DE4140707A1

DE4140707A1 - Verfahren zum herstellen von titanaluminiden, die chrom, tantal und bor enthalten

Info

Publication number: DE4140707A1
Application number: DE4140707A
Authority: DE
Inventors: Shyh-Chin Huang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1992-06-25
Anticipated expiration: 2011-12-11
Also published as: JPH0617210A; FR2670805A1; DE4140707C2; GB9125739D0; GB2250999B; CA2056479C; GB2250999A; ITMI913381A0; US5131959A; JPH089760B2; CA2056479A1; ITMI913381A1; FR2670805B1; IT1252230B

Description

Die vorliegende Erfindung steht in enger Beziehung zu den älteren Patentanmeldungen P 41 21 215.0 und P 41 21 228.2 sowie zu der am gleichen Tage eingereichten deutschen Patentanmeldung P 41 40 679.6, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 07/631,989 vom 21. Dezember 1990 in Anspruch genommen ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verarbeitung von Gamma-Titanaluminid (TiAl)-Legierungen mit verbesserter Gießbarkeit im Sinne einer verbesserten Kornstruktur. Mehr im besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die thermomechanische Verarbeitung von Gußkörpern aus Gamma-Titanaluminid, die Chrom- und Tantal-Zusätze enthalten, die ein feines Korngefüge und verbesserte Eigenschaften auf Grund der Zugabe der Kombination der Chrom-, Tantal- und Bor-Zusätze sowie der thermomechanischen Verarbeitung 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 haben sowie in komplizierte Abschnitte der Form einzutreten, 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. Es wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß der gegossene Barren selbst gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert werden kann, indem man ihn thermomechanisch verarbeitet.

Ein anderes erwünschtes Merkmal gegossener Strukturen ist, daß sie ein feines Gefüge haben, das heißt eine feine Korngröße, so daß die Segregation der verschiedenen Bestandteile der 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 deutliche Segregation von Legierungskomponenten auf, besteht eine Gefahr, daß Risse in Abschnitten des gegossenen Gegenstandes auftreten, die auf Grund einer solchen Segregation geschwächt sind und die als Ergebnis der Erstarrung und Abkühlung des Metalles und der Schrumpfung, die ein solches Abkühlen begleitet, 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 ist es auch erwünscht, daß das Metall, nachdem es einmal erstarrt ist, fehlerfrei ist und keine schwachen Abschnitte aufweist, die auf Grund ausgeprägter Segregation oder interner Heißrisse entstanden sind. Im Falle gegossener Barren stellt die feine Korngröße im allgemeinen einen hohen Grad der Verformbarkeit bei hohen Temperaturen sicher, bei denen das thermomechanische Verarbeiten ausgeführt wird. Eine grobkörnige oder säulenförmige Struktur würde während des thermomechanischen Verarbeitens zum Reißen an Korngrenzen neigen, was zu Innenrissen oder zum Platzen der Oberfläche führt.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 41 21 215.0 ist eine Zusammensetzung beschrieben, die Tantal und Chrom in Kombination mit Borzusatz enthält und die hervorragende feinkörnige gegossene Strukturen und gute Eigenschaften aufweist. Es wurde in der vorliegenden Anmeldung festgestellt, daß es möglich ist, diese Eigenschaften und insbesondere die Duktilität durch thermomechanische Verarbeitung solcher Zusammensetzungen stark zu verbessern.

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 Konzentrationen von Aluminium (einschließlich etwa 25 bis 30 Atom-Prozent) bildet sich die intermetallische Verbindung Ti₃Al, die eine geordnete hexagonale Kristallform aufweist, die mit Alpha-2 bezeichnet wird. Bei noch höheren Aluminiumkonzentrationen (einschließlich dem Bereich von 50 bis 60 Atomprozent Aluminium) bildet sich eine andere intermetallische Verbindung, TiAl, die eine geordnete tetragonale Kristallform aufweist, die mit Gamma bezeichnet wird. 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 hat, 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 dem Modul und der Temperatur für TiAl-Verbindungen zu anderen Legierungen des Titans und in Beziehung zu Nickel-Basis- Superlegierungen ist in Fig. 1 gezeigt. Wie dieser Figur zu entnehmen, hat das Gamma-TiAl den besten Modul aller Titanlegierungen. Der Modul des Gamma-TiAl ist nicht nur höher bei höherer Temperatur, sondern die Abnahmerate des Moduls mit steigender Temperatur ist für Gamma-TiAl auch geringer als für die anderen Titan-Legierungen. Darüber hinaus behält das Gamma-TiAl einen brauchbaren Modul bei Temperaturen oberhalb denen bei, bei denen die anderen Titanlegierungen unbrauchbar werden. Legierungen auf der Grundlage der intermetallischen TiAl-Verbindungen sind attraktive Materialien geringen Gewichtes zum Einsatz dort, wo ein hoher Modul bei hohen Temperaturen und ein guter Schutz gegen die Umgebung erforderlich sind.

