DE68910462T2

DE68910462T2 - Hitzebeständige Titan-Aluminiumlegierung mit hoher Bruchzähigkeit bei Zimmertemperatur und mit hoher Oxydationsbeständigkeit und hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen.

Info

Publication number: DE68910462T2
Application number: DE89114560T
Authority: DE
Inventors: Kuninori Minakawa; Shinji Mitao; Seishi Tsuyama
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-08-16
Filing date: 1989-08-07
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2009-08-08
Also published as: DE68910462D1; EP0363598B1; US4983357A; EP0363598A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit.
Eine TiAl-Legierung, bei der es sich um eine intermetallische Verbindung handelt, besitzt folgende Merkmale:
(1) Sie ist leicht von Gewicht, insbesondere besitzt die TiAl-Legierung ein spezifisches Gewicht von etwa 3,7, das der Hälfte desjenigen der Nickelsuperlegierung entspricht oder kleiner als dieses ist.
(2) Sie besitzt eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit. Insbesondere besitzt die TiAl-Legierung eine Streckfestigkeit und einen Young-Modul in einem Temperaturbereich nahe 800ºC, die in derselben Größenordnung liegen wie bei Raumtemperatur.
Es wurden nun Untersuchungen durchgeführt, wie man in der Praxis beispielsweise die Nickelsuperlegierung oder Keramikwerkstoffe, die als Werkstoffe für Turbinenflügel verwendet werden, durch die leichtgewichtige und eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit aufweisende TiAl-Legierung ersetzen könnte.
Die übliche TiAl-Legierung konnte jedoch aus folgenden Gründen bislang in der Praxis noch nicht als Werkstoff für einen Hochtemperatureinsatz verwendet werden:
1. Die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur läßt noch zu wünschen übrig. Auf dem in Tokyo 1987 abgehaltenen Internationalen Gasturbinen-Kongress berichteten Y. Nishiyama und Mitarbeiter über ihre Erkenntnis, daß die TiAl-Legierung eine Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur (KIC) von 13 MPa m besaß. Obwohl dieser Bruchzähigkeitswert bei Raumtemperatur über demjenigen von Si&sub3;N&sub4; und anderer Keramikwerkstoffe für Bauteile von 5 MPa m liegt, besteht ein Bedarf nach einem noch höheren Wert für die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur.
2. Die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit läßt ebenfalls noch zu wünschen übrig. Obwohl die TiAl-Legierung üblichen Titanlegierungen in der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit überlegen ist, ist sie nicht immer besser als diejenige der Nickelsuperlegierung. Es ist bekannt, daß insbesondere im Temperaturbereich von mindestens 900ºC die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der TiAl-Legierung drastisch sinkt und daß die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der TiAl-Legierung durch Zulegieren von Niob erheblich verbessert wird. Das Zulegieren von Niob verbessert jedoch nicht die Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung.
3. Die Hochtemperaturfestigkeit ist nicht sehr hoch. Obwohl, wie zuvor angegeben, die TiAl-Legierung eine hohe Streckfestigkeit aufweist, die im Temperaturbereich nahe 800ºC von derselben Größenordnung ist wie bei Raumtemperatur, ist dieser Wert (immer noch nicht) sehr hoch und erreicht bestenfalls etwa 390 MPa. Ein Vergleich der TiAl-Legierung mit der Nickelsuperlegierung, z.B. der Inconel 713-Legierung, hinsichtlich der spezifischen Festigkeit, d.h. eines durch Dividieren eines Festigkeitskennwerts, z.B. der Zugfestigkeit, der Druckfestigkeit oder der Zeitstandfestigkeit innerhalb des Temperaturbereichs von 700 - 1 100ºC durch das spezifische Gewicht erhaltenen Werts, zeigt nahezu keinen feststellbaren Unterschied zwischen diesen Legierungen. Es ist wenig wahrscheinlich, daß die übliche TiAl-Legierung ein Ersatz für die Nickelsuperlegierung ist, wenn man in Betracht zieht, daß letztere in der Bildsamkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur überlegen ist.
Es dürfte jedoch möglich sein, die Nickelsuperlegierung durch die TiAl-Legierung als Werkstoff für ein eine recht hohe Bildsamkeit und Zähigkeit erforderndes Bauteil durch Verbessern der Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung zur Erhöhung ihrer spezifischen Festigkeit zu ersetzen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die TiAl-Legierung Keramikwerkstoffen in der Bildsamkeit und Zähigkeit überlegen ist, dürfte es auch möglich sein, die TiAl-Legierung anstelle der im Temperaturbereich von 700 - 1 000ºC eingesetzten Bauteilkeramikwerkstoffe einzusetzen.
Bezüglich des Einflusses der Legierungselemente auf die Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung sei auf die in der US-A-4 294 615 (Veröffentlichungsdatum: 13. Oktober 1981) niedergelegten Erkenntnisse verwiesen. Eine Ti-31 bis 36 Gew.-%, Al-0,1 bis 4 Gew.-%, V TiAl-Legierung besitzt eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit und Bildsamkeit bei Raumtemperatur. Durch Zulegieren von 0,1 Gew.-% Kohlenstoff zu der genannten TiAl-Legierung läßt sich deren Zeitstandfestigkeit verbessern (im folgenden als "Stand der Technik" bezeichnet).
Die spezifische Festigkeit der TiAl-Legierung des Standes der Technik läßt jedoch noch zu wünschen übrig und entspricht nahezu derjenigen der Nickelsuperlegierung.
Aus der US-A-2 880 087 sind Titan/Aluminium-Legierungen mit mehr als 8 bis zu 34% Aluminium bekannt. Deren Warmformgebung sowie Festigkeit und Bildsamkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen lassen sich durch Zulegieren eines oder mehrerer ausgewählten (ausgewählter) β-stabilisierenden (β-stabilisierender) Elements (Elementen) in hohem Maße verbessern.
Unter diesen Umständen besteht ein großer Bedarf, eine wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, deren Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur mindestens 13 MPa m beträgt, deren 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC diejenige der üblichen TiAl-Legierung übersteigt und deren Dickeabnahme nach 500-stündigem Erwärmen auf eine Temperatur von 900ºC an der freien Luft bis zu 0,1 mm/Seite ausmacht, zu entwickeln. Eine TiAl-Legierung mit solchen Kennwerten gibt es jedoch bislang nicht.
Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, eine Wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, deren Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur mindestens 13 MPa m beträgt, deren 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC höher ist als diejenige der üblichen TiAl-Legierung und deren Dickeabnahme nach 500-stündigem Erwärmen auf eine Temperatur von 900ºC in freier Luft bis zu 0,1 mm/Seite ausmacht, bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine wärmebständige TiAl- Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie
Aluminium: von 29 bis 35 Gew.-%,
Niob: von 0,5 bis 20 Gew.-%,
mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
Silizium: von 0,1 bis 1,8 Gew.-% und
Zirkonium: von 0,3 bis 5,5 Gew.-%, und
zum Rest Titan und beiläufige Verunreinigungen enthält.
Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Aluminiumgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur bei einer TiAl-Legierung;
Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Niobgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur einer TiAl-Legierung;
Fig. 3 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Siliziumgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur einer TiAl-Legierung;
Fig. 4 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Zirkoniumgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur einer TiAl-Legierung;
Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen der ausgeübten Beanspruchung und der Zeitstandfestigkeit der TiAl-Legierung;
Fig. 6 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und der 100 h Zeitstandfestigkeit einer TiAl-Legierung und
Fig. 7 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen der Dickeabnahme und der 100 h Zeitstandfestigkeit einer TiAl-Legierung.
Aus den dargelegten Gründen wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um eine wärmebeständig TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit zu entwickeln. Hierbei wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:
Man kann eine wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit bereitstellen, wenn man eine gegebene Menge Niob und eine gegebene Menge mindestens eines Legierungsbestandteils, nämlich von Silizium und Zirkonium, zulegiert.
Die vorliegende Erfindung beruht auf den genannten Erkenntnissen, wobei erfindungsgemäß eine wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit mit
Aluminium: von 29 bis 35 Gew.-%,
Niob: von 0,5 bis 20 Gew.-%,
mindestens einem Element aus der Gruppe:
Silizium: von 0,1 bis 1,8 Gew.-% und
Zirkonium: von 0,3 bis 5,5 Gew.-%,
und zum Rest Titan und beiläufigen Verunreinigungen, bereitgestellt wird.
Die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen wärmebeständigen TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit wird aus folgenden Gründen auf die jeweiligen Bereiche beschränkt:

(1) Aluminium:

Aluminium besitzt die Funktion, die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung zu verbessern. Bei einem Aluminiumgehalt unter 29 Gew.-% stellt sich jedoch der zuvor beschriebene gewünschte Effekt nicht ein. Wenn andererseits der Aluminiumgehalt 35 Gew.-% übersteigt, läßt sich der zuvor beschriebene Effekt nicht mehr weiter verbessern. Beim Einsatz einer TiAl-Legierung schlechter Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und Hochtemperaturfestigkeit als Bauteilwerkstoff muß man viel Arbeit darauf verwenden, eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die Vorteile gegenüber Bauteilkeramiken, wie Si&sub3;N&sub4;, zu gering, um die erfindungsgemäß zu lösende Aufgabe lösen zu können. Folglich sollte der Aluminiumgehalt auf den Bereich von 29 - 35 Gew.-% begrenzt werden.

(2) Niob:

Niob, das keinen sehr hohen Beitrag hinsichtlich der Verbesserung der Festigkeit der TiAl-Legierung leistet, besitzt die Funktion, in hohem Maße die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der TiAl-Legierung zu verbessern. Bei einem Niobgehalt unter 0,5 Gew.-% stellt sich jedoch der zuvor beschriebene gewünschte Effekt nicht ein. Andererseits steigt bei einem Niobgehalt über 20 Gew.-% das spezifische Gewicht der TiAl-Legierung, so daß man unter gleichzeitiger Verschlechterung der Zeitstandfestigkeit der TiAl-Legierung kein geringeres Gewicht erreicht. Folglich sollte der Niobgehalt auf einem Bereich von 0,5 - 20 Gew.-% beschränkt werden.

(3) Silizium:

Silizium kommt die Funktion einer Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung zu. Bei einem Siliziumgehalt unter 0,1 Gew.-% läßt sich jedoch der zuvor geschilderte gewünschte Effekt nicht erreichen. Ein Siliziumgehalt über 1,8 Gew.-% vermindert andererseits in hohem Maße die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung. Folglich sollte der Siliziumgehalt auf einen Bereich von 0,1 - 1,8 Gew.-% beschränkt werden.

(4) Zirkonium:

Zirkonium kommt ähnlich wie Silizium die Funktion einer Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung zu. Bei einem Zirkoniumgehalt unter 0,3 Gew.-% stellt sich jedoch der zuvor geschilderte gewünschte Effekt nicht ein. Bei einem Zirkoniumgehalt über 5,5 Gew.-% verschlechtert sich andererseits die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung in erheblichem Maße unter gleichzeitiger Erhöhung des spezifischen Gewichts der TiAl-Legierung. Somit läßt sich kein geringeres Gewicht erreichen. Der Zirkoniumgehalt sollte demzufolge auf einem Bereich von 0,3 - 5,5 Gew.-% beschränkt werden.
Um eine Verschlechterung der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung zu verhindern, sollten erfindungsgemäß die jeweiligen Mengen an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff als beiläufige Verunreinigungen in der TiAl-Legierung vorzugsweise wie folgt beschränkt werden:
Bis zu 0,6 Gew.-% für Sauerstoff;
bis zu 0,1 Gew.-% für Stickstoff und
bis zu 0,05 Gew.-% für Wasserstoff.
Das folgende Beispiel soll die erfindungsgemäße wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit näher erläutern.

