DE4304481A1

DE4304481A1 - Hochtemperaturlegierung auf der Basis von legiertem gamma-Titanaluminid und Verwendung dieser Legierung

Info

Publication number: DE4304481A1
Application number: DE19934304481
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Roesler; Christoph Toennes
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1994-08-18

Description

Technisches Gebiet

Hochtemperaturlegierungen auf der Basis von legiertem gamma- Titanaluminid TiAl werden in zunehmendem Maße in thermisch und mechanisch hoch belasteten Teilen thermischer Maschinen eingesetzt. Wegen ihrer vergleichsweise geringen Dichte werden sie dort bevorzugt in rotierenden Teilen anstelle von warmfesten Stählen sowie von Nickelbasis-Superlegierungen verwendet.

Stand der Technik

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Hochtemperatur legierung nach dem einleitenden Teil von Patentanspruch l. Eine derartige Legierung ist aus GB 2,219,310 bekannt. Die bekannte Legierung enthält als Bestandteile 42 bis 52 At% Titan, 46 bis 50 At% Aluminium, 1 bis 3 At% Chrom und 1 bis 5 At% Niob und zeichnet sich durch hohe Festigkeit und befriedigende Duktilität sowie durch gute Oxidations- und Korrosions beständigkeit aus.

J.J.Valencia, J.P.A.Löfvander, J.Rösler, C.G.Levi und R.Mehrabian beschreiben in "solidification processing routes to high aspect ratio reinforcements in gamma-TiAl" (Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.194 (1990), 5.89 bis 96), eine Legierung auf der Basis von gamma-TiAl, welche neben Titan und Aluminium auch 5 At% Bor und 9 At% Tantal enthält. Diese Legierung weist bei 1255°K eine viel höhere Kriechbeständigkeit als unlegiertes gamma-Titanaluminid auf.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung auf der Basis von legiertem gamma-Titanaluminid zu entwickeln, welche sich als Werkstoff für ein hohen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetztes, insbesondere rotierendes, Bauteil einer thermischen Strömungsmaschine eignet.

Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich bei Temperaturen von 700 bis 800°C, wie sie bei Betrieb an den Schaufeln des rotierenden Teils einer Gasturbine oder eines Turboladers auftreten, durch eine hohe Kriechbeständigkeit und eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aus. Zugleich kann die erfindungsgemäße Legierung sehr kostengünstig durch Gießen oder aber auch durch heiß-isostatisches Verpressen von verdüstem Pulver hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Legierung weist darüber hinaus eine für Anwendungen in rotierenden Bauteilen von thermischen Strömungsmaschinen vorteilhaft geringe Dichte bei hoher Festigkeit und befriedigender Duktilität auf.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels näher beschrieben.

Hierbei zeigt die einzige Figur ein Diagramm, in dem das Kriechverhalten einer Legierung III nach der Erfindung und zweier Legierungen I und II nach dem Stand der Technik bei einer Temperatur von 750°C unter einer Spannung von 250 MPa und in Luft als umgebendem Medium in Abhängigkeit von der Zeit t in Stunden dargestellt ist.

Die in der Figur angegebenen Legierungen I, II und III wurden in einem Vakuumlichtbogenofen erschmolzen. Aus den Schmelzen wurden einerseits durch Verdüsen mittels Argon Legierungspulver mit einer mittleren Teilchengröße von jeweils ca. 170 µm und einer maximalen Teilchengröße von jeweils ca. 500 µm hergestellt. Andererseits wurden Knöpfe mit Durchmessern von 50 mm und einer Höhe von 20 mm erschmolzen. Als Ausgangsmaterialien dienten jeweils die einzelnen Elemente mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99%.

Die Pulver wurden in zylindrische Stahlkannen (Durchmesser 20 mm) gefüllt. Jede der mit einem der Pulver gefüllten Stahlkannen wurde evakuiert und gasdicht verschlossen. Die verschlossenen Stahlkannen wurden anschließend bei einer Temperatur von ca. 1080°C und bei einem Druck von ca. 200 MPa während 3 Stunden heiß-isostatisch gepreßt. Hierbei wurden die Legierungen I, II und III zu Körpern verpreßt, die praktisch zu 100% dicht waren. Durch geeignete Wärmebehandlungen bei Temperaturen zwischen 1200 und 1400°C wurden in den Körpern unterschiedliche Gefügestrukturen eingestellt.

Ein Teil der Körper wurde bei Temperaturen zwischen ca. 1350°C und ca. 1380°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 1370°C, während ca. 1 bis ca. 4 Stunden, vorzugsweise während ca. 2 Stunden, wärmebehandelt. Das hierbei resultierende Gefüge bestand überwiegend aus feinen gamma-Körnern und zu ca. 30 Vol% aus groben, lamellenförmigen Körnern mit einer Korngröße von ca. 600 µm.

Der restliche Teil der Körper wurde bei Temperaturen zwischen ca. 1380°C und ca. 1400°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 1400°C, während ca. 1 bis ca. 4 Stunden, vorzugsweise während ca. 2 Stunden, wärmebehandelt. Hierbei bildete sich ein überwiegend aus groben, lamellenförmigen Körnern mit einer Korngröße von ca. 600 µm bestehendes Gefüge.

Aus den wärmebehandelten Körpern wurden nach Entfernen der deformierten Stahlkannen stabförmige Probekörper für Kriech- und Zugversuche sowie Schliffe zur licht- und elektronen mikroskopischen Ermittlung der vorstehend beschriebenen Gefüge hergestellt. Bei den Zugversuchen wiesen die Probekörper eine dem 5fachen ihres Durchmessers entsprechende Meßlänge auf.

7 kg der Legierung III wurde in eine Stahlkanne mit der Form einer Turbinenschaufel (Höhe 700 mm, Breite 150 mm) geschüttet. Diese Kanne wurde sodann evakuiert und nach dem Evakuieren gasdicht verschlossen. Die verschlossene Kanne wurde anschließend bei einer Temperatur von ca. 1120°C und bei einem Druck von ca. 125 MPa während 3 Stunden heiß-isostatisch gepreßt und nachfolgend bei Temperaturen zwischen 1200 und 1400°C während 4 Stunden wärmebehandelt. Nach dem Entfernen der deformierten Stahlkanne wies die derart hergestellte Turbinenschaufel ein entsprechend der Wärmebehandlung ausgebildetes Gefüge und eine Materialdichte von nahezu 100% auf.

Die erschmolzenen Knöpfe wurden entsprechend den Stahlkannen bei Temperaturen zwischen 1200 und 1400°C höchstens einige Stunden, vorzugsweise 1 bis 4 Stunden, wärmebehandelt. Aus den wärmebehandelten Knöpfen wurden Schliffe für Licht- und Elektronenmikroskopie hergestellt.

In der nachfolgenden Tabelle sind für die Legierungen I, II und III die aus den Probekörpern für die Zugversuche bei Raumtemperatur ermittelten Werte von Zugfestigkeit R_m, Streckgrenze R_p0,2 und Bruchdehnung nach A₅ (die Meßlänge des Probekörpers beträgt das 5-fache seines Durchmessers) angegeben.

Die Probekörper für die Kriechversuche wurden entsprechend den Probekörpern für die Zugversuche zwischen zwei voneinander beabstandeten Paaren von Haltebacken eingespannt. Über die beiden Paare von Haltebacken wurde eine konstante Spannung von 250 MPa auf die Probekörper ausgeübt. Die Probekörper wurden in Luft auf einer Temperatur von ca. 750°C gehalten. Als Maß für die Kriechbeständigkeit der untersuchten Legierungen diente die fortlaufend ermittelte, prozentuale Verlängerung, die über Dehnungsaufnehmer direkt am Probekörper gemessen wurde.

In der einzigen Figur ist nun die das Kriechverhalten der Legierungen I, II und III (jeweils mit voll lamellarem Gefüge) bei 750°C unter Luft wiedergebende, prozentuale Verlängerung in Abhängigkeit von der in Stunden angegebenen Zeit t dargestellt. Hieraus und aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Legierung III bei vergleichbaren Raumtemperatureigenschaften (Duktilität, Festigkeit) eine um das ca. 4-fache höhere Kriechbeständigkeit aufweist als die Legierungen I und II nach dem Stand der Technik. Da die erfindungsgemäße Legierung III auch eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweist, kann sie mit besonderem Vorteil als Werkstoff in einem thermisch hoch belasteten Bauteil, wie insbesondere einer Turbinenschaufel einer Gasturbine oder eines Turboladers, verwendet werden und ist für diese Anwendung den Legierungen nach dem Stand der Technik überlegen.