Eine der charakteristischen Eigenschaften des Gamma-TiAl, die seine tatsächliche Anwendung begrenzt, ist eine relativ geringe Fluidität der geschmolzenen Zusammensetzung. Diese geringe Fluidität begrenzt die Gießbarkeit der Legierung insbesondere dort, wo der Gußkörper dünne Wandabschnitte und eine komplizierte Struktur mit scharfen Winkeln und Ecken aufweist. Verbesserungen der intermetallischen Gamma- TiAl-Verbindung zur Verbesserung der Fluidität der Schmelze sowie 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. Wird in der vorliegenden Anmeldung auf ein feines Gefüge in einem gegossenen TiAl-Produkt Bezug genommen, dann bezieht sich dies auf das Gefüge des Produktes im gegossenen Zustand. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die Anwesenheit einer feinen Struktur bei Gamma-TiAl-Zusammensetzungen, die eine Kombination von Bor, Chrom und Tantal enthalten und diese feine Struktur in Barren aufweisen, diese die Schmiedbarkeit dieser Zusammensetzungen unterstützt. Es wurde auch erkannt, daß beim Schmieden oder anderweitigen mechanischen Bearbeiten des mit den genannten Zusätzen versehenen Produktes, das auch Kohlenstoff enthält, das Gefüge geändert und in einem überraschenden Grade verbessert werden kann.

Eine andere der Eigenschaften von Gamma-TiAl, die die tatsächliche Anwendung für solche Einsätze begrenzt, ist eine Sprödigkeit bei Raumtemperatur. Auch bedarf die Festigkeit der intermetallischen Verbindung bei Raumtemperatur einer Verbesserung, bevor die intermetallische Gamma-TiAl-Verbindung in Strukturkomponenten-Anwendungen benutzt werden kann. Verbesserungen der intermetallischen Gamma-TiAl-Verbindung zur Förderung der Duktilität und/oder Festigkeit bei Raumtemperatur sind sehr erwünscht, um den Einsatz der Zusammensetzungen bei den höheren Temperaturen zu gestatten, für die sie geeignet sind. Es ist eine solche Verbesserung für bestimmte Gamma-TiAl-Zusammensetzungen, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird.

Zusammen mit dem potentiellen Nutzen eines geringen Gewichtes und der Einsatzmöglichkeit bei hohen Temperaturen sind für die Gamma-TiAl-Zusammensetzungen am meisten eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität bei Raumtemperatur erwünscht. Eine Minimalduktilität in der Größenordnung von 1 Prozent ist für einige Anwendungen der Metallzusammensetzung annehmbar, doch sind höhere Duktilitäten sehr viel erwünschter. Eine Mindestfestigkeit von etwa 350 MPa (entsprechend etwa 50 ksi) wird zu einer Zusammensetzung benötigt, damit diese brauchbar ist. Materialien mit diesem Festigkeitsgrad sind jedoch nur von begrenzter Brauchbarkeit, und höhere Festigkeiten sind für einige Anwendungen oft bevorzugt.

Das stöchiometrische Verhältnis von Gamma-TiAl-Verbindungen kann über einen Bereich variieren, ohne daß sich die Kristallstruktur ändert. Der Aluminiumgehalt kann von etwa 50 bis 60 Atomprozent variieren. Die Eigenschaften der Gamma-TiAl-Zusammensetzungen sind jedoch Gegenstand sehr deutlicher Änderungen als Ergebnis relativ geringer Änderungen von 1 Prozent oder mehr im stöchiometrischen Verhältnis von Titan und Aluminium. Auch werden die Eigenschaften durch die Zugabe relativ geringer Mengen ternärer, quaternärer und zusätzlicher Elemente als Zusätze oder Dotierungsmittel in ähnlicher Weise verändert.