BEISPIEL

In einem Schmelzofen wurden TiAl-Legierungen jeweils einer chemischen Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Erfindung (vgl. Tabelle 1) und TiAl-Legierungen jeweils einer chemischen Zusammensetzung außerhalb der vorliegenden Erfindung (vgl. ebenfalls Tabelle 1) erschmolzen und danach zu Blöcken vergossen. Aus den einzelnen beim Vergießen erhaltenen Blöcken wurden Prüflinge für einen Bruchzähigkeitstest Nr. 13 - 32 (aus erfindungsgemäßen TiAl-Legierungen) bzw. Vergleichsprüflinge für einen Bruchzähigkeitstest Nr. 1 - 12 (aus den außerhalb der Erfindung liegenden TiAl- Legierungen) geschnitten. Die Prüflinge wurden gemäß der Vorschrift ASTM E399 gefertigt.
Von den Prüflingen und Vergleichsprüflingen wurde danach gemäß der Vorschrift ASTM E399" die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur bestimmt. In Tabelle 2 finden sich die Meßergebnisse für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 13 - 31 bzw. die Vergleichsprüflinge Nr. 4, 5 und 7 bis 12.
Um den Einfluß der jeweiligen Gehalte an Aluminium, Niob, Silizium und Zirkonium auf die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung zu zeigen, sind in Fig. 1 die Beziehung zwischen dem Aluminiumgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 13 bis 17 und 20 und die Vergleichsprüflinge Nr. 7 bis 9, bei denen es sich um die Ti-Al-4 Gew.-% Nb-1 Gew.-% Si TiAl-Legierungen handelte, in Fig. 2 die Beziehung zwischen dem Niobgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 15 und 27 bis 31 und die Vergleichsprüflinge Nr. 5 und 12, bei denen es sich um die Ti-33 Gew.-% Al-Nb-1 Gew.-% Si TiAl-Legierungen handelte, in Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Siliziumgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 18 bis 20 und die Vergleichsprüflinge Nr. 4 und 10, bei denen es sich um die Ti-33 Gew.-% Al-4 Gew.-% Nb-Si TiAl-Legierungen handelte, und in Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Zirkoniumgehalt und der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 21 bis 26 und die Vergleichsprüflinge Nr. 4 bis 11, bei denen es sich um die Ti-33 Gew.-% Al-2 Gew.-% Nb-Zr TiAl-Legierungen handelte, dargestellt. TABELLE 1 Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Sonstige Vergleichsprüflinge Erfindungsgemäße Prüflinge TABELLE 2 Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur KIC(MPa m) Vergleichsprüflinge Erfindungsgemäße Prüflinge
Aus Fig. 1 geht hervor, daß die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung in hohem Maße vom Aluminiumgehalt abhängt. Insbesondere bei einem Aluminiumgehalt im Bereich von 29 - 35 Gew.-% beträgt die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur (KIC) der TiAl-Legierung mindestens 13 Mpa m, d.h. sie erreicht hierbei den erfindungsgemäßen Zielwert. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung durch den Niobgehalt kaum beeinträchtigt wird. Aus Fig. 3 geht hervor, daß die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung mit einer Zunahme im Siliziumgehalt sinkt. Um eine Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 13 Mpa m zu erreichen, muß man folglich den Siliziumgehalt auf bis zu 1,8 Gew.-% beschränken. Aus Fig. 4 geht hervor, daß die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur der TiAl-Legierung mit einer Zunahme im Zirkoniumgehalt sinkt. Um eine Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 13 MPa m sicherzustellen, muß folglich der Zirkoniumgehalt auf bis zu 5,5 Gew.-% begrenzt werden.
Weiterhin wurden in einem Schmelzofen TiAl-Legierungen jeweils einer chemischen Zusammensetzung innerhalb der vorliegenden Erfindung (vgl. Tabelle 1) bzw. TiAl-Legierungen jeweils einer chemischen Zusammensetzung außerhalb der vorliegenden Erfindung (vgl. ebenfalls Tabelle 1) erschmolzen und danach zu Blöcken vergossen. Aus den beim Vergießen erhaltenen Blöcken wurden danach Prüflinge Nr. 13 bis 32 aus den erfindungsgemäßen TiAl-Legierungen jeweils eines parallelen Bereichs mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 30 mm bzw. Vergleichsprüflinge Nr. 1 bis 12 aus den TiAl-Legierungen außerhalb der Erfindung, die ebenfalls jeweils einen parallelen Bereich eines Durchmessers von 6 mm und einer Länge von 30 mm aufwiesen, ausgeschnitten. Von jedem Prüfling wurde dann die Zeitstandfestigkeit bei 820ºC bestimmt. Die Beziehung zwischen der auf den jeweiligen Testprüflingen ausgeübten Belastung und der Zeitstandfestigkeit ergibt sich aus Fig. 5.
Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Prüflinge in mehrere Gruppen eingeteilt werden. Insbesondere fallen die Vergleichsprüflinge Nr. 1 bis 4 und 9 in Fig. 5 in die unterste Gruppe, wobei die ausgeübte Belastung, bei der der jeweilige Prüfling nach Ablauf von 100 h bricht, d.h. die 100 h Zeitstandfestigkeit, etwa 150 MPa beträgt. Im Gegensatz dazu besitzen die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 14 bis 16, 20 und 32 eine 100 h Zeitstandfestigkeit von etwa 350 MPa, d.h. sie weisen diesbezüglich einen sehr hohen Wert auf.
Die Tabelle 3 enthält Angaben über den Niobgehalt, die 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC, das spezifische Gewicht und die spezifische Festigkeit, d.h. einen Wert, den man durch Dividieren der 100 h Zeitstandfestigkeit durch das spezifische Gewicht erhält, für jeden der erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 15 und 27 bis 31 bzw. der Vergleichsprüflinge Nr. 2, 5 und 12, bei denen es sich um die Ti-33 Gew.-% Al-Nb-1 Gew.-% Si TiAl-Legierung handelte. TABELLE 3 Nb-Gehalt (Gew.-%) 100 h Zeitstandfestigkeit (MPa) Spezifisches Gewicht (g/cm³) Spezifisches Festigkeit (x 10&sup7; cm²/s²) Vergleichsprüfling Erfindungsgemäßer Prüfling
Aus Tabelle 3 geht hervor, daß das Zulegieren von Niob nahezu zu keiner Änderung in der 100 h Zeitstandfestigkeit führt. Diese neigt eher zur Abnahme unter Erhöhung des spezifischen Gewichts. Aus Tabelle 3 geht ferner hervor, daß man zur Gewährleistung einer spezifischen Festigkeit oberhalb derjenigen des Vergleichsprüflings Nr. 2, der aus der Legierung des Standes der Technik hergestellt wurde, von 39,5 x 10&sup7; cm²/s² den Niobgehalt der TiAl-Legierung auf bis zu 20 Gew.-% beschränken muß.
Tabelle 4 zeigt den Aluminiumgehalt und die 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC für jeden der erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 13 bis 17 und 20 bzw. der Vergleichsprüflinge Nr. 7 bis 9, bei denen es sich um die Ti-Al 4 Gew.-% Nb-1 Gew.-% Si TiAl-Legierung handelte. Tabelle 5 zeigt den Siliziumgehalt und die 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC für jeden der erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 15 und 18 bis 20 bzw. der Vergleichsprüflinge Nr. 4 und 10, bei denen es sich um die Ti-33 Gew.-% Al-4 Gew.-% Nb-Si TiAl-Legierung handelte. Tabelle 6 zeigt schließlich den Zirkoniumgehalt und die 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC für jeden der erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 21 bis 26 bzw. der Vergleichsprüflinge Nr. 4 und 11, bei denen es sich um die Ti-33 Gew.- % Al-2 Gew.-% Nb-Zr TiAl-Legierung handelte. TABELLE 4 Al-Gehalt (Gew.-%) 100 h Zeitstandfestigkeit (MPA) Vergleichsprüfling Erfindungsgemäßer Prüfling TABELLE 5 Si-Gehalt (Gew.-%) 100 h Zeitstandfestigkeit (MPa) Vergleichsprüfling Erfindungsgemäßer Prüfling TABELLE 6 Zr-Gehalt (Gew.-%) 100 h Zeitstandfestigkeit (MPa) Vergleichs-Prüfling Erfindungsgemäßer Prüfling
Aus den Tabellen 4, 5 und 6 geht hervor, daß man die Hochtemperaturfestigkeit der TiAl-Legierung durch Begrenzen des Aluminiumgehalts auf 29 - 35 Gew.-%, Beschränken der Untergrenze des Siliziumgehalts auf 0,1 Gew.-% und Beschränken der Untergrenze des Zirkoniumgehalts auf 0,3 Gew.-% verbessern kann.
Ferner wurden in einem Schmelzofen TiAl-Legierungen jeweils einer chemischen Zusammensetzung innerhalb der vorliegenden Erfindung (vgl. Tabelle 1) bzw. TiAl-Legierungen jeweils einer chemischen Zusammensetzung außerhalb der vorliegenden Erfindung (vgl. ebenfalls Tabelle 1) erschmolzen und danach zu Blöcken vergossen. Aus den beim Vergießen erhaltenen Blöcken wurden danach erfindungsgemäße Prüflinge Nr. 13 bis 32 aus TiAl-Legierungen innerhalb der vorliegenden Erfindung jeweils einer Breite in Längsrichtung von 8 mm, einer Breite in Querrichtung von 10 mm und einer Dicke von 2 mm bzw. Vergleichsprüflinge Nr. 1 bis 12 aus TiAl-Legierungen außerhalb der vorliegenden Erfindung, die ebenfalls jeweils eine Breite in Längsrichtung von 8 mm, eine Breite in Querrichtung von 10 mm und eine Dicke von 2 mm aufwiesen, geschnitten. Zur Bestimmung der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit wurden die Prüflinge in freier Luft 100 h, 200 h bzw. 500 h auf eine Temperatur von 900ºC erwärmt. Danach wurde jeweils die durch Oxidation hervorgerufene Dickeabnahme pro Seite der Prüflinge gemessen. Die bei den erfindungsgemäßen Prüflingen Nr. 15, 24 bzw. 32 und den Vergleichsprüflingen Nr. 1, 2 und 4 bis 6 erhaltenen Meßergebnisse finden sich in Tabelle 7. TABELLE 7 Erwärmungsdauer (h) Dickeabnahme (mm) Vergleichsprüfling Erfindungsgemäßer Prüfling
Aus Tabelle 7 geht hervor, daß die Zulegierung von Niob zu einer deutlichen Verbesserung der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der TiAl-Legierung führt. Das Zulegieren von Silizium und Zirkonium besitzt keinen merklichen Einfluß auf die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der TiAl-Legierung.
Tabelle 8 enthält Angaben über den Niobgehalt und die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 15 und 27 bis 31 bzw Vergleichsprüflinge Nr. 5 und 12. TABELLE 8 Nb-Gehalt (Gew.-%) Erwärmungsdauer (h) Dickeabnahme (mm) Vergleichsprüfling Erfindungsgemäßer Prüfling
Aus Tabelle 8 geht hervor, daß man durch Zulegieren von mindestens 0,5 Gew.-% Niob die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit der TiAl-Legierung verbessern kann.
Die Meßergebnisse sind in Fig. 6 und 7 graphisch dargestellt. Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und der Hochtemperaturfestigkeit, d.h. der 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 13 bis 32 bzw. die Vergleichsprüflinge Nr. 1 bis 12. In Fig. 6 entspricht der gestrichelt umschlossene Bereich der vorliegenden Erfindung und führt zu einer hervorragenden Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und Hochtemperaturfestigkeit.
Fig. 7 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit, d.h. der Dickeabnahme pro Seite des Prüflings nach 500-stündigem Erwärmen auf eine Temperatur von 900ºC in freier Luft einerseits und der Hochtemperaturfestigkeit, d.h. der 100 h Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 820ºC, andererseits für die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 13 bis 32 bzw. die Vergleichsprüflinge Nr. 1 bis 12. In Fig. 7 entspricht der gestrichelt eingeschlossene Bereich der vorliegenden Erfindung und führt zu einer hervorragenden Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit.
Aus Fig. 6 und 7 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Prüflinge Nr. 13 bis 32 sämtliche eine hervorragende Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit aufweisen. Im Gegensatz dazu ist bei den Vergleichsprüflingen Nr. 1 bis 4, 8, 9 und 12 die Hochtemperaturfestigkeit niedrig. Die Vergleichsprüflinge Nr. 5 bis 7, 10 und 11 zeigen zwar eine akzeptable Hochtemperaturfestigkeit, die Vergleichsprüflinge Nr. 7, 10 und 11 besitzen jedoch eine schlechte Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, während die Vergleichsprüflinge Nr. 5 und 6 eine schlechte Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit zeigen.
Erfindungsgemäß kann man, wie zuvor detailliert beschrieben, eine wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit bereitstellen. Die Erfindung ist somit von großem industriellem Nutzen.

Claims

1. Wärmebeständige TiAl-Legierung hervorragender Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie

Aluminium : von 29 bis 35 Gew.-%,

Niob : von 0,5 bis 20 Gew.-% und

mindestens ein Element, ausgewahlt aus der Gruppe bestehend aus:

Silizium : von 0,1 bis 1,8 Gew.-% und

Zirkonium : von 0,3 bis 5,5 Gew.-%, und

zum Rest Titan und beiläufige Verunreinigungen enthält.

2. Wärmebeständige TiAl-Legierung nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Anteile an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff als beiläufige Verunreinigungen auf:

bis zu 0,6 Gew.-% Sauerstoff,

bis zu 0,1 Gew.-% Stickstoff und

bis zu 0,05 Gew.-% Wasserstoff

beschränkt sind.