DE4215017C2 - Verfahren zur Herstellung einer Komponente auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At% und 53 At% gemäß Oberbegriff von An­ spruch 1.

Intermetallische Phasen finden gegenwärtig zunehmendes Interesse als potentiell geeignete Konstruktionswerk­ stoffe für hochbelastete Komponenten bei hohen Betriebstemperaturen. Insbesondere die intermetalli­ schen Phasen auf der Basis Titan-Aluminid besitzen auf­ grund ihrer guten Festigkeit bei hohen Temperaturen in Kombination mit geringer Dichte vielfache Anwendungs­ möglichkeiten, z. B. in solchen Fällen, bei der die me­ chanische 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. Korrosi­ onsbeständigkeit in nachteiliger Weise bei Betriebstem­ peraturen einer Komponente auf dieser Basis im Bereich von 700°C bis etwa 900°C. Begründet wird dieser Nach­ teil damit, daß die genannten Titanaluminide bei diesen Temperaturen, trotz des hohen Aluminiumgehaltes, keine schützenden, stabilen Oxidschichten auf Al₂O₃-Basis bilden. Statt dessen sollen tatsächlich, insbesondere nach längeren Oxidationszeiten, Schichten auf TiO₂-Ba­ sis, die eine hohe Oxidationsrate aufweisen, entstehen. Dies führe zu einem schnellen Verlust an Wandstärke und damit zu einer Schädigung einer aus diesem Material hergestellten Komponente.

Aus der Werkstofftechnologie im Bereich der Hochtempe­ ratur-Werkstoffe, wie z. B. solche auf NiCrAl-Basis, sind oxidationshemmende 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 angerei­ chert 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.

Aus der Druckschrift Materials Science and Technology, 8 (1992) Bd. 4, Seiten 299 bis 307 sind gegossene Teile auf Basis intermetallischer Verbindungen auf Basis von Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt von 44 bis 48 At% bekannt, die bei 800°C eine besonders große Kriechfestigkeit aufgrund einer lamellaren Struktur zeigen.

Ferner ist aus dem Zustandsdiagramm Titan/Aluminium aus der Druckschrift Metall 42 (1988) Bd. 6, Seite 576 bis 581 ersichtlich, daß es sich bei dem lamellaren Gefüge aus (α₂) Ti₃Al und (γ) TiAl um ein eutektoides Gefüge handelt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung einer Komponente der ein­ gangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der die guten mechanischen Eigenschaften des Titanaluminids definiert und die Anforderungen der Oxidations- und Korrosionsbe­ ständigkeit bei Einsatztemperaturen bis zu 900°C ge­ währleistet sind.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Ver­ fahren gemäß Anspruch 1.

Bevorzugte Lösungen der Aufgabe sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

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 Einsatz in dem oben genannten Temperaturbe­ reich von bis zu 900°C, insbesondere von 700-900°C, sowohl eine langsam wachsende Al₂O₃-Schicht als auch eine schnell wachsende TiO₂-Schicht bilden.

Es wurde gefunden, daß durch eine eutektoide Reaktion (Ti₃Al und TiAl) ein Legierungsgefüge entsteht, das bei Hochtemperatureinsatz der aus diesem Material herge­ stellten Komponente 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 stigen Al₂O₃-Schicht gewährleistet ist, wenn die aus Titanaluminid hergestellte Komponente an der Oberfläche ein Gefüge zeigt mit einer vollständig eutektoiden Reaktion, mit einer lamellaren, Ti₃Al/TiAl-Struktur.

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

• - Ausgehend von einer Titan-Aluminium-Schmelze mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42-53 At% kann durch ausreichend schnelles Abschrecken direkt das erwünschte Gefüge an der Oberfläche der so herge­ stellten Komponenten erhalten werden.
• - Für den Fall, daß die Komponente, aus der Schmelze hergestellt durch langsames Abschrecken, noch nicht das erwünschte lamellare eutektoide Gefüge aufweist, wie dies auch beim durch Gießen oder Schmieden ge­ fertigten Materials bzw. Bauteils der Fall ist, kann eine solche Komponente in geeigneter Weise so wärme­ behandelt werden, daß nach anschließendem, ausrei­ chend schnellem Abschrecken auch eine solche Kompo­ nente das gewünschte Gefüge auf der Oberfläche auf­ weist.

