DE60202731T2

DE60202731T2 - Intermetallische Verbindung aus Titan-Aluminium-Basislegierung und Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus dieser Legierung

Info

Publication number: DE60202731T2
Application number: DE60202731T
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu Nagasaki Tetsui
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: EP1308529B1; EP1308529A1; US20030111141A1; JP4107830B2; DE60202731D1; JP2003147475A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Legierung auf Basis einer intermetallischen Titan-Aluminium-Verbindung (nachfolgend als Legierung auf TiAl-Basis bezeichnet) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus der Legierung.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Legierungen auf TiAl-Basis zeigen überlegene Festigkeit bei hohen Temperaturen. Folglich wird erwartet, dass Legierungen auf TiAl-Basis für rotierende Komponenten, wie Turbinenräder von Turboladern und Turbinenblätter von Gasturbinen verwendbar sind.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung (JP-A-Heisei 9-143599) offenbart eine Legierung auf TiAl-Basis. Die Legierung besteht in Atomprozent aus 45 bis 48% Aluminium, 0,5 bis 2,0% Nickel, 1,0 bis 3,0% Niob, 0,2 bis 1,0% Wolfram und 1,0 bis 2,0% Mangan und einem Rest, der Titan plus Verunreinigungen einschließt. Die Legierung hat wegen der geeigneten Nickelkonzentration überlegene innere Reibungseigenschaften.
JP-A-2000-199025 offenbart eine Legierung auf Basis einer intermetallischen Titan-Aluminium-Verbindung für ein Turbinenbauteil mit Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, Zähigkeit und Duktilität sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Legierung hat die folgende Zusammensetzung: 44,5 bis 48,5 Gew.-% Al, 5 bis 9,5 Gew.-% Nb, 0,5 bis 2 Gew.-% Cr, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Si, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Ni und der Rest Ti mit unvermeidbaren Verunreinigungen. Die Legierung hat eine Zweiphasenstruktur aus einer Lamellenstruktur, zusammengesetzt aus einer γ-TiAl-Phase und einer α₂-Ti₃Al-Phase, und einer γ-Phase oder einer Dreiphasenstruktur aus einer Lamellenstruktur, einer γ-TiAl-Phase und einer β-Phase.
US 5,653,828 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von γ-Titan-Aluminid-Legierungen mit einer feingekörnten Lammelen-Mikrostruktur, welches die Schritte der cyclischen Wärmebehandlung von γ-Titan-Aluminid-Legierung bis zu einer Maximaltemperatur im Bereich von etwa 10°C über der α-Übergangstemperatur der Legierung bis etwa 10°C unterhalb der α-Übergangstemperatur der Legierung und das Abkühlen der Legierung auf eine Temperatur unterhalb etwa 700°C, sowie der Wärmebehandlung der cyclisch wärmebehandelten Legierung bei einer Temperatur zwischen etwa 750 und 1.050°C für etwa 4 bis 100 Stunden umfasst. Das Verfahren kann einen Gießschritt, ein heißisostatisches Pressen, eine Wärmebehandlung im Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre, sowie einen Abkühlungsschritt einschließen. Für gegossene γ-Legierungen umfasst das Verfahren zusätzlich einen ersten Schritt einer Lösungsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 30 bis 70°C überhalb der α-Übergangstemperatur, gefolgt von einem Abschrecken mit Wasser oder einem Öl.
Die Herstellung von Produkten aus Legierungen auf TiAl-Basis wird oft durch Gießen erzielt. Es ist ein Problem des Gießens, dass viele Defekte, wie Hohlräume, in die gegossenen Produkte eingeschlossen werden. Defekte werden wünschenswerterweise entfernt, um die mechanischen Eigenschaften der gegossenen Produkte zu verbessern.
Es ist weithin bekannt, dass heißisostatisches Pressen (hot isostatic pressing, HIP) effektiv Defekte aus dem gegossenen Produkt entfernt. HIP ist ein Verfahren, bei dem gegossene Produkte bei erhöhtem Druck einer hohen Temperatur ausgesetzt werden.