Es gibt eine ausgedehnte Literatur über die Zusammensetzungen von Titan und Aluminium einschließlich der intermetallischen TiAl₃-Verbindung, der intermetallischen Gamma-TiAl-Verbindungen und der intermetallischen Ti₃Al-Verbindung. In der US-PS 42 94 615 ist eine intensive Diskussion der titan-aluminid-artigen Legierungen einschließlich der intermetallischen Gamma- TiAl-Legierung enthalten. Wie in der genannten PS in Spalte 1, beginnend mit Zeile 50 bei der Diskussion der Vorteile und Nachteile von Gamma-TiAl mit Bezug auf Ti₃Al ausgeführt:

"Es sollte klar sein, daß das Gamma-TiAl-Legierungssystem das Potential aufweist leichter zu sein, da es mehr Aluminium enthält. In den 50er Jahren ausgeführte Laboratoriumsarbeiten zeigten, daß die Titanaluminid- Legierungen Festigkeit bei hoher Temperatur aufwiesen, daß sie jedoch wenig oder keine Duktilität bei Raum- und mäßigen Temperaturen hatten, daß heißt von 20 bis 550°C. Materialien, die zu spröde sind, können weder leicht verarbeitet werden, noch widerstehen sie einer nicht häufigen aber unvermeidbaren geringen Beschädigung während der Benutzung ohne zu reißen und nachfolgend zu versagen. Sie sind keine brauchbaren Konstruktionsmaterialien, um andere Basislegierungen zu ersetzen."

Es ist bekannt, daß das Gamma-TiAl-Legierungssystem sich beträchtlich von Ti₃Al unterscheidet (sowie von den Legierungen des Ti, die feste Lösungen bilden), obwohl sowohl TiAl als auch Ti₃Al im Grunde genommen geordnete intermetallische Titan-Aluminium-Verbindungen sind. Wie in der oben genannten US-PS 42 94 615 unten in 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 andere 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 befassen, 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 Aliminum", Izv. Akad. Nauk SSSR, Met., Band 5, Seite 170, 1983.
In Druckschrift 4., Tabelle I, ist eine Zusammensetzung von Titan-36Aluminium -0,01 Bor aufgeführt, von der gesagt wird, daß sie eine verbesserte Duktilität habe. Diese Zusammensetzung entspricht in At-% Ti₅₀Al_{49, 97}B_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 (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 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 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 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 Patentschriften 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.

Die US-PS 46 61 316 lehrt Titanaluminid- Zusammensetzungen, die verschiedene Zusätze enthalten.

Die US-PS 48 42 820 lehrt die Einführung von Bor zur Bildung einer ternären TiAl-Zusammensetzung und zur Verbesserung von Duktilität und Festigkeit.

Die US-PS 46 39 281 lehrt den Einschluß faserförmiger Dispersoide von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und deren Mischungen oder deren Mischungen mit Silizium in eine Titanbasis-Legierung, 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 Niob mit Bor wird jedoch nicht gelehrt.

Die US-PS 47 74 052 betrifft ein Verfahren zum Einbauen einer Keramik, die Borid einschließt, in eine Matrix mittels einer exoternen Reaktion, um einem Matrixmaterial, das Titanaluminide einschließt, ein Material einer zweiten Phase zu geben.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern der Eigenschaften gegossener Körper aus intermetallischer Gamma-TiAl-Verbindung zu schaffen, die eine feine Kornstruktur haben. Weiter soll ein Verfahren geschaffen werden, das die Modifikation von Gußkörpern aus Gamma-TiAl gestattet, um diesen eine erwünschte Kombination von Eigenschaften zu verleihen. Weiter soll ein Verfahren zum Modifizieren gegossener Gamma-TiAl zu Strukturen geschaffen werden, die eine reproduzierbare feine Kornstruktur und eine ausgezeichnete Kombination von Eigenschaften aufweisen.

Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind teilweise augenscheinlich und ergeben sich teilweise aus der folgenden Beschreibung.

Gemäß einem seiner breiteren Aspekte werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst durch Schaffen einer Schmelze aus einem Gamma-TiAl, daß zwischen 43 und 48 Atomprozent Aluminium, zwischen 1,0 und 6,0 Atomprozent Tantal, zwischen 0 und 3,0 Atomprozent Chrom enthält, Hinzugeben von Bor als einem Impfmittel in Konzentrationen zwischen 0,5 und 2 Atomprozent, Gießen der Schmelze und thermomechanisches Bearbeiten des Gußkörpers.

Die folgende Beschreibung wird besser 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-45,5Al-2Cr- 2Ta-1B (Beispiel 14);

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Eigenschaftsunterschiede zwischen der Legierung mit und ohne thermomechanische Bearbeitung nach Fig. 2 wiedergibt.

Wie oben ausführlich diskutiert, ist es gut bekannt, daß mit Ausnahme seiner Sprödigkeit die intermetallische Verbindung Gamma-TiAl 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 würde heutzutage viele industrielle Einsatzmöglichkeiten haben, gäbe es nicht diesen 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 ebenfalls oben diskutiert wurden. Diese Nachteile schließen die Abwesenheit eines feinen Gefüges, die Abwesenheit einer geringen Viskosität zum Gießen in dünnen Abschnitten, die Sprödigkeit der gebildeten Gußkörper, die relativ geringe Festigkeit der gebildeten Gußkörper und eine geringe Fluidität in geschmolzenem Zustand ein, um Gußkörper mit feinen Einzelheiten und scharfen Winkeln und Ecken in einem gegossenen Produkt zu gestatten. Diese Nachteile haben auch die thermomechanische Bearbeitung gegossener Gamma-Produkte zur Verbesserung ihrer Eigenschaften gehindert.

In der vorliegenden Erfindung wurde nun festgestellt, daß beträchtliche Verbesserungen in der Duktilität von gegossenem Gamma-TiAl mit einer feinen Struktur, enthaltend eine Kombination von Bor-, Tantal- und Chrom-Zusätzen und beträchtliche Verbesserungen in den gegossenen Produkten durch thermomechanische Modifikationen der Bearbeitung des gegossenen Produktes, wie sie im folgenden näher erläutert werden, erzielt werden können.

Um die Verbesserungen der Eigenschaften von Gamma-TiAl besser zu verstehen, wird eine Anzahl von Beispielen gegeben, die sich mit dem neuen Verarbeiten gemäß der vorliegenden Erfindung 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 wurden in Stäbe geschnitten, und die Stäbe separat für drei Stunden unter einem Druck von etwa 315 MPa bei 1050°C heißisostatisch gepreßt. Die Stäbe wurden dann einzeln verschiedenen Wärmebehandlungs-Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1375°C unterworfen. Es wurden übliche Teststäbe aus den wärmebehandelten Proben hergestellt und deren Streckgrenze, Bruchfestigkeit und plastische Dehnung gemessen. 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-46 Al 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 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.

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 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 isotaktisch 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.

Man stellt auch fest, daß die 48 At-% Al und 2 At-% Cr enthaltende Zusammensetzung die besten Gesamteigenschaften aufwies. In dieser Hinsicht ist sie ähnlich der 48 At-% Al enthaltenden Zusammensetzung des Beispiels 2. Die Zugabe von Chrom verbesserte jedoch nicht die Duktilität des gegossenen Materials, wie dies bei den Zusammensetzungen der US-PS 48 42 819 der Fall war, die durch andere Metallbearbeitung hergestellt waren.

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 Wärmbehandlungen 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.

Es wurde festgestellt, daß die Eigenschaften der TiAl- Grundzusammensetzungen durch die Zugabe einer geringen Menge Tantal zum TiAl sowie die Zugabe einer geringen Menge Chrom plus Tantal zum TiAl vorteilhaft modifiziert werden können. Diese Feststellungen sind Gegenstand der US-PS 48 42 817 und der EP-A 04 06 638.

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.

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-46 Al-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 in 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.

Beispiel 14

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.

Tabelle V

Wie der Tabelle V zu entnehmen, ist die Zusammensetzung des Beispiels 14 im wesentlichen gleich der Zusammensetzung des Beispiels 12, zu dem 2 At-% Tantal hinzugefügt worden ist.

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 fein 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. Die aus den Feststellungen des Beispiels 14 zu ziehenden Schlußfolgerungen sind, daß der Borzusatz die Gießbarkeit der Zusammensetzung der unmittelbar zuvor erwähnten Schrift stark verbessert.