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 geeig­ netste Wärmebehandlungstemperatur experimentell ermit­ telt 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 zu­ nächst erhaltene lamellare Struktur teilweise in mehr oder minderer Weise von der Komponente z. B. mechanisch entfernt wird. Dabei kann eine solche zusätzliche Wär­ mebehandlung, insbesondere im Oberflächenbereich, der diese gewünschte Struktur nicht mehr aufweist, vorge­ nommen werden.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine lokal definierte Wärmebehandlung mit Hilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder einer Hochfrequenzinduktionsspule vorgeschlagen. Im übrigen kann auch eine Kombination dieser Oberflächen­ behandlungsmethoden erfolgen. Dabei kann je nach er­ wünschter Dicke des lamellaren Oberflächengefüges eine Oberflächenzone von bis zu 100 µm oder mehr lokal auf­ 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 Dicke der wärme­ behandelten Oberflächenzone gezielt eingestellt werden. Z. B. hat eine geringe Dicke dieser Zone den Vorteil, daß das Innere der Bauteilkomponente möglichst wenig in seinen 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 Ausführung 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 Abhän­ gigkeit der gewünschten Eindringtiefe des Oberflächen­ gefüges aus feinlamellarem, eutektoidem Ti₃Al/TiAlGe­ füge mit einer geeigneten Geschwindigkeit durch die Spule bewegt. Dabei kann je nach geforderten mechani­ schen und/oder korrosionsbeständigen Eigenschaften der Komponente die Eindringtiefe des günstigen lamellaren Gefüges lokal definiert eingestellt werden.

Im übrigen können die genannten Oberflächenwärmebehand­ lungsmethoden auch zur erstmaligen Herstellung einer Komponente mit einem in der gewünschten Weise ausgebil­ deten Gefüge eingesetzt werden. Diese Methoden be­ schränken sich damit nicht auf den Einsatz für eine weitere nach einer ersten Wärmebehandlung.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer von bis zu 900°C mechanisch hochbelastbaren, oxidations- und korro­ sionsbeständigen Komponente auf der Basis interme­ tallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At-% und 53 At-%, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Titan-Aluminium-Schmelze direkt oder eine Komponente aus Titan-Aluminid, nachdem sie bei einer Temperatur im, oder möglichst nahe am Stabi­ litätsbereich des α-Titans im Titan-Aluminium-Pha­ sendiagramm wärmebehandelt wurde, so abgeschreckt wird, daß dabei nur an der Komponentenoberfläche ein vollständiges lamellares, eutektoides Ti₃Al/TiAl-Gefüge gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Wärmebehandlungstemperatur von 1300°C bis 1430°C, insbesondere von 1400°C gewählt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Wärmebehandlung bis zu vier Stunden, insbesondere 30 Minuten bis vier Stunden beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche einer Komponente mit unvollständi­ gem, insbesondere mit teilweise beschädigtem eutek­ toidem Ti₃Al/TiAl-Gefüge, wärmebehandelt und abge­ schreckt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Komponentenoberfläche lokal definiert wärmebe­ handelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mit Hilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder einer Hochfrequenzindukti­ onsspule oder einer Kombination dieser Methoden er­ folgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Wärmebehandlung der Komponente mit Hilfe einer Hochfrequenzinduktionsspule, die Kompo­ nente in Abhängigkeit der lokal definiert gewünsch­ ten Eindringtiefe des feinen lamellaren, eutektoi­ den Ti₃Al/TiAl-Gefüges mit geeigneter Geschwindig­ keit durch die Spule bewegt wird.