DE4215194C2 - Hochwarmfester Werkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen hochwarmfesten Werkstoff aus einer Legierung auf der Basis einer interme­ tallischen Verbindung vom Typ Ti₃Al, insbesondere für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Flugtriebwerken.

Die Entwicklung der Wärmekraftmaschinen zielt in verstärk­ tem Maße auf höhere Leistungen bei möglichst gleichbleiben­ der Baugröße ab, wodurch sich die Wärmebelastung der ein­ zelnen Komponenten stetig erhöht, so daß von den eingesetz­ ten Werkstoffen in zunehmenden Maße bessere Wärmebeständig­ keit als auch Festigkeit gefordert werden.

Neben zahlreichen Entwicklungen auf dem Werkstoffgebiet, z. B. Nickelbasislegierungen, haben insbesondere Legierun­ gen auf der Basis einer intermetallischen Verbindung vom Typ Ti₃Al wegen des hohen Schmelzpunktes bei gleichzeitig geringer Dichte zunehmend Interesse gefunden für einen der­ artigen Einsatz in Wärmekraftmaschinen. Zahlreiche Entwick­ lungen befassen sich mit dem Versuch, die mechanischen Ei­ genschaften dieser Hochtemperaturwerkstoffe zu verbessern. Dabei spielt neben der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften insbesondere die Beständigkeit gegen den Korrosionsangriff bei den hohen Einsatztemperaturen eine besondere Rolle, z. B. die Beständigkeit gegenüber dem An­ griff heißer Verbrennungsgase, gasförmiger Chloride sowie von Schwefeldioxid.

Darüber hinaus wird bei tieferen Temperaturen die Lebens­ dauer durch kondensierte Alkali- und Erdalkalisulfate be­ grenzt, wodurch eine Ausnutzung des an sich vorhandenen Fe­ stigkeitspotentials dieser Werkstoffe verhindert ist, das heißt die an sich von der Hochwarmfestigkeit her gesehen erreichbare Einsatztemperatur wird aufgrund der beschränk­ ten Oxidationsbeständigkeit reduziert.

Es ist hinlänglich bekannt, daß die Oxidationsbeständigkeit der binären Titan-Aluminium-Verbindungen völlig unzurei­ chend ist für die zuvor erwähnten Anwendungsfälle, da die Oxidationsgeschwindigkeit um mehrere Zehnerpotenzen über der von heute verwendeten Superlegierungen liegt und ihre Oxidschichten eine geringe Haftfestigkeit besitzen, was zu einem stetigen Korrosionsabtrag führt. Es ist bekannt, daß Verbindungen auf Titan-Aluminidbasis mit nennenswerten Ge­ halten an Chrom und Vanadium zwar bei Temperaturen oberhalb von 900°C gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen, die ver­ gleichbar ist mit der von heute verwendeten Superlegierun­ gen, aber bei tieferen Temperaturen ein völlig unzureichen­ des Oxidationsverhalten zeigen, vergleichbar mit dem von binären Titan-Aluminiden, z. B. Ti₃Al.

In gleicher Weise sind die mechanischen Eigenschaften die­ ser Verbindungen für technische Anwendungen völlig unzurei­ chend. Bei niedrigen Temperaturen haben sie praktisch keine Duktilität, bei höheren Temperaturen weisen sie eine unzu­ reichende Kriechbeständigkeit bzw. Zeitstandfestigkeit auf.

Aus der DE-AS 12 45 136 ist es bekannt, ternäre Titan-Alu­ minium-Niob-Legierungen für die Herstellung von schmiedba­ ren hochwarmfesten und oxidationsbeständigen Werkstücken zu verwenden. Hierbei ist von Bedeutung, daß der Niob-Gehalt im Verhältnis 8 : 7 größer ist als der Aluminium-Gehalt mit Titan als Rest. Ein Zusatz von maximal 2% Silicium führt danach zu einer Steigerung der Verformbarkeit sowie der Warmfestigkeit und der Oxidationsbeständigkeit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung einen Hochtemperaturwerkstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, der sowohl über die gewünschten mechanischen Eigenschaften verfügt als auch die erforderli­ che Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst (Angaben jeweils in Atom-%). Dem­ gemäß wird eine Ti₃Al-Basislegierung mit einem Titangehalt von 35 bis 45 At-% und einem Aluminiumgehalt von 30 bis 40 At-% durch Zulegieren von Silicium (5 bis 20 At-%) und Niob (0,1 bis 13 At-%) hergestellt, deren Oxidationsbestän­ digkeit erheblich verbessert ist gegenüber den bekannten Legierungen. Die angegebenen Zusätze an Silicium führen zur Bildung von Ti₅Si₃-Ausscheidungen und dabei zu einer erheb­ lichen Verringerung der Oxidationsgeschwindigkeit bei gleichzeitig erhöhter Haftung der Oxidschicht. Die angege­ benen Zusätze an Niob bewirken insbesondere in Kombination mit Silicium eine weitere Erniedrigung der Oxidationsge­ schwindigkeit verbunden mit einer erhöhten Oxidhaftung. Die Zusätze von Silicium und Niob führen zu einem verringerten Anteil an Titandioxid (TiO₂) in der Oxidschicht, welches aufgrund seiner hohen Eigenfehlordnung eine hohe Wachs­ tumsgeschwindigkeit aufweist.

Gleichzeitig führt das Zulegieren von Silicium und Niob zur Bildung eines zweiphasigen Gefüges, das gegenüber der Ti₃Al-Basislegierung eine deutliche Verbesserung der mecha­ nischen Warmfestigkeit sowie der Zeitstandfestigkeit auf­ weist.

In weiterer Verbesserung der Erfindung kann vorgesehen sein, die genannten Zusätze, Silicium oder Niob, durch Zule­ gieren von Chrom oder Tantal zu ergänzen oder zu ersetzen, und weiterhin Wolfram, Molybdän und/oder Vanadium zuzusetzen. Als Legierungsgehalte kommen dabei in Betracht, für Chrom 1 bis 20 At-% zusätzlich oder als Ersatz für Silicium, für Tantal 1 bis 10 At-% zusätzlich oder anstelle von Niob, sowie für Wolfram, Molybdän und/oder Vanadium 0,1 bis 5 At-% als ergänzender Zusatz.

Die Ausbildung dichter schützender Oxidschichten ist für die Titanaluminide von besonderer Bedeutung, da sie das Eindringen von Sauerstoff und Stickstoff in die Kernmatrix und damit deren Versprödung verhindern. Um die Diffusion von gelöstem Sauerstoff und Stickstoff einzudämmen oder doch zumindest erheblich zu reduzieren, kann die Zugabe der reaktiven Elemente Yttrium, Hafnium, Erbium und/oder Lanthan sowie andere seltene Erden oder Kombina­ tionen dieser Elemente vorgesehen sein. Einerseits sind diese Oxide und Nitride thermodynamisch erheblich stabiler als die des Titans; andererseits bewirken diese Elemente gleichzeitig eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der angegebenen intermetallischen Verbindungen.

Die Herstellung und Verarbeitung des erfindungsgemäßen Hochtemperaturwerkstoffs bereitet keine besonderen Schwie­ rigkeiten, sondern kann nach den üblichen Verfahren, wie sie bei derartigen Werkstoffen zum Einsatz kommen, erfol­ gen, so z. B. durch Feinguß, gerichtete Erstarrung oder auf pulvermetallurgischem Wege, nämlich durch mechanisches Le­ gieren.

In weiterer Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, den erfindungsgemäßen Hochtemperaturwerkstoff unter Zusatz von Oxiden der zuvor genannten reaktiven Elemente durch mecha­ nischen Legieren herzustellen, um auf diese Weise besonders warmfeste intermetallische Verbindungen zu erhalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zusatz von Bor (0,05 bis 5 At-%) Kohlenstoff und/oder Stickstoff (0,05 bis 1 At-%) vorgesehen, um eine weitere Verbesserung der mechani­ schen Eigenschaften sowie ein feinkörniges Gefüge zu erzie­ len. Dies wird dadurch erreicht, daß durch die genannten Zusätze an Bor, Kohlenstoff und stickstoffstabile Boride, Carbide und Nitride oder Carbonitride gebildet werden.

Die letztgenannten Zusätze an Bor, Kohlenstoff und Stick­ stoff sind insbesondere von Bedeutung im Zusammenhang mit der gerichteten Erstarrung dieser intermetallischen Verbin­ dungen, wodurch die Ausscheidung langgestreckter Verbindun­ gen, wie z. B. von Boriden, Siliciden und ähnlichen Verbin­ dungen, die festigkeitssteigernd wirken.

Diese und weitere vorteilhafte Zusammensetzungen sowie Ver­ arbeitungsvorschriften sind Gegenstand der Unteransprüche.

Claims (8)

1. Hochwarmfester Werkstoff mit intermetallischen Verbindungen vom Typ Ti₃Al, insbesondere für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Flugtriebwerken, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 35 bis 45 At-% Titan, 30 bis 40 At-% Aluminium, 5 bis 20 At-% Si­ lizium und 0,1 bis 13 At-% Niob besteht.

2. Hochwarmfester Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Chrom mit einem Gehalt von 1 bis 20 At-% zusätzlich oder anstelle von Silicium vorgesehen ist.

3. Hochwarmfester Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Tantal mit einem Gehalt von 1 bis 10 At-% zusätzlich oder anstelle von Niob vorgesehen ist.

4. Hochwarmfester Werkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zusätze von Wolfram, Molybdän und/oder Vanadium in Gehalten von 0,1 bis 5 At-% zuzüglich zu Silicium und/oder Niob und/oder Chrom und/oder Tantal vorgesehen sind, wobei sich die Anteile aller Legie­ rungsbestandteile zu 100 At-% ergänzen.

5. Hochwarmfester Werkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Yttrium, Hafnium, Erbium, Lanthan und andere Elemente der Seltenen Erden, einzeln oder in Kombinationen, mit Gehalten von jeweils 0,05 bis 2 At-% jedoch insgesamt maximal 3 At-% zu­ gegeben sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mit den Zugaben von Yttrium, Hafnium, Erbium, Lanthan und anderen Elementen der Seltenen Erden, einzeln oder in Kombi­ nation, mechanisch legiert wird.

7. Hochwarmfester Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Gehalt an Bor von 0,05 bis 5 At-% aufweist.

8. Hochwarmfester Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich oder als Ersatz für Bor Kohlenstoff und/oder Stickstoff mit einem Gehalt von 0,05 bis 1 At-% aufweist.