Gute Festigkeits- und Kriechbeständigkeitseigenschaften weist die Legierung III auch dann auf, wenn ihre Bestandteile durch folgende Grenzwerte bestimmt sind:

Titan
42 bis 52 At%
Aluminium	45 bis 50 At%
Chrom	1 bis 3 At%
Niob	1 bis 5 At%
Tantal	1 bis 5 At%

Die guten Festigkeitseigenschaften sind vor allem dadurch bedingt, daß die erfindungsgemäße Legierung innerhalb der für Titan und Aluminium angegebenen Bereichsgrenzen überwiegend gamma-TiAl oder Mischungen von gamma-TiAl und α₂-TiAl aufweist, die ein bei hohen Temperaturen noch gute Festigkeits eigenschaften aufweisendes Werkstoffgefüge gewährleisten. Durch geeignet bemessene Chrom- bzw. Niobanteile ist ausreichende Duktilität bei Raumtemperatur bzw. gute Oxidationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung gewährleistet.

Die gute Kriechbeständigkeit wird vor allem durch die unerwartet stark behindernde Wirkung des Tantals auf die Versetzungsbeweglichkeit bei hohen Temperaturen bewirkt. Durch das Zulegieren von Tantal werden die Kristallgitter von gamma- TiAl und von gegebenenfalls vorhandenem α₂-TiAl verspannt und die Diffusion erheblich verlangsamt. Dies behindert beim Auftreten von Kräften, wie insbesondere von Zug-, Scher- oder Torsionskräften, Versetzungsbewegungen im Werkstoff und wirkt auf diese Weise einer plastischen Verformung, insbesondere bei hohen Temperaturen, drastisch entgegen. Entsprechende Wirkungen zeigen auch die Elemente Rhenium und Wolfram. Bei einem Anteil von weniger als 1 At% Tantal, Rhenium und/oder Wolfram reicht die Verspannung der Kristallgitter nicht mehr aus, um der plastische Verformung beim Auftreten von Kräften wirksam entgegenzutreten. Bei einem Anteil von mehr als 5 At% werden die Kristallgitter bereits schon so sehr verspannt, daß eine Versprödung einsetzt.

Eine für viele Anwendungen als rotierendes Teil in thermischen Strömungsmaschinen ausreichend hohe Kriechfestigkeit bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften wird mit einer erfindungsgemäßen Legierung mit folgenden Legierungsbestand teilen erreicht:

Titan
46 bis 50 At%
Aluminium	45 bis 50 At%
Chrom	1 bis 3 At%
Niob	1 bis 3 At%
Tantal	1 bis 3 At%

Claims

1. Hochtemperaturlegierung auf der Basis von legiertem gamma- Titanaluminid, welche neben Titan und Aluminium als weitere Legierungsbestandteile zumindest Niob und Chrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungsbestandteile in Atomprozent enthält: 42-52 Titan
45-50 Aluminium
1-3 Chrom
1-5 Niob
1-5 Tantal, Rhenium und/oder Wolfram.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Legierungsbestandteile in Atomprozent enthält: 46-50 Titan
45-50 Aluminium
1-3 Chrom
1-3 Niob
1-3 Tantal, Rhenium und/oder Wolfram.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Legierungsbestandteile in Atomprozent enthält: ca. 46 Titan
ca. 48 Aluminium
ca. 2 Chrom
ca. 2 Niob
ca. 2 Tantal.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung durch isostatisches Verdichten von verdüstem, die Legierungsbestandteile enthaltendem Pulver gebildet ist.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein durch Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 1200°C und 1400°C erzeugtes Duplexgefüge mit einer Lamellen aufweisenden, grobkörnigen Gefügephase enthält.

6. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Duplexgefüge beim ca. 1- bis ca. 4-stündigen Halten der Legierung auf einer Temperatur von ca. 1350 bis ca. 1380°C gebildet wird.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem durch Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 1200°C und 1400°C erzeugten grobkörnigen Gefüge mit Lamellenstruktur gebildet ist.

8. Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das grobkörnige Gefüge beim ca. 1- bis ca. 4-stündigen Halten der Legierung auf einer Temperatur von ca. 1380 bis ca. 1400°C gebildet wird.

9. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 7 oder 8 in einem thermisch hoch belasteten Bauteil großer Kriechbeständigkeit, insbesondere in einer Turbinenschaufel einer thermischen Strömungsmaschine.