5Al_44,5-46,5Cr₂Nb₄B_1,0-1,5