DE4215017A1 - Komponente auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium und Verfahren zur Herstellung solcher Komponente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Des weiteren betrifft die Er­ findung ein Verfahren zur Herstellung solcher Komponen­ ten auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At% und 53 At%.

Intermetallische Phasen finden gegenwärtig zunehmendes Interesse als potentiell geeignete Konstruktionswerk­ stoffe für hochbelastete Komponenten bei hohen Betrieb­ stemperaturen. Insbesondere die intermetallischen Pha­ sen auf der Basis Titan-Aluminid besitzen aufgrund ih­ rer guten Festigkeit bei hohen Temperaturen in Kombina­ tion mit geringer Dichte vielfache Anwendungsmöglich­ keiten, z. B. in solchen Fällen, bei der die mechanische Komponentenbelastung - teilweise - mit dem Auftreten von Fliehkräften bedingt ist. Beispielhaft seien hier die Turbinenschaufeln erwähnt.

In diesem Zusammenhang sind vor allem Titanaluminide mit einem Aluminiumgehalt im Bereich von 42-53 At%, insbesondere im Bereich von 45-50 At%, im Hinblick auf ihre guten mechanischen Eigenschaften von Bedeu­ tung. Das Phasendiagramm des Systems Titan-Aluminium zeigt in diesem Aluminium-Konzentrationsbereich die in­ termetallischen Phasen Ti₃Al und TiAl. Diese Werkstoffe zeigen jedoch eine mangelhafte Oxidations- bzw. Korro­ sionsbeständigkeit in nachteiliger Weise bei Betriebs­ temperaturen einer Komponente auf dieser Basis im Be­ reich von 700°C bis etwa 900°C. Begründet wird dieser Nachteil damit, daß die genannten Titanaluminide bei diesen Temperaturen, trotz des hohen Aluminiumgehaltes, keine schützenden, stabilen Oxidschichten auf Al₂O₃-Ba­ sis bilden. Statt dessen sollen tatsächlich, insbeson­ dere nach längeren Oxidationszeiten, Schichten auf TiO₂-Basis, die eine hohe Oxidationsrate aufweisen, entstehen. Dies führe zu einem schnellen Verlust an Wandstärke und damit zu einer Schädigung einer aus die­ sem Material hergestellten Komponente.

Aus der Werkstofftechnologie im Bereich der Hochtempe­ ratur-Werkstoffe, wie z. B. solche auf NiCrAl-Basis, sind oxidationshemmenden Schutzschichten, z. B. vom Typ Ni(Co)CrAlY bekannt. Solche Schutzschichten könnten je­ doch auf Titanaluminid aufgebracht die Materialeigen­ schaften dieses Materials ungünstig beeinflussen, ins­ besondere durch Interdiffusionsvorgänge, die die mecha­ nischen Eigenschaften, insbesondere die Belastbarkeit des Materials stark herabsetzen können. Darüber hinaus zeigen derartige Schutzschichten immer herstellungs- und/oder betriebsbedingte Fehlstellen, wie z. B. Poren oder Risse, die dazu führen können, daß eine starke lo­ kale Korrosion des von dieser Schutzschicht abgedeckten Materials - hier Titanaluminid - erfolgt.

Schließlich ist es bekannt, Werkstoffoberflächen durch sog. Alitierverfahren dahingehend zu verbessern, daß der Aluminiumgehalt einer solchen Oberfläche angereichert wird. Dies führt zunächst zwar zu besseren Oxida­ tionseigenschaften, es bildet sich dabei in nachteili­ ger Weise die intermetallische Phase TiAl₃, die zu sehr starker Rißbildung führt. Infolgedessen tritt eine Riß­ anfälligkeit bzw. Versprödung der so oberflächenbehan­ delten Komponente auf.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Komponente der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der die guten mechanischen Eigenschaften des Titanaluminids de­ finiert und die Anforderungen der Oxidations- und Kor­ rosionsbeständigkeit bei Einsatztemperaturen bis zu 900°C gewährleistet sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer sol­ chen Komponente der eingangs bezeichneten Art zu schaf­ fen, bei dem ohne die vorher gezeigten Nachteile eine reproduzierbare Herstellung solcher Komponente ermög­ licht wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Komponente gemäß Anspruch 1.

Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3.

Es wurde gefunden, daß die Oxidationsbeständigkeit von Titanaluminiden mit Aluminiumgehalten von 42-53 At% Aluminium nicht nur von der exaktiven Zusammensetzung des Werkstoffes bzw. der Legierung, sondern vielmehr vom Gefüge abhängig ist. Ein Titanaluminid mit vorgege­ bener Zusammensetzung kann, abhängig vom jeweiligen Ge­ füge, bei Auslagerung in dem oben genannten Temperatur­ bereich von bis zu 900°C, insbesondere von 700-900°C, sowohl eine langsam wachsende Al₂O₃-Schicht als auch eine schnellwachsende TiO₂-Schicht bilden.

Es wurde gefunden, daß durch eine eutektoide Reaktion (Ti₃Al und TiAl) ein Legierungsgefüge entsteht, das bei Hochtemperatureinsatz des aus diesem Material herge­ stellten Komponenten zur Bildung einer Al₂O₃-Schicht führt.

Es wurde ferner gefunden, daß das Titanaluminid für den Fall, daß neben einem solchen eutektoiden Gefüge auch primär und sekundär ausgeschiedene TiAl-Phasen im Ober­ flächenbereich vorhanden sind, dieses Material bei Hochtemperatureinsatz bis zu 900°C lokal zu einer TiO₂- Schichtbildung führt, die sich nach längerer Auslage­ rungszeit über die gesamte Oberfläche des Materials in nachteiliger Weise ausbreitet.

Es hat sich gezeigt, daß die Bildung der für die Oxida­ tions- und Korrosionsbeständigkeit des Materials gün­ stige Al₂O₃-Schicht gewährleistet ist, wenn die aus Ti­ tanaluminid hergestellte Komponente an der Oberfläche eine Gefüge zeigt mit einer vollständig eutektoiden Re­ aktion, mit einer lamellaren, Ti₃Al/TiAl-Struktur.

Es ergeben sich dabei zwei alternative Möglichkeiten, eine solche Komponente zu erhalten:

• - Ausgehend von einer Titan-Aluminium-Schmelze mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42-53 At% kann durch ausreichend schnellem Abschrecken direkt die erwünschte Struktur an der Oberfläche des so hergestellten Komponenten erhalten werden.
• - Für den Fall, daß die Komponente aus der Schmelze hergestellt durch langsames Abschrecken noch nicht die erwünschte lamellare eutektovide Struktur auf­ weist, wie dies auch beim durch Gießen oder Schmieden gefertigten Materials bzw. Bauteils der Fall ist, kann eine solche Komponente in geeigne­ ter Weise so wärmebehandelt werden, daß nach an­ schließendem, ausreichend schnellem Abschrecken auch eine solche Komponente die gewünschte Struktur auf der Oberfläche aufweist.

Dazu wird in vorteilhafter Weise die Komponente bei ei­ ner Temperatur wärmebehandelt, bei der lt. Ti-Al-Pha­ sendiagramm nur noch α-Ti nach Möglichkeit vorliegt. Die optimale Wärmebehandlungstemperatur soll je nach Zusammensetzung des Titanaluminids zumindest möglichst nahe dem Stabilitätsbereich des α-Ti im Phasendiagramm liegen. Sollte es sich beim Ausgangswerkstoff der Kom­ ponente nicht um binäres Titanaluminid, sondern um eine solche mit weiterer ternärer oder quaternärer Legie­ rungszusätze handeln, kann für diesen Fall die ge­ eignetste Wärmebehandlungstemperatur experimentell er­ mittelt werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmebehandlungstemperatur im Be­ reich von 1300°C-1430°C, insbesondere bei 1400°C ge­ wählt.