HIP vergrößert jedoch den Lamellenabstand der Lamellenstruktur der Legierung auf TiAl-Basis. Diese Vergrößerung des Lamellenabstands ist unerwünscht, weil der enge Lamellenabstand der Lamellenstruktur ein Ursprung der überlegenen mechanischen Eigenschaften der Legierung auf TiAl-Basis ist. Die Vergrößerung des Lamellenabstands setzt die Kriechfestigkeit der Legierung auf TiAl-Basis herab.
Zusätzlich ist die Kurzzeitermüdungsfestigkeit (low cycle fatigue strength) von Legierungen auf TiAl-Basis infolge ihrer geringen Duktilität herkömmlichem metallischem Material unterlegen. Insbesondere im Fall von durch Gießen hergestellten TiAl-Legierungen ist die Kurzzeitermüdungsfestigkeit infolge ihrer großen Korngröße sehr klein. Die geringe Kurzzeitermüdungsfestigkeit ist ein Problem, weil Gasturbinenkomponenten oft harter thermischer Beanspruchung ausgesetzt sind, die Kurzzeitermüdung verursacht.
Folglich besteht Bedarf, eine durch Gießen hergestellte Legierung auf TiAl-Basis bereitzustellen, die überlegene Eigenschaften der Kriechfestigkeit und Kurzzeitermüdungsfestigkeit aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein erfindungsgemäßes Ziel, eine durch Gießen hergestellte Legierung auf TiAl-Basis zur Verfügung zu stellen, die bessere Kriechfestigkeit besitzt.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ziel ist es, eine durch Gießen hergestellte Legierung auf TiAl-Basis bereitzustellen, die eine bessere Kurzzeitermüdungsfestigkeit besitzt.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ziel ist die Bereitstellung einer durch Gießen hergestellten Legierung auf TiAl-Basis, die sowohl in der Kriechfestigkeit als auch der Kurzzeitermüdungsfestigkeit verbessert ist.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine Legierung auf TiAl-Basis Eigenschaften wie folgt. Die Legierung auf TiAl-Basis hat Lamellenstruktur, und der Volumenanteil der Nicht-Lamellenstruktur der Legierung ist gleich oder weniger als 3 Volumenprozent. Die Durchmesser von Lamellenkörnern, die in die Legierung eingeschlossen sind, sind gleich oder weniger als 200 μm. Der Lamellenabstand der in die Legierung eingeschlossenen Lamellenstruktur ist gleich oder weniger als 2 μm.
Die Legierung schließt vorzugsweise Bor ein, dessen Konzentration vorteilhaft im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent liegt.
Die erfindungsgemäße Legierung auf TiAl-Basis schließt in Atomprozent ein: 43 bis 48% Aluminium, 2,0 bis 5,0% Niob, 0,2 bis 1,2% Wolfram, 0,1 bis 1,0% Nickel, 0,2 bis 1,2% Bor sowie einen Rest, der Titan plus Verunreinigungen einschließt.
Die Legierung auf TiAl-Basis schließt vorzugsweise Mangan ein, dessen Konzentration vorteilhaft im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent liegt.
Die Legierung auf TiAl-Basis schließt vorzugsweise Chrom ein, dessen Konzentration vorteilhaft im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent liegt.
Die Legierung auf TiAl-Basis schließt vorzugsweise Silizium ein, dessen Konzentration vorteilhaft im Bereich von 0,1 bis 1,0 Atomprozent liegt.
Die Legierung auf TiAl-Basis schließt vorzugsweise Kohlenstoff ein, dessen Konzentration vorteilhaft im Bereich von 0,1 bis 0,5 Atomprozent liegt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Legierung auf TiAl-Basis aus dem Gießen einer Legierung auf Basis einer intermetallischen TiAl-Verbindung in ein Produkt; dem Ausführen von heißisostatischem Pressen des Produkts;
der Wärmebehandlung des Produkts in einer nicht-oxidierenden Umgebung nach dem heißisostatischen Pressen; dem schnellen Abkühlen des Produkts nach der Wärmebehandlung.
Das Produkt wird vorzugsweise während der Wärmebehandlung auf 1.320° bis 1.370°C erhitzt.
Das Produkt wird vorzugsweise auf 1.000°C mit einer Kühlrate von 30°C bis 100°C/min während des schnellen Abkühlens abgekühlt.
Das Herstellungsverfahren schließt vorzugsweise ein:
eine zweite Wärmebehandlung des Produkts nach dem schnellen Abkühlen; und
das langsame Abkühlen des Produkts nach der zweiten Wärmebehandlung.
Das Produkt wird während der zweiten Wärmebehandlung vorzugsweise auf 900°C bis 1.050°C erhitzt.
Das Produkt wird während des langsamen Abkühlens mit einer Kühlrate gleich oder weniger als 10°C/min abgekühlt.
Das Herstellungsverfahren ist vorteilhaft, wenn die Legierung auf TiAl-Basis Bor einschließt, dessen Konzentration vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht von hergestellten Turbinenrädern;
2 ist eine Tabelle, die Legierungen und Verfahren zeigt, die für Beispiele 1 bis 7 benutzt wurden sowie das Bewertungsresultat;
3 ist eine Tabelle, welche die Zusammensetzung der Legierungen 1 bis 5 zeigt;
4 zeigt eine Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 1 mit dem optischen Mikroskop;
5 zeigt eine Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 2 mit dem optischen Mikroskop;
6 zeigt eine Rückstreu-elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 2 in Nähe einer Korngrenze;
7 zeigt eine Rückstreu-elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 3 vor dem Kriechbruchtest; und
8 zeigt eine optisch-mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 3 nach dem Versagen des Kriechtests.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform hat eine Legierung auf TiAl-Basis Eigenschaften wie folgt. Die Legierung auf TiAl-Basis hat eine Lamellenstruktur und der Volumenanteil seiner Nicht-Lamellenstruktur ist gleich oder weniger als 3 Volumenprozent. Durchmesser von Lamellenkörnern sind gleich oder weniger als 200 μm und der Lamellenabstand ist gleich oder weniger als 2 μm. Der kleine Volumenanteil der Nicht-Lamellenstruktur und der geringe Lamellenabstand verbessert die Kriechfestigkeit der Legierung auf TiAl-Basis, während die geringen Durchmesser der Lamellenkörner die Kurzzeitermüdungsfestigkeit verbessern.
Die Legierung auf TiAl-Basis ist in Atomprozent zusammengesetzt aus: 43 bis 48% Aluminium (Al), 2,0 bis 5,0% Niob (Nb), 0,2 bis 1,2% Wolfram (W), 0,1 bis 1,0 Nickel (Ni), 0,2 bis 1,2% Mangan (Mn), und 0,2 bis 1,2% Bor (B), sowie einem Rest, der Titan plus Verunreinigungen einschließt.
Die Aluminiumkonzentration der Legierung auf TiAl-Basis ist im Bereich von 43 bis 48 Atomprozent. Eine Aluminiumkonzentration unter 43 Atomprozent setzt die Zähigkeit der Legierung herab. Andererseits verringert eine Aluminiumkonzentration über 48 Atomprozent den Anteil der α₂-Phase in der Lamellenstruktur und setzt so die Festigkeit bei hoher Temperatur herab.
Die Dotierung mit Niob verbessert die Antioxidationsbeständigkeit. Die Niob-Konzentration der Legierung auf TiAl-Basis ist im Bereich von 2,0 bis 5,0 Atomprozent. Eine Niob-Konzentration von weniger als 2,0 Atomprozent ist nicht effektiv, um die Antioxidationsbeständigkeit zu verbessern. Andererseits ist eine Niob-Konzentration von mehr als 5,0 Atomprozent nicht bevorzugt wegen der Erhöhung der Dichte und der Kosten der Legierung.
Die Dotierung mit Wolfram verbessert die Festigkeit der Legierung auf TiAl-Basis bei hoher Temperatur. Die Wolfram-Konzentration ist im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent. Eine Wolfram Konzentration von weniger als 0,2 Atomprozent ist nicht effektiv zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit bei hoher Temperatur. Andererseits ist eine Wolfram-Konzentration von mehr als 1,2 Atomprozent nicht bevorzugt infolge der Erhöhung der Dichte und der Kosten der Legierung.
Die Dotierung mit Nickel erhöht die innere Reibung der Legierung auf TiAl-Basis. Die Nickel-Konzentration der Legierung ist im Bereich von 0,1 bis 1,0 Atomprozent. Eine Nickel-Konzentration von weniger als 0,1 Atomprozent ist nicht effektiv, um die innere Reibung zu erhöhen. Andererseits verringert eine Nickel-Konzentration von mehr als 1,0 Atomprozent die Duktilität bei Raumtemperatur infolge der Erzeugung schädlicher Phasen, wie beispielsweise Laves-Phasen in der Legierung.
Die Dotierung mit Mangan verbessert die Kurzzeitermüdungsfestigkeit. Die Mangan-Konzentration der Legierung auf TiAl-Basis ist vorteilhaft im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent. Eine Mangan-Konzentration von weniger als 0,2 Atomprozent ist nicht effektiv zur Verbesserung der Kurzzeitermüdungsfestigkeit. Andererseits verringert eine Mangan-Konzentration von mehr als 1,2 Atomprozent die Antioxidationsbeständigkeit.
Die Dotierung mit Bor verringert die Größe der Lamellenkörner in der Legierung auf TiAl-Basis. Die Verringerung der Korngröße verbessert die Kurzzeitermüdungsfestigkeit der Legierung. Die Borkonzentration der Legierung ist vorteilhaft im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent. Eine Borkonzentration von weniger als 0,2 Atomprozent ist nicht effektiv zur Verringerung der Korngröße. Andererseits verringert eine Borkonzentration von mehr als 1,2 Atomprozent die Brüchigkeit der Legierung infolge der Ausfällung von Borid.
Die Dotierung mit Chrom ist bevorzugt, um die Kurzzeitermüdungsfestigkeit weiter zu verbessern. Die Chromkonzentration der Legierung auf TiAl-Basis ist vorteilhaft im Bereich von 0,2 bis 1,2 Atomprozent. Eine Chromkonzentration von weniger als 0,2 Atomprozent ist nicht effektiv für die Verbesserung der Kurzzeitermüdungsfestigkeit. Andererseits setzt eine Chromkonzentration von mehr als 1,2 Atomprozent die Kriechfestigkeit infolge der Bildung von β-Phase in der Legierung herab.
Die Dotierung mit Silizium ist bevorzugt, um die Kriechfestigkeit der Legierung auf TiAl-Basis weiter zu verbessern. Die Silizium-Konzentration der Legierung ist vorteilhaft im Bereich von 0,1 bis 1,0 Atomprozent. Eine Silizium-Konzentration von weniger als 0,1 Atomprozent ist nicht effektiv für die Verbesserung der Kriechfestigkeit. Eine Silizium-Konzentration von mehr als 1,0 Atomprozent setzt die Kurzzeitermüdungsfestigkeit herab.
Die Dotierung mit Kohlenstoff ist ebenso bevorzugt, um die Kriechfestigkeit der Legierung weiter zu verbessern. Die Kohlenstoff-Konzentration der Legierung ist vorteilhaft im Bereich von 0,1 bis 0,5 Atomprozent. Eine Kohlenstoff-Konzentration von weniger als 0,1 Atomprozent ist nicht effektiv für die Verbesserung der Kriechfestigkeit. Eine Kohlenstoff-Konzentration von mehr als 0,5 Atomprozent setzt die Kurzzeitermüdungsfestigkeit herab.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus der zuvor erwähnten Legierung auf TiAl-Basis wird nachstehend beschrieben.
Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem Schmelzen und Gießen der Legierung auf TiAl-Basis in ein gegossenes Produkt. Die Bordotierung in der Legierung auf TiAl-Basis verbessert effektiv die Kurzzeitermüdungsfestigkeit des gegossenen Produkts durch Miniaturisierung der Größe der Lamellenkörner des Produkts.
Nach dem Gießen wird das gegossene Produkt dann HIP ausgesetzt. Die Bedingungen des HIP sind wie folgt. Das gegossene Produkt wird erhitzt und in einer Umgebung von im wesentlichen reinem Argon bei einer Temperatur von 1.200°C bis 1.300°C für 1 bis 3 Stunden gepresst. Der aufgewandte Druck ist gleich oder mehr als 100 MPa. Die Argonumgebung verhindert effektiv die Oxidation des gegossenen Produkts.
Der Temperaturbereich von 1.200°C bis 1.300°C ist aus folgenden Gründen vorteilhaft. HIP bei einer Temperatur unter 1.200°C ist nicht effektiv für die Eliminierung von Defekten infolge der geringen Deformierbarkeit der Legierung. Andererseits ist HIP bei einer Temperatur über 1.300°C nicht bevorzugt, weil die Argonumgebung unvermeidlich eine geringe Menge Sauerstoffgas als Verunreinigung enthält und die geringe Menge Sauerstoffgas das gegossene Produkt oxidieren kann, weil sein Partialdruck durch Hochdruck, wie beispielsweise 100 MPa, erhöht wird.
Wie zuvor erwähnt, beseitigt HIP die Defekte des gegossenen Produkts. Die Kriechfestigkeit des gegossenen Produkts wird jedoch durch HIP herabgesetzt. HIP vergrößert den Lamellenabstand der Lamellenstruktur und erzeugt Nicht-Lamellenstruktur an Korngrenzen. Der Nicht-Lamellenabstand setzt die gemeinsame Formbarkeit ("conformability") der Lamellenkörner herab. Die Zunahme des Lamellenabstands und die verringerte gemeinsame Formbarkeit setzen die Kriechfestigkeit der Legierung herab.
Um die Kriechfestigkeit der Legierung zu erhöhen, wird das gegossene Produkt dem folgenden Verfahren unterzogen. Zuerst wird das gegossene Produkt im Vakuum bei einer Temperatur von 1.320°C bis 1.370°C für 20 bis 60 Minuten wärmebehandelt und dann schnell abgekühlt. Dieses Verfahren kann nachfolgend als VHRCP (vacuum heating und rapid cooling process, Verfahren des Erhitzens unter Vakuum und der schnellen Abkühlung) bezeichnet werden. Die schnelle Abkühlung des gegossenen Produkts wird erzielt durch Blasen von Argongas von Raumtemperatur in den für die Wärmebehandlung verwendeten Ofen. Das gegossene Produkt wird vorzugsweise mit einer Kühlrate von 30°C bis 100°C/min abgekühlt, bis das Metallprodukt auf 1.000°C abgekühlt ist.
Das VHRCP restrukturiert die Lamellenstruktur der Legierung und verbessert effektiv die Kriechfestigkeit. Das VHRCP verringert den Lamellenabstand und beseitigt die Nicht-Lamellenstruktur an den Korngrenzen. Die Verringerung des Lamellenabstands und die Beseitigung der Nicht-Lamellenstruktur verbessern effektiv die Kriechfestigkeit der Legierung.
Die Temperatur der Wärmebehandlung im Bereich von 1.320°C bis 1.370°C ist aus den folgenden Gründen vorteilhaft. Eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unter 1.320°C verursacht nicht die Restrukturierung der Lamellenstruktur. Andererseits ist es nicht bevorzugt, dass das gegossene Produkt einer übermäßig hohen Temperatur ausgesetzt wird.
Das VHRCP, welches wirksam ist für die Verbesserung der Kriechfestigkeit, erzeugt verbliebene Spannung in dem gegossenen Produkt. Die verbliebene Spannung verursacht dynamische Rekristallisierung und erzeugt hierdurch Nicht-Lamellenstruktur an den Korngrenzen, wenn externe mechanische Spannung auf das gegossene Produkt ausgeübt wird. Die Nicht-Lamellenstruktur setzt die Kriechfestigkeit des gegossenen Produkts herab.