Es ist demgemäß augenscheinlich, daß das gegossene Material nicht nur die erwünschte feine gleichachsige Form hat, sondern daß die Festigkeit der Zusammensetzung des Beispiels 14 gegenüber den Zusammensetzungen der Beispiele 1, 2 und 3 der Tabelle I stark verbessert ist. Darüber hinaus ist die plastische Dehnung der Probe des Beispiels 14 nicht merklich vermindert, wie dies durch die Zugabe von Kohlenstoff beim Beispiel 10 oder die Zugabe von Stickstoff beim Beispiel 11 der Fall war.

Die Tests haben gezeigt, daß die in der abhängigen US-PS 50 28 491 beschriebene Legierung mit Tantal- und Chrom- Zusätzen eine sehr erwünschte Legierung ist wegen der Kombination der Eigenschaften und spezifisch der Verbesserung der Eigenschaften des TiAl, was dem Einschluß der Tantal- und Chrom-Zusätze zugeschrieben wird. Aus dem obigen ergibt sich aber auch, das die Kristallform einer Legierung, die das Chrom und Tantal aufweist, im Grunde säulenförmig ist und nicht die bevorzugte feine gleichachsige Kristallform, die für Gußanwendungen erwünscht ist. Die Chrom- und Tantal-Zusätze enthaltende Grundlegierung hat daher eine erwünschte Kombination von Eigenschaften, die der Anwesenheit von Chrom und Tantal zugeschrieben werden können. Wegen der Einbeziehung des Bors in die Grundlegierung ist die Kristallform der Legierung und ihre Gießbarkeit sehr stark verbessert, wie detaillierter in der Patentanmeldung P 41 21 215.0 beschrieben. Gleichzeitig gibt es jedoch keinen merklichen Verlust an dem einzigartigen Satz von Eigenschaften, die der TiAl-Grundlegierung durch die Chrom- und Tantal-Zusätze verliehen sind. Aus der Untersuchung des Einflusses verschiedener Zusätze, wie der oben genannte Kohlenstoff und Stickstoff, ist es offensichtlich, daß es die Kombination der Zusätze ist, die den einzigartigen Satz erwünschter Ergebnisse ergibt. Zahlreiche andere Kombinationen, einschließlich einer mit Stickstoff zum Beispiel leiden an einem merklichen Eigenschaftsverlust, obwohl sie eine nützliche Kristallform gewinnen.

Beispiel 14A

Proben der gegossenen Legierung, wie sie mit Bezug auf Beispiel 14 beschrieben sind, wurden hergestellt durch Scheiden von Scheiben von der gegossenen Probe.

Die geschnittenen Scheibe hat einen Durchmesser von etwa 5 cm und ist etwa 1,25 cm dick und hat die etwaige Gestalt eines Hockeypucks. Die Scheibe wurde in einen Stahlring eingeschlossen, der eine Wandstärke von etwa 1,25 cm hatte sowie eine vertikale Dicke, die identisch der der hockeypuckförmigen Scheibe angepaßt war. Vor dem Einschließen in den Haltering wurde die hockeypuckförmige Scheibe homogenisiert, indem man sie zwei Stunden lang bis zu 1250°C behandelte. Die Baueinheit aus Hockeypuck und Haltering wurde auf eine Temperatur von etwa 975°C erhitzt. Die Einheit aus erhitzter Probe und Haltering wurde bis zu einer Dicke von etwa der Hälfte der urprünglichen Dicke geschmiedet.

Nach dem Abkühlen der geschmiedeten Scheibe wurde eine Anzahl von Stiften maschinell aus der Scheibe herausgearbeitet, um damit eine Anzahl verschiedener Wärmebehandlungen auszuführen. Die verschiedenen Stifte wurden separat bei den in der folgenden Tabelle VI aufgeführten unterschiedlichen Temperaturen geglüht. Nach den einzelnen Glühungen wurden die Stifte zwei Stunden lang bei 1000°C gealtert. Nach dem Glühen und Altern wurde jeder Stift zu einem üblichen Zugstab verarbeitet, und es wurden an den erhaltenen Stäben übliche Zugtests ausgeführt. Die Ergebnisse der Zugtests sind in der folgenden Tabelle VI aufgeführt.

Tabelle VI

Aus den in Tabelle VI aufgeführten Daten und durch Vergleich mit in Tabelle V aufgeführten Daten wird deutlich, daß durch die thermomechanische Behandlung, die an dieser Legierungszusammensetzung ausgeführt wurde, eine bemerkenswerte Verbesserung der Eigenschaften der Legierung bewerkstelligt wurde. Hinsichtlich der Streckgrenze gab es bei der Wärmebehandlungstemperatur von 1250°C einen Gewinn von etwa 10 Prozent und bei der Bruchfestigkeit einen Gewinn von etwa 9 Prozent. Der wirklich wichtige Gewinn für die Legierung als Ergebnis der thermomechanischen Behandlung war jedoch ein Gewinn von über 40 Prozent in der Eigenschaft der Duktilität. Die Eigenschaften bei der Wärmebehandlungstemperatur von 1225°C wurden auch verbessert.

Somit ergibt sich aus den in Tabelle VI aufgeführten Daten für die bei 1225 bis 1250°C wärmebehandelte Probe eine leichte Verbesserung sowohl bei der Streckgrenze als auch der Bruchfestigkeit, doch gab es zusätzlich einen Gewinn von mehr als 40 Prozent beim Duktilitätswert. Ein Gewinn von 40 Prozent bei der Duktilität für eine Legierung mit den anfänglichen Eigenschaften des Titanaluminids ist sehr bedeutsam und kann die Brauchbarkeit einer solchen Legierung tatsächlich sehr erweitern.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung aus Titan, Aluminium, Chrom, Tantal und Bor höherer Duktilität umfassend das Gießen der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_41-55,5Al_43-48Cr_0-3Ta_1-6B_0,5-2,0sowie thermomechanisches Bearbeiten der gegossenen Zusammensetzung.

2. Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung aus Titan, Aluminium, Chrom, Tantal und Bor höherer Duktilität umfassend das Gießen der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_41,5-55,0Al_43-48Cr_0-3Ta_1-6B_1,0-1,5sowie thermomechanisches Bearbeiten der gegossenen Zusammensetzung.

3. Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung aus Titan, Aluminium, Chrom, Tantal und Bor höherer Duktilität umfassend das Gießen der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_43-53,5Al_43-48Cr_1-3Ta_2-4B_0,5-2,0sowie thermomechanisches Bearbeiten der gegossenen Zusammensetzung.

4. Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung aus Titan, Aluminium, Chrom, Tantal und Bor höherer Duktilität umfassend das Gießen der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_46-50,5Al_44,5-46,5Cr₂Ta_2-4B_1,0-1,5sowie thermomechanisches Bearbeiten der gegossenen Zusammensetzung.

5. Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung aus Titan, Aluminium, Chrom, Tantal und Bor höherer Duktilität umfassend das Gießen der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_47-51,5Al_44,5-46,5Cr_1-3Ta₂B_1,0-1,5sowie thermomechanisches Bearbeiten der gegossenen Zusammensetzung.

6. Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung aus Titan, Aluminium, Chrom, Tantal und Bor höherer Duktilität umfassend das Gießen der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_48-50,5Al_44,5-46,5Cr₂Ta₂B_1,0-1,5sowie thermomechanisches Bearbeiten der gegossenen Zusammensetzung.

7. Strukturelement mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_41-55,5Al_43-48Cr_0-3Ta_1-6B_0,5-2,0wobei das Element thermomechanisch bearbeitet worden ist.

8. Strukturelement mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_41,5-55,0Al_43-48Cr_0-3Ta_1-6B_1,0-1,5wobei das Element thermomechanisch bearbeitet worden ist.

9. Strukturelement mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_43-53,5Al_43-48Cr_1-3Ta_2-4B_0,5-2,0wobei das Element thermomechanisch bearbeitet worden ist.

10. Strukturelement mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_46-50,5Al_44,5-46,5Cr₂Ta_2-4B_1,0-1,5wobei das Element thermomechanisch bearbeitet worden ist.

11. Strukturelement mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_47-51,5Al_44,5-46,5Cr_1-3Ta₂B_1,0-1,5wobei das Element thermomechanisch bearbeitet worden ist.

12. Strukturelement mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung: Ti_48-50,5Al_44,5-46,5Cr₂Ta₂B_1,0-1,5wobei das Element thermomechanisch bearbeitet worden ist.