Je nach Wahl der Wärmebehandlungstemperatur soll die Dauer der Wärmebehandlung zweckmäßigerweise bis zu meh­ reren Stunden, z. B. bis zu 4 Stunden, insbesondere 30 min bis 4 Stunden betragen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird eine zusätzliche Wärmebehand­ lung der Oberfläche der bereits wärmebehandelten Kompo­ nente gelehrt. Dies ist dann von besonderer Bedeutung, wenn die mittels der ersten Wärmebehandlung erzeugte lamellare eutektoide Struktur an der Oberfläche der Komponente unvollständig ist. Es ist z. B. vorstellbar, daß die Oberfläche der zunächst wärmebehandelten Kompo­ nente mechanisch noch bearbeitet wird, so daß die zunächst erhaltene lamellare Struktur teilweise in mehr oder minderer Weise von der Komponente z. B. mechanisch entfernt wird. Dabei kann eine solche zusätzliche Wärmebehandlung, insbesondere im Oberflächenbereich, der diese gewünschte Struktur nicht mehr aufweist, vorgenommen werden.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine lokal definierte Wärmebehandlung mit Hilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder eine Hochfrequenzinduktionsspule vorgeschlagen. Im üb­ rigen kann auch eine Kombination dieser Oberflächenbe­ handlungsmethoden erfolgen. Dabei kann je nach er­ wünschter Dicke der lamellaren Oberflächenstruktur eine Oberflächenzone von bis zu 100 µm oder mehr lokal auft­ geschmolzen oder bis auf ausreichend hohe Temperaturen, insbesondere im oben genannten Stabilitätsbereich des α-Ti, wie z. B. etwa 1400°C, erhitzt werden. Je nach geforderten mechanischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften der Komponente kann die Breite der wärme­ behandelten Oberflächenzone gezielt eingestellt werden. Z.B. hat eine geringe Breite dieser Zone den Vorteil, daß das Innere der Bauteilkomponente möglichst wenig in ihren mechanischen Eigenschaften beeinflußt wird. Andererseits wird gleichzeitig gewährleistet, daß durch die geringe Wärmeeinbringung bereits durch eine normale Luftabkühlung die gewünschte hohe Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Ab­ kühlgeschwindigkeit durch eine zusätzliche separate Gaskühlung zu erhöhen.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ergibt sich schließlich für den Fall, daß mit Hilfe einer Hochfrequenzheizung, insbesondere mit Hilfe einer Hochfrequenzinduktionsspule die Komponente wärme­ behandelt wird. Dabei wird diese Komponente in Abhängig­ keit der gewünschten Eindringtiefe des Oberflächen­ gefüges aus feinlamellaren, eutektoidem Ti₃Al/TiAlt Struktur mit einer geeigneten Geschwindigkeit durch die Spule bewegt. Dabei kann je nach geforderten mechani­ schen und/oder korrosionsbeständigen Eigenschaften der Komponente die Eindringtiefe der günstigen lamellaren Struktur lokal definiert eingestellt werden.

Im übrigen können die genannten Oberflächenmethoden auch zur erstmaligen Beschichtung einer erfindungsgemäßen Komponente mit einem in der gewünsch­ ten Weise strukturierten Gefüge eingesetzt werden. Diese Methoden beschränken sich damit nicht auf den Einsatz für eine weitere nach einer ersten Wärmebehand­ lung.

Claims (10)

1. Komponente, insbesondere bis zu einer Einsatztemperatur von bis zu 900°C mechanisch hoch belastbare und lang­ zeitig oxidations- und korrosionsbeständige Komponente, auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At-% und 53 At-%, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponentenoberfläche eine lammellare, eutek­ toide Ti₃Al/TiAl-Struktur aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung von mechanisch hochbelastba­ ren, oxidations- und korrosionsbeständigen Komponenten auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Ti­ tan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At-% und 53 At-%, dadurch gekennzeichnet, daß die Titan-Aluminium-Schmelze oder eine wärmebehan­ delte Komponente aus Titan-Aluminid so abgeschreckt wird, daß dabei als Legierungsgefüge an der Komponen­ tenoberfläche eine lammellare, eutektoide Ti₃Al/TiAl- Struktur gebildet wird.

3. Verfahren zur Herstellung von mechanisch hochbelastba­ ren, oxidations- und korrosionsbeständigen Komponenten auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Ti­ tan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 Att% und 53 Att%, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der TitangAluminium-Schmelze hergestellte Komponente einer Wärmebehandlung derart unterzogen wird, daß nach Abschreckung dieser so wärmebehandelten Komponente als Legierungsgefüge an der Komponentenoberfläche eine lammellare, eutektoide Ti₃Al/TiAl-Struktur vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im oder möglichst nahe am Stabilitätsbereich des α-Titans im Titan-Aluminium-Phasendiagramm erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmebehandlungstemperatur von 1300°C bis 1430°C, insbesondere von 1400°C gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Wärmebehandlung bis zu vier Stunden, insbesondere 30 Minuten bis vier Stunden beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der bereits wärmebehandelten Kompo­ nente bei unvollständiger, insbesondere bei teilweise entfernter eutektoider Ti₃Al/TiAl-Struktur, wärmebehan­ delt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Komponentenoberfläche lokal definiert wärmebehandelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mit Hilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder einer Hochfrequenzinduktions­ spule oder einer Kombination dieser Methoden erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Wärmebehandlung der Komponente mit Hilfe einer Hochfrequenzinduktionsspule, die Komponente in Abhängigkeit der ggfs. lokal definiert gewünschten Eindringtiefe des die fein lammellaren, eutektoiden Ti₃Al/TiAl-Struktur aufweisenden Oberflächengefüges mit geeigneter Geschwindigkeit durch die Spule bewegt wird.