Um dynamische Rekristallisierung zu verhindern, wird das gegossene Produkt bei einer Temperatur von 900°C bis 1.050°C für 3 bis 50 Stunden in Luft getempert. Das Tempern entfernt effektiv die verbliebene Spannung. Eine Temperungstemperatur von 900°C bis 1.050°C ist vorteilhaft. Eine Temperung bei einer Temperatur unterhalb von 900°C ist nicht effektiv für die Entfernung der verbliebenen Spannung. Eine Temperung bei einer Temperatur von höher als 1.050°C zerstört die durch das VHRCP restrukturierte Lamellenstruktur. Die Behandlung in Inertgasatmosphäre ist nicht erforderlich, weil die Oxidation der TiAl-Legierung an Luft in diesem Temperaturbereich gering ist.
Wie beschrieben, verbessern die Struktur und Zusammensetzungen der Legierung auf TiAl-Basis und das Herstellungsverfahren effektiv sowohl die Kriechfestigkeit als auch die Kurzzeitermüdungsfestigkeit des gegossenen Produkts.
Beispiele
Sieben Turbinenräder, die eine in 1 gezeigte Form haben, wurden durch Gießen hergestellt. Die Turbinenräder wurden dann dem zuvor erwähnten HIP, VHRCP und/oder Tempern unterzogen. HIP wird für 3 Stunden bei den Bedingungen einer Temperatur von 1.250°C und einem Druck von 150 MPa durchgeführt. Die hergestellten sieben Turbinenräder werden jeweils als Beispiele 1 bis 7 bezeichnet.
2 zeigt Legierungen und das Herstellungsverfahren von Beispielen 1 bis 7. Beispiele 1 bis 7 sind aus einer der Legierungen 1 bis 5 hergestellt, die unterschiedliche Zusammensetzungen haben, wie in 3 gezeigt ist. Legierung 1 hat eine Vergleichszusammensetzung, welche keines von Bor, Chrom, Silizium und Kohlenstoff einschließt. Legierungen 2 bis 5 sind erfindungsgemäße Ausführungsformen. Legierung 2 ist eine Standardzusammensetzung. Legierung 3 schließt Chrom ein, welches die Kurzzeitermüdungsfestigkeit verbessert. Legierungen 4 und 5 schließen jeweils Silizium bzw. Kohlenstoff ein, welche die Kriechfestigkeit verbessern.
Wie in 2 gezeigt ist, wurde Beispiel 1 aus Legierung 1 hergestellt und HIP, VHRCP und Tempern für die Entfernung von verbliebener Spannung unterzogen.
Beispiele 2 bis 4 wurden hergestellt aus Legierung 2, wobei sie unterschiedlichen Verfahren unterzogen wurde. Beispiel 2 wurde HIP ausgesetzt und nicht VHRCP und Tempern ausgesetzt. Beispiel 3 wurde HIP und VHRCP ausgesetzt und nicht dem Tempern ausgesetzt. Beispiel 4 wurde HIP, VHRCP und Tempern ausgesetzt.
Beispiele 5, 6 und 7 wurden jeweils aus Legierung 3, 4 und 5 hergestellt. Beispiele 5, 6 und 7 wurden alle HIP, VHRCP und Tempern ausgesetzt.
Es ist anzumerken, dass Beispiel 2 nicht dem VHRCP und Tempern unterzogen wurde und Beispiel 3 nicht dem Tempern. Beispiele 2 und 3 wurden verwandt, um die Effekte des VHRCP und Temperns zu zeigen.
Teststücke für einen Kurzzeitermüdungstest und einen Kriechbruchtest wurden jeweils aus den Mittelteilen der Beispiele 1 bis 7 maschinell hergestellt. Die Teststücke für den Kurzzeitermüdungstest waren zylindrische Stäbe mit 3 mm Durchmesser und 8 mm Länge. Die Teststücke wurden dem Kurzzeitermüdungstest unter den Bedingungen von 0,7% Dehnung und einer Temperatur von 750°C unterzogen, um Zyklen von Kurzzeitermüdungsversagen zu bestimmen. Die Kriechteststücke waren zylindrische Stäbe mit 6 mm Durchmesser und 30 mm Länge. Die Kriechteststücke wurden einer Spannung von 100 MPa bei 900°C unterzogen, um Kriechbruchlebensdauern zu bestimmen.
Die Resultate dieser Tests sind in 2 gezeigt. Beispiel 1, welches kein Bor einschließt und HIP, VHRCP und Tempern unterzogen wurde, zeigt überlegene Kriechfestigkeit. Die überlegene Kriechfestigkeit stammt aus dem VHRCP und Tempern. Beispiel 1 besitzt jedoch die schlechteste Kurzzeitermüdungsfestigkeit. 4 zeigt eine Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 1 mit dem optischen Mikroskop. Die Körner von Beispiel 1, welches nicht mit Bor dotiert ist, haben einen größeren Durchmesser als 200 μm. Die große Korngröße verursacht die geringe Kurzzeitermüdungsfestigkeit von Beispiel 1.
Wie in 2 gezeigt ist, zeigt Beispiel 2, welches Bor einschließt, überlegene Kurzzeitermüdungsfestigkeit. 5 zeigt eine Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 2 mit dem optischen Mikroskop. Die Korngröße von Beispiel 2 (d.h. die Größe von Lamellenkörnern) ist kleiner als 200 μm, d.h. viel kleiner als diejenige von Beispiel 1. Die kleine Korngröße von Beispiel 2 verbessert wirksam die Kurzzeitermüdungsfestigkeit.
Beispiel 2 zeigt jedoch geringe Kriechfestigkeit. 6 zeigt eine Rückstreu-elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 2 in Nähe einer Korngrenze. Der Lamellenabstand von Beispiel 2 ist größer als 2 μm. Zusätzlich schließt Beispiel 2 Nicht-Lamellenstruktur ein. Die Nicht-Lamellenstruktur hat einen Volumenanteil von mehr als 3%. Der große Lamellenabstand und die Nicht-Lamellenstruktur von Beispiel 2 verursacht die geringe Kriechfestigkeit.
Wie in 2 gezeigt ist, zeigt Beispiel 3, welches Bor einschließt, und HIP und VHRCP unterzogen wurde, bessere Kurzzeitermüdungsfestigkeit. Wie oben diskutiert, resultiert dies aus der durch die Bor-Dotierung verursachten geringen Korngröße.
Zusätzlich ist Beispiel 3 hinsichtlich der Kriechfestigkeit gegenüber Beispiel 2 verbessert. 7 zeigt eine Rückstreu-elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts von Beispiel 3 vor dem Kriechbruchtest. Der Lamellenabstand ist klein und weniger als 2 μm. Zusätzlich wird keine Nicht-Lamellenstruktur in der Nähe von Korngrenzen beobachtet. Die Rückstreu-elektronenmikroskopische Aufnahme beweist, dass Beispiel 3 eine gewünschte Struktur für die Verbesserung der Kriechfestigkeit besitzt.
Beispiel 3 erleidet jedoch während des Kriechtests dynamische Rekristallisierung. 8 zeigt eine optisch-mikroskopische Aufnahme des Querschnitts von Beispiel 3 nach dem Versagen des Kriechtests. Eine große Zahl kleiner Körner, gebildet durch die Rekristallisierung, wird an den Grenzen der Lamellenkörner beobachtet. Kriechhohlräume werden gefunden, wo rekristallisierte Körner vorliegen.
Es wird angenommen, dass die Rekristallisierung durch verbliebene Spannung verursacht wird. Die schnelle Abkühlung während des VHRCP erzeugt große verbliebene Spannung an den Krongrenzen und die verbliebene Spannung verursacht dynamische Rekristallisierung während des Kriechtests. Entfernung der verbliebenen Spannung wird als wirksam für die Verbesserung der Kriechfestigkeit angesehen.
Beispiel 4, welches Bor einschließt und HIP, VHRCP und Tempern ausgesetzt wurde, zeigt überlegene Kurzzeitermüdungsfestigkeit und Kriechfestigkeit. Die überlegene Kurzzeitermüdung wird erzielt durch die Dotierung mit Bor, während die Verbesserung der Kriechfestigkeit erzielt wird durch VHRCP und Tempern. Das Tempern entfernt verbliebene Spannung und unterdrückt so die dynamische Rekristallisierung.
Beispiel 5, welches aus Legierung 3 hergestellt wurde, zeigt verbesserte Kurzzeitermüdungsfestigkeit, während seine Kriechfestigkeit Beispiel 4 unterlegen ist. Dies resultiert aus der Dotierung mit Chrom, welche die Duktilität verbessert, während sie die Festigkeit beeinträchtigt. In dieser erfindungsgemäßen Legierung ist die Dotierung mit Chrom wirksam für die Anwendung, welche überlegene Kurzzeitermüdungsfestigkeit erfordert.
Beispiel 6, welches aus Legierung 4 hergestellt ist, zeigt überlegene Kriechfestigkeit, während seine Kurzzeitermüdungsfestigkeit Beispiel 4 unterlegen ist. Dies resultiert aus der Dotierung mit Silizium, welche die mechanische Festigkeit verbessert, während die Duktilität verringert wird. In dieser erfindungsgemäßen Legierung ist die Dotierung mit Silizium wirksam für die Anwendung, welche überlegene Kriechfestigkeit erfordert.
Beispiel 7, welches aus Legierung 5 hergestellt ist, zeigt ebenso überlegene Kriechfestigkeit, während seine Kurzzeitermüdungsfestigkeit Beispiel 4 unterlegen ist. Dies resultiert aus der Dotierung mit Kohlenstoff, welche die Festigkeit verbessert, während die Duktilität verringert wird. In dieser erfindungsgemäßen Legierung ist die Dotierung mit Kohlenstoff wirksam für die Anwendung, welche überlegene Kriechfestigkeit erfordert.
Obwohl die Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einem gewissen Grad von Genauigkeit beschrieben wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form in den Konstruktionsdetails geändert wurde und dass auf die Kombination und Anordnung von Teilen zurückgegriffen werden kann, ohne vom beanspruchten Gegenstand abzuweichen.

Claims

Legierung auf Basis einer intermetallischen Titan-Aluminium-Verbindung, die umfaßt (gemessen in Atomprozent): 43 bis 48% Aluminium 2,0 bis 5,0% Niob 0,2 bis 1,2% Wolfram 0,1 bis 1,0% Nickel 0,2 bis 1,2% Bor optional 0,2 bis 1,2% Mangan optional 0,2 bis 1,2% Chrom optional 0,1 bis 1,0% Silizium optional 0,1 bis 0,5% Kohlenstoff und einen Rest, der Titan plus Verunreinigungen einschließt, wobei der Volumenanteil der Nicht-Lamellenstruktur gleich oder weniger als 3 Vol.% ist, die Durchmesser der Lamellenkörner gleich oder weniger als 200 μm sind und der Lamellenabstand der Lamellenstruktur gleich oder weniger als 2 μm ist.
Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Legierung auf Basis einer intermetallischen Titan-Aluminium-Verbindung gemäß Anspruch 1, welches die folgenden Schritte umfaßt: Gießen der Legierung auf Basis der intermetallischen Titan-Aluminium-Verbindung in ein Produkt; heißisostatisches Pressen des Produkts; Wärmebehandlung des Produkts in einer nicht oxidierenden Umgebung nach dem heißisostatischen Pressen; schnelles Abkühlen des Produkts nach der Wärmebehandlung.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Produkt während der Wärmebehandlung auf 1.320°C bis 1.370°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Produkt während dem schnellen Abkühlen mit einer Kühlrate von 30 bis 100°C/min auf 1.000°C abgekühlt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, das weiter die folgenden Schritte umfaßt: zweite Wärmebehandlung des Produkts nach dem schnellen Abkühlen; und langsames Abkühlen des Produkts nach der zweiten Wärmebehandlung.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Produkt während der zweiten Wärmebehandlung auf 900 bis 1.050°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Produkt während der langsamen Abkühlung mit einer Kühlrate gleich oder weniger als 10°C/min abgekühlt wird.