DE69015021T2

DE69015021T2 - Gamma-Titan-Aluminium-Legierungen, modifiziert durch Chrom und Tantal und Verfahren zur Herstellung.

Info

Publication number: DE69015021T2
Application number: DE69015021T
Authority: DE
Inventors: Shyh-Chin Nmn Huang; Donald Shengduen Shih
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2010-06-23
Also published as: US5028491A; EP0406638B1; CA2016007A1; CA2016007C; JPH03104833A; DE69015021D1; EP0406638A1; JPH0730420B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Legierungen aus Titan und Aluminium. Mehr im besonderen bezieht sie sich auf Gamma-Legierungen aus Titan und Aluminium, die sowohl hinsichtlich des stöchiometrischen Verhältnisses als auch im Hinblick auf eine Chrom- und Tantal-Zugabe modifiziert wurden.
Es ist bekannt, daß sich bei der Zugabe von Aluminium zu Titanmetall in immer größeren Anteilen die Kristallform der resultierenden Titan-Aluminium-Zusammensetzung ändert. Geringe Prozentsätze von Aluminium gehen in feste Lösung im Titan, und die Kristallform bleibt die des Alpha-Titans. Bei höheren Konzentrationen von Aluminium (die etwa 25 bis 35 Atom-% einschließen) wird eine intermetallische Verbindung Ti&sub3;Al gebildet. Das Ti&sub3;Al hat eine geordnete hexagonale Kristallform, die als Alpha-2 bezeichnet wird. Bei noch höheren Konzentrationen des Aluminiums (die den Bereich von 50 bis 60 Atom-% Aluminium einschließen) wird eine andere intermetallische Verbindung TiAl, gebildet, die eine geordnete tetragonale Kristallform aufweist, die Gamma genannt wird. Die Gamma-Verbindung in der modifizierten Form ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die Legierung von Titan und Aluminium, die eine Gamma-Kristallform und ein stöchiometrisches Verhältnis von etwa 1 aufweist, ist eine intermetallische Verbindung mit einem hohen Modul, einer geringen Dichte, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, günstiger Oxidationsbeständigkeit und guter Kriechbeständigkeit. Die Beziehung zwischen dem Modul und der Temperatur von TiAl-Verbindungen zu anderen Legierungen des Titans und in Beziehung zu Superlegierungen auf Nickelbasis ist in Fig. 3 gezeigt. Aus der Figur wird deutlich, daß TiAl den besten Modul der Titanlegierungen aufweist. Dieser TiAl-Modul ist nicht nur höher bei höherer Temperatur, sondern die Abnahmerate des Moduls mit steigender Temperatur ist für TiAl geringer als für die anderen Titanlegierungen. Darüber hinaus behält TiAl einen brauchbaren Modul bei Temperaturen oberhalb denen, bei denen andere Titanlegierungen unbrauchbar werden. Legierungen auf der Grundlage der intermetallischen TiAl-Verbindung sind attraktive Materialien geringen Gewichtes für Anwendungen, wo ein hoher Modul bei hohen Temperaturen erforderlich ist und wo auch ein guter Schutz gegenüber der Umgebung gefordert wird.
Eine der charakteristischen Eigenschaften von TiAl, die seine tatsächliche Anwendung für solche Zwecke beschränkt, ist eine Sprödigkeit, die bei Raumtemperatur auftritt. Auch die Festigkeit der intermetallischen Verbindung bei Raumtemperatur ist verbesserungswürdig, bevor die intermetallische TiAl-Verbindung bei gewissen Anwendungen für Strukturkomponenten benutzt werden kann. Verbesserungen der intermetallischen Gamma TiAl-Verbindung zur Verbesserung der Kriechbeständigkeit sowie zur Förderung der Duktilität und/oder Festigkeit bei Raumtemperatur sind sehr erwünscht, um den Einsatz der Zusammensetzungen bei den höheren Temperaturen zu gestatten, für die sie geeignet sind.
Mit dem potentiellen Nutzen des leichten Gewichtes und des Einsatzes bei hohen Temperaturen ist für die einzusetzenden TiAl-Zusammensetzungen eine Kombination von Festigkeit und Duktilität bei Raumtemperatur am meisten erwünscht. Eine Minimalduktilität in der Größenordnung von einem Prozent ist für einige Anwendungen der Metallzusammensetzung akzeptabel, doch sind höhere Duktilitäten sehr viel erwünschter. Eine Minimalfestigkeit für eine Zusammensetzung beträgt, damit diese brauchbar ist, etwa 350 MPa (etwa 50 ksi). Materialien mit diesem Festigkeitsniveau sind jedoch von marginaler Brauchbarkeit für gewisse Anwendungen, und höhere Festigkeiten sind für einige Anwendungen häufig bevorzugt.
Das stöchiometrische Verhältnis von Gamma-TiAl-Verbindungen kann über einen Bereich variieren, ohne daß die Kristallstruktur geändert wird. Der Aluminiumgehalt kann von etwa 50 bis etwa 60 Atom-% variieren. Die Eigenschaften der Gamma-TiAl-Zusammensetzungen unterliegen jedoch als Ergebnis relativ geringer Änderungen von einem Prozent oder mehr im stöchiometrischen Verhältnis der Bestandteile Titan und Aluminium sehr deutlichen Änderungen. Die Eigenschaften werden auch in ähnlicher Weise durch die Zugabe ähnlich geringer Menge ternärer Elemente deutlich beeinflußt.
Es wurde nun festgestellt, daß weitere Verbesserungen in den intermetallischen Gamma-TiAl-Verbindungen vorgenommen werden können, indem man eine Kombination von Zusatzelementen einbringt, so daß die Zusammensetzung nicht nur ein ternäres Zusatzelement sondern auch ein quartäres Zusatzelement enthält.
Weiter wurde festgestellt, daß die Zusammensetzung, die das quartäre Zusatzelement einschließt, eine einzigartig erwünschte Kombination von Eigenschaften aufweist, die eine beträchtlich verbesserte Festigkeit, eine erwünschte hohe Duktilität, eine wertvolle Oxidationsbeständigkeit und eine deutlich verbesserte Kriechbeständigkeit einschließen.

Stand der Technik

Es gibt eine ausgedehnte Literatur hinsichtlich der Zusammensetzungen von Titan-Aluminium, einschließlich der intermetallischen TiAl&sub3;-Verbindung, der intermetallischen TiAl-Verbindungen und der intermetallischen Ti&sub3;Al-Verbindung. Die US-PS 4,294,615 mit dem Titel "Titanium Alloys of the TiAl Type" enthält eine ausge-dehnte Diskussion der Legierungen vom Titanaluminid-Typ, einschließlich der inter-metallischen TiAl-Verbindung. Wie in dieser PS in Spalte 1, beginnend bei Zeile 50, bei der Diskussion der Vorteile und Nachteile von TiAl mit Bezug auf Ti&sub3;M ausge-führt:
"Es sollte klar sein, daß das Gamma-TiAl-Legierungssystem das Potential aufweist, leichter zu sein, da es mehr Aluminium enthält. In den 50er Jahren ausgeführte Laboratoriumsarbeiten zeigten, daß Titanaluminid-Legierungen das Potential für den Einsatz bei hoher Temperatur bis zu etwa 1.000ºC aufwiesen. Nachfolgende praktische Erfahrung mit solchen Legierungen war es, daß sie, obwohl sie die erforderliche Hochtemperatur-Festigkeit hatten, sie wenig oder keine Duktilität bei Raum- und mäßigen Temperaturen, d. h. von 20 bis 550ºC, aufwiesen. Materialien, die zu sprode sind, können nicht leicht hergestellt werden, noch können sie den seltenen, aber unvermeidbaren geringen Beschädigungen ohne Reißen und nachfolgendes Versagen widerstehen. Sie sind als Konstruktionsmaterialien zum Ersatz anderer Grundlegierungen nicht brauchbar."
Es ist bekannt, daß das Legierungssystem TiAl sich beträchtlich von Ti&sub3;Al unterscheidet (ebenso wie von den Legierungen des Ti, die in fester Lösung vorliegen), obwohl sowohl TiAl als Ti&sub3;Al im Grunde geordnete intermetallische Titän-Aluminiumverbindungen sind. Wie in der oben genannten US-PS 4,294,615 unten in Spalte 1, ausgeführt:
"Der Fachmann erkennt, daß es einen beträchtlichen Unterschied zwischen den beiden geordneten Phasen gibt. Das Legierungs- und Umwandlungsverhalten von Ti&sub3;Al ähnelt dem von Titan, da die hexagonalen Kristallstrukturen sehr ähnlich sind. Die Verbindung TiAl hat jedoch eine tetragonale Atomanordnung und somit ziemlich andere Legierungseigenschaften. Ein solcher Unterschied ist in der früheren Literatur häufig nicht erkannt worden."
Die US-PS 4,294,615 beschreibt das Legieren von TiAl mit Vanadium und Kohlenstoff, um einige Eigenschaftsverbesserungen in der resultierenden Legierung zu erzielen. In Tabelle 2 der US-PS 4,294,615 sind zwei TiAl-Zusammensetzungen offenbart, die Wolfram enthalten. Es gibt jedoch keine Offenbarung in der US-PS 4,294,615 von irgendwelchen TiAl-Zusammensetzungen, die Chrom oder Tantal enthalten. Es gibt demgemäß keine Offenbarung irgendeiner TiAl-Zusammensetzung, die eine Kombination von Chrom und Tantal enthält.
Eine Anzahl technischer Veröffentlichungen, die sich mit Titan-Alumimum- Verbindungen sowie den Eigenschaften dieser Verbindungen befaßt, sind die folgenden:
1. E.S. Bumps, H.D. Kessler, und M. Hansen, "Titanium-Aluminium System", Journal of Metals, Juni 1952, Seiten 609-614, TRANSACTIONS AIME, Band 194.
2. H.R.Ogden, D.J. Maykuth, W.L. Finlay, und R.I. Jaffee, "Mechanical Properties of High Purity Ti-Al Alloys", Journal of Metals, February 1953, Seiten 267- 272, TRANSACTIONS AIME, Band 197.
3. Josef B. McAndrew, und H.D. Kessler, "Ti-36 Pct Al as Base for High Temperature Alloys", Journal of Metals, Oktober 1956, Seiten 1348-1353, TRANSACTIONS AIME, Band 206.
4. Patrick L. Martin, Madan, G. Mendiratta, und Harry A. Lispitt, "Creep Deformation of TiAl und TiAl + W Alloys", Metallurgical Transactions A, Band 14A Seiten 2171-2174 (Oktober 1983).
5. P.L. Martin, H.AB Lispitt, N.T. Nuhfer, und J.C. Williams, "The Effects of Alloying on the Microstructure and Propertios of Ti&sub3;Al and TiAl", Titanium 80, (veröffentlicht durch die American Society for Metals, Warrendale, Pa) Band 2, Seiten 1245-1254.
Die US-PS 4,661,316 von Hashianoto lehrt das Dotieren von TiAl mit 0,1 bis 5,0 Gew.-% Mangan sowie das Dotieren von TiAl mit Kombinationen anderer Elemente mit Mangan. Die PS von Hashianoto lehrt nicht das Dotieren von TiAl mit Chrom oder mit Kombinationen von Elementen, die Chrom einschließen und insbesondere nicht eine Kombination von Chrom mit Tantal.
Die CA-PS 621,884 von Jaffee offenbart eine Zusammensetzung, die in Tabelle I der PS Chrom in TiAl enthält. Jaffee offenbart auch eine separate Zusammensetzung in Tabelle I, die Tantal in TiAl enthält sowie etwa 26 andere TiAl-Zusammensetzungen, die Zusätze in TiAl enthalten. Es gibt jedoch keine Offenbarung in der CA-PS von Jaffee von irgendwelchen TiAl-Zusammensetzungen, die Kombinationen von Elementen mit Chrom oder Kombinationen von Elementen mit Tantal enthälten. Es gibt im besonderen weder eine Offenbarung noch einen Hinweis auf eine TiAl-Zusammensetzung, die eine Kombination von Chrom und Tantal enthält.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bilden einer intermetallischen Gamma-Titan-Aluminium-Verbindung mit verbesserter Duktilitat, Festigkeit und verwandten Eigenschaften bei Raumtemperatur sowie einer hervorragenden Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen zu schaffen.
Eine andere Aufgabe ist es, die Eigenschaften von intermetallischen Titan- Aluminium-Verbindungen bei geringen und mittleren Temperaturen zu verbessern.
Eine andere Aufgabe ist es, eine Legierung von Titan und Aluminium mit verbesserten Eigenschaften und verbesserter Verarbeitbarkeit bei geringen und mittleren Temperaturen und mit Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen zu schaffen.
Eine andere Aufgabe besteht darin, die Kombination von Duktilität und Oxidationsbeständigkeit in einer TiAl-Grundzusammensetzung zu verbessern.
Noch eine andere Aufgabe ist es, die Oxidationsbeständigkeit von TiAl-Zusammensetzungen zu verbessern.
Noch eine andere Aufgabe ist es, Verbesserungen in einem Satz von Festigkeits-, Duktilitäts-, Kriech- und Oxidationsbeständigkeits-Eigenschaften auszuführen.
Andere Aufgaben werden teilweise deutlich und sind teilweise in der folgenden Beschreibung ausgeführt.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst durch Schaffen einer nicht stöchiometrischen TiAl-Grundlegierung und Hinzugeben einer relativ geringen Konzentration von Chrom und einer geringen Konzentration von Tantal zu der nicht stöchiometrischen Zusammensetzung. Der Zugabe kann ein rasches Verfestigen der chromhaltigen, nicht stöchiometrischen intermetallischen TiAl-Verbindung folgen. Die Zugabe von Chrom in der Größenordnung von 1 bis 3 Atom-% und von Tantal im Ausmaß von 1 bis 6 Atom-% ist vorgesehen.
Die rasch verfestigte Zusammensetzung kann durch isostatisches Pressen und Strangpressen zur Bildung einer Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verdichtet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft somit durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium-Legierungen, die aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal in den folgenden Atom-Verhältnissen bestehen:
Ti&sub5;&sub2;&submin;&sub4;&sub1;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;CR&sub1;&submin;&sub3;Ta&sub1;&submin;&sub6;
Ti&sub5;&sub1;&submin;&sub4;&sub3;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub1;&submin;&sub3;Ta&sub2;&submin;&sub4;
Ti&sub5;&sub1;&submin;&sub4;&sub2;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub2;Ta&sub1;&submin;&sub6;
Ti&sub5;&sub0;&submin;&sub4;&sub4;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub2;Ta&sub2;&submin;&sub4;
Ti&sub5;&sub0;&submin;&sub4;&sub4;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub2;Ta&sub1;&submin;&sub6;
Ti&sub4;&sub9;&submin;&sub4;&sub6;Al&sub4;&sub7;&submin;&sub4;&sub8;Cr&sub2;Ta&sub2;&submin;&sub4;.
Die Legierung dieser Erfindung kann auch in Blockform hergestellt und durch Block-Metallurgie verarbeitet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Balkendiagramm, das Vergleichsdaten für die Legierungen dieser Erfindung mit Bezug auf eine Grundlegierung wiedergibt;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, das die Beziehung zwischen der Last in kg (pounds) und der Kreuzkopf-Verschiebung in um (mils) für TiAl-Zusammensetzungen unterschiedlicher Stöchiometrie beim 4-Punkt-Biegen und für Ti&sub5;&sub0;Al&sub4;&sub8;Cr&sub2; zeigt;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Modul und Temperatur für verschiedene Legierungen und
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, bei der die Kriechdehnung in Prozent gegenüber der Zeit in Stunden für zwei Legierungen aufgetragen ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es gibt eine Reihe von Hintergrund- und gegenwärtigen Untersuchungen, die zu den Feststellungen führten, auf denen die vorliegende Erfindung, die die kombinierte Zugabe von Tantal und Chrom zu Gamma-TiAl einschließt, beruht. Die ersten 24 Beispiele befassen sich mit den Hintergrund-Untersuchungen und die späteren Beispiele befassen sich mit den derzeitigen Untersuchungen.

Beispiele 1-3:

Es wurden 3 individuelle Schmelzen hergestellt, die Titan und Aluminium in stöchiometrischen Verhältnissen enthielten, die dem von TiAl angenähert waren Die Zusammensetzungen, Glühtemperaturen und Ergebnisse von Tests, die an den Zusammensetzungen ausgeführt wurden, sind in Tabelle I aufgeführt.
Für jedes Beispiel wurde die Legierung erst durch Lichtbogen-Schmelzen zu einem Block verarbeitet. Der Block wurde durch Schmelzverdüsen unter einem Argon- Partialdruck zu einem Band verarbeitet. In beiden Schmelzstadien wurde ein wassergekühlter Kupferherd als Behälter für die Schmelze benutzt, um unerwünschte Reaktionen zwischen Schmelze und Behälter zu vermeiden. Es wurde auch sorgfältig ein Aussetzen des heißen Metalles gegenüber Sauerstoff vermieden, weil Titan eine starke Affinität für Sauerstoff aufweist.
Das rasch erstarrte Band wurde in eine Stahlkanne gepackt, die evakuiert und dann abgedichtet wurde. Die Kanne wurde dann bei 950ºC (1740ºF) drei Stunden lang unter einem Druck von 207 MPa (30 ksi) heiß isostatisch gepreßt. Die beim heiß isostatischen Pressen benutzte Kanne wurde dann maschinell vom verdichteten Bandstopfen entfernt. Die heiß isostatisch gepreßte Probe war ein Stopfen mit einem Durchmesser von etwa 2,54 cm (1 inch) und einer Länge von 7,62 cm (3 inches).
Der Stopfen wurde axial in eine Mittelöffnung eines Knüppels gesetzt und darin abgedichtet. Der Knüppel wurde auf 975ºC (1787ºF) erhitzt und durch eine Düse stranggepreßt, um ein Reduktionsverhältnis von etwa 7:1 zu ergeben. Der stanggepreßte Stopfen wurde aus dem Knüppel entfernt und wärmebehandelt.
Die stranggepreßten Proben wurden dann bei Temperaturen, wie sie in Tabelle I angegeben sind, zwei Stunden lang geglüht. Auf das Glühen folgte ein Altern bei 1000ºC für zwei Stunden. Die Probekörper wurden zu Abmessungen von 1,5 x 3 x 25,4 mm (0,060 x 0,12 x 1,0 in.) für 4-Punkt-Biegetest bei Raumtemperatur bearbeitet. Die Biegetests wurden in einer 4-Punkt-Biegevorrichtung mit einer Innenspanne von 10 mm (0,4 in.) und einer Außenspanne von 20 mm (0,8 in.) ausgeführt. Die Last-Kreuzkopfverschiebungs-Kurven wurden aufgezeichnet. Auf der Grundlage der entwickelten Kurven wurden die folgenden Eigenschaften definiert:
(1) Die Streckggenze ist die Fließspannung bei einer Kreuzkopf-Verschiebung von 25,4 um (1/1000 inch). Dieses Ausmaß der Kreuzkopf-Verschiebung wird als das erste Anzeichen der plastischen Verformung und des Überganges von der elastischen zur plastischen Verformung genommen. Die Messung der Streckgrenze und/oder Bruchfestigkeit durch konventionelle Kompressions- oder Zugverfahren führt zu Ergebnissen, die geringer sind als die Ergebnisse, die durch 4-Punkt-Biegen erhalten werden, wie es hier ausgeführt wurde. Die höheren Werte der Ergebnisse der 4-Punkt- Biegemessungen sollten berücksichtigt werden, wenn man diese Werte mit Werten vergleicht, die durch konventionelle Kompressions- oder Zugverfahren erhalten werden. Der Vergleich der Meßergebnisse in vielen der Beispiele hier erfolgt jedoch zwischen denen von 4-Punkt-Biegetests, und für alle nach dieser Technik gemessenen Proben sind solche Vergleiche gültig bei der Feststellung der Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften, die sich aus Unterschieden in der Zusammensetzung oder bei der Behandlung der Zusammensetzungen ergeben.
(2) Die Bruchfestigkeit ist die zum Brechen aufgewandte Spannung.
(3) Die äußere Faserdehnung ist die Quantität von 9,71 hd, wobei "h" die Probendicke in inches und "d" die Kreuzkopf-Verschiebung beim Bruch in inches (Zoll) ist (1 inch = 2,54 cm). Metallurgisch repräsentiert der errechnete Wert das Ausmaß der plastischen Verformung an der äußeren Oberfläche der Biegeprobe zur Zeit des Bruches.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt. Tabelle I enthält Daten hinsichtlich der Eigenschaften von Proben, die bei 1300ºC geglüht wurden, und weitere Daten dieser Proben sind in Fig. 2 angegeben. Tabelle 1 Beisp. Nr. Gamma-Legierung Nr. Zusammensetzung (Atom %) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) Außenfaser-Dehnung (%) * - Es wurde kein meßbarer Wert gefunden, da die Probe keine genügende Duktilität aufwies, um eine Messung zu gestatten
Aus den Daten dieser Tabelle wird deutlich, daß die Legierung 12 für Beispiel 2 die beste Eigenschaftkombination aufwies. Dies bestätigt, daß die Eigenschaften von TiAl-Zusammensetzungen sehr empfindlich auf die Ti/Al-Atomverhältnisse und die angewendete Wärmebehandiung reagieren. Die Legierung 12 wurde als die Grundlegierung für die weiteren Eigenschaftsverbesserungen ausgewählt, die auf weiteren Experimenten beruhten, die wie weiter unten beschrieben, ausgeführt wurden.
Es wird auch deutlich, daß das Glühen bei Temperaturen zwischen 1250ºC und 1350ºC zu Testproben führte, die die erwünschten Niveaus der Streckgrenze, Bruchfestigkeit und Außenfaser-Dehnung aufwiesen. Das Glühen bei 1400ºC führte jedoch zu einer Testprobe mit einer deutlich geringeren Streckgrenze (20 % geringer); geringeren Bruchfestigkeit (etwa 30 % geringer) und geringeren Duktilität (etwa 78 % geringer) als bei einer Testprobe, die bei 1350ºC gegluht worden war. Dieser scharfe Eigenschaftabfall ist der dramatischen Änderung im Gefüge zuzuschreiben, das sich wiederum aus einer ausgedehnten Beta-Umwandiung bei Temperaturen merklich oberhalb 1350ºC ergibt.

Beispiele 4-13:

Es wurden 10 zusätzliche einzelne Schmelzen zubereitet, die Titan und Aluminium in vorgesehenen Atom-Verhältnissen sowie Zusätze in relativ geringen Atomprozenten enthielten.
Jede dieser Proben wurde wie oben unter Bezugnahme auf die Beispiele 1-3 beschrieben, hergestellt.
Die Zusammensetzungen, Glühtemperaturen und Ergebnisse von Tests, die an den Zusammensetzungen ausgeführt wurden, sind in Tabelle II im Vergleich zu Legierung 12 als der Grundlegierung für diesen Vergleich aufgeführt. Tabelle II Beisp. Nr. γ-Legierungs-Nr. Zusammensetzung (Atom-%) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) Außenfaser-Dehnung (%)
* - siehe die entsprechende Bemerkung zu Tabelle I
+ - das Material brach während der maschinellen Bearbeitung zur Herstellung von Testproben
Für die Beispiele 4 und 5, die bei 1200ºC wärmebehandelt worden waren, war die Streckgrenze unmeßbar, da sich die Duktilität zu im wesentlichen null ergab. Für die Probe von Beispiel 5, die bei 1300ºC geglüht worden war, nahm die Duktilität zu, doch war sie noch immer unerwünscht gering.
Für Beispiel 6 traf das gleiche wie für die bei 1250ºC geglühte Testprobe zu. Für die Proben des Beispiels 6, die bei 1300 und 1350ºC geglüht worden waren, war die Duktilität bedeutsam, doch war die Streckgrenze gering.
Keine der Testproben der anderen Beispiele hatte irgendein bedeutsames Niveau der Duktilität.
Aus den in Tabelle II aufgeführten Ergebnissen wird deutlich, daß die Sätze von Parametern, die bei der Herstellung von Zusammensetzungen zum Testen einfließen, sehr komplex sind und miteinander in Beziehung stehen. Ein Parameter ist das Atom-Verhältnis von Titan mit Bezug auf Aluminium. Aus den in Fig. 2 aufgetragenen Daten wird deutlich, daß das stöchiometrische oder nicht stöchiometrische Verhältnis einen starken Einfluß auf die Testeigenschaften hat, die in verschiedenen Zusammensetzungen gefunden werden.
Ein anderer Satz von Parametern ist der für die Zugabe zur TiAl-Grundzusammensetzung ausgewählte Zusatz. Ein erster Parameter dieses Satzes betrifft die Frage, ob ein spezieller Zusatz als ein Ersatz für Titan oder für Aluminium wirkt. Ein spezifisches Metall kann in jeder Weise wirken, und es gibt keine einfache Regel, nach der bestimmt werden kann, welche Rolle ein Zusatz spielen wird. Die Bedeutung dieses Parameters wird deutlich, wenn die Zugabe einiger Atom-% des Zusatzes X betrachtet wird.
Wird X als ein Ersatz bzw. Substituent für Titan, dann wird eine Zusammensetzung Ti&sub4;&sub8;Al&sub4;&sub8;X&sub4; eine effektive Aluminiumkonzentration von 48 Atom-% und eine effektive Titankonzentration von 52 Atom-% ergeben.
Wirkt im Gegensatz X als ein Aluminium-Substituent, dann wird die resultierende Zusammensetzung eine effektive Aluminiumkonzentration von 52 % und eine effektive Titankonzentration von 48 Atom-% haben. Die Natur der Substitution, die stattfindet, ist daher sehr wichtig, aber auch sehr unvorhersagbar.
Ein anderer Parameter dieses Satzes ist die Konzentration des Zusatzes.
Noch einer anderer Parameter, der aus Tabelle II deutlich wird, ist die Glühtemperatur. Die Glühtemperatur, die die besten Festigkeitseigenschaften für einen Zusatz ergibt, kann für einen anderen Zusatz eine andere sein. Dies ist ersichtlich durch Vergleichen der Ergebnisse in Beispiel 6 mit denen in Beispiel 7.
Außerdem kann es eine kombinierte Wirkung der Konzentration und des Glühens für den Zusatz geben, so daß die optimale Eigenschaftsförderung, wenn eine Förderung gefunden wird, bei einer gewissen Kombination der Zusatzkonzentration und der Glühtemperatur auftreten kann, so daß höhere und geringere Konzentrationen und/oder Glühtemperaturen weniger wirksam sind bei der Schaffung einer erwünschten Eigenschaftsverbesserung.
Der Inhalt der Tabelle II macht deutlich, daß die Ergebnisse, die aufgrund der Zugabe eines ternären Elementes zu einer nicht stöchiometrischen TiAl-Zusammensetzung erhältlich sind, sehr unvorhersagbar sind, und daß die meisten Testergebnisse hlnsichtlich Duktilität oder Festigkeit oder beidem nicht erfolgreich sind.

Beispiele 14-17:

Ein weiterer Parameter der Gamma-Titanaluminid-Legierungen, die Zusätze enthalten, ist der, daß Kombinationen von Zusätzen nicht notwendigerweise in additiven Kombinationen der einzelnen Vorteile resultieren, die sich aus der einzelnen und separaten Zugabe der gleichen Zusätze ergeben.
Es wurden vier zusätzliche Proben auf TiAl-Grundlage wie oben unter Bezugnahme auf die Beispiele 1 beschrieben, hergestellt, die einzelne Zusätze von Vanadium, Niob und Tantal enthielten, wie in Tabelle III aufgeführt. Diese Zusammensetzungen sind die optimalen Zusammensetzungen, die in den US-A-4,857,268 und US-A- 4,842,817 berichtet sind.
Die vierte Zusammensetzung enthält eine Kombination von Vanadium, Niob und Tantel in einer einzigen Legierung, die in Tabelle III als Legierung 48 bezeichnet ist.
Aus Tabelle III wird deutlich, daß die einzelnen Zusätze Vanadium, Niob und Tantel auf einer individuellen Basis in den Beispielen 14, 15 und 16 jeweils zu einer beträchtlichen Verbesserung der TiAl-Grundlegierung führen. Bei Kombination der gleichen Zusätze in einer einzigen Kombinationslegierung erhält man jedoch keine Kombination der einzelnen Verbesserungen in einer additiven Weise. Gerade das Gegenteil ist der Fall.
Erstens wurde festgestellt, daß die Legierung 48, die bei der Temperatur von 1350ºC geglüht worden war, zu einem derart spröden Material führte, daß es während der maschinellen Bearbeitung zur Herstellung von Testproben zerbrach.
Zweitens waren die Ergebnisse, die bei der Legierung mit den kombinierten Zusätzen, geglüht bei 1250ºC, erhalten waren, sehr viel schlechter als die, die für die separaten Legierungen, die die einzelnen Zusätze enthielten, erhalten wurden.
Hinsichtlich der Duktilität wird deutlich, daß Vanadium die Duktilität in der Legierung 14 des Beispiels 14 beträchtlich verbesserte. Wurde das Vanadium jedoch mit den anderen Zusätzen in Legierung 48 des Beispiels 17 kombiniert, dann wurde die Duktilität, die hätte erhalten werden können, überhaupt nicht erreicht. Tatsächlich wurde die Duktilität der Grundlegierung auf einen Wert von 0,1 verringert.
Hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit zeigte der Niobzusatz der Legierung 40 deutlich eine sehr beträchtliche Verbesserung im Gewichtsverlust der Legierung 40 von 4 mg/cm², verglichen mit dem Gewichtsverlust der Grundlegierung von 31 mg/cm². Der Oxidationstest und der komplementäre Test der Oxidationsbeständigkeit schließt das Erhitzen einer zu testenden Probe auf eine Temperatur von 982ºC für eine Dauer von 48 Stunden ein. Nachdem die Probe abgekühlt war, wurde sie abgekratzt, um eine Oxidschicht zu entfernen. Durch Wiegen der Probe vor und nach dem Erhitzen und Abkratzen kann eine Gewichtsdifferenz bestimmt werden. Der Gewichtsverlust wird in mg/cm² durch Dividieren des Gesamtgewichtsverlustes in g durch die Oberfläche der Probe in cm² bestimmt. Dieser Oxidationstest ist für alle Messungen der Oxidation oder Oxidationsbeständigkeit, wie sie in dieser Anmeldung angegeben sind, benutzt worden.
Für die Legierung 60 mit dem Tantalzusatz wurde der Gewichtsverlust für eine Probe, die bei 1325ºC geglüht worden war, zu 2 mg/cm² bestimmt, und dies ist wiederum mit dem Gewichtsverlust für die Grundiegierung von 31 mg/cm² zu vergleichen. In anderen Worten sind sowohl die Niob- als auch Tantal-Zusätze auf einer individuellen Zusatzbasis sehr wirksam bei der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit der Grundlegierung.
Wie sich jedoch aus den in Tabelle III für die Legierung 48 des Beispiels 17 aufgeführten Ergebnissen ergibt, wobei alle drei Zusätze Vanadium, Niob und Tantal in Kombination vorhanden waren, wurde die Oxidation auf etwa das Doppelte von der der Grundlegierung erhöht. Dies ist um das siebenfache größer als für die Legierung 40, die den Niobzusatz allein enthielt und um das 15-fache größer als für die Legierung 60, die den Tantalzusatz allein enthielt. Tabelle III Beisp. Nr. γ-Legierungs-Nr. Zusammensetzung (Atom %) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) Außenfaser-Dehnung (%) Gew.-Verlust nach 48 Std. bei 980ºC (mg/cm²) Tabelle III (Fortsetzung) Beisp. Nr. γ-Legierungs-Nr. Zusammensetzung (Atom %) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) Außenfaser-Dehnung (%) Gew.-Verlust nach 48 Std. bei 980ºC (mg/cm²) * - nicht gemessen + - Das Material zerbrach während der maschinellen Bearbeitung zur Herstellung von Testproben
Die einzelnen Vorteile oder Nachteile, die sich aus dem Einsatz einzelner Zusätze ergeben, wiederholen sich zuverlässig, wenn diese Zusätze einzeln immer wieder eingesetzt werden. Wenn Zusätze jedoch in Kombination eingesetzt werden, dann kann die Wirkung eines Zusatzes in der Kombination bei einer Grundlegierung sehr viel anders sein,als die Wirkung des Zusatzes, wenn er einzeln und separat in der gleichen Grundlegierung eingesetzt wird. Es wurde somit festgestellt, daß die Zugabe von Vanadium nützlich ist für die Duktilität von Titan-Aluminium-Zusammensetzungen, und dies ist in der US-A-4,857,268 offenbart und diskutiert. Zusätzlich wurde in dem oben genannten Artikel von McAndrew gezeigt, daß die einzelne Zugabe von Niobzusatz zu TiAl-Grundlegierung die Oxidationsbeständigkeit verbessern kann. In ähnlicher Weise lehrt McAndrew, daß die individuelle Zugabe von Tantal die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit unterstützt. Weiter ist in der US-A-4,842,817 offenbart, daß die Zugabe von Tantal zu Verbesserungen in der Duktilität führt.
In anderen Worten wurde festgestellt, daß Vanadium einzeln vorteilhafte Duktilitätsverbesserungen zur Gamma-Titan-Aluminium-Verbindung beitragen kann und das Tantal individuell zu Duktilitäts- und Oxidations-Verbesserungen beitragen kann. Es wurde separat festgestellt, daß Niobzusätze vorteilhaft zur Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit von Titan-Aluminium beitragen können. Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, wie sich dies in Beispiel 17 ergibt, daß bei Einsatz von Vanadium, Tantal und Niob zusammen und in Kombination als Zusätze in einer Legierungszusammensetzung die Legierungszusammensetzung keinen Nutzen von den Zusätzen hat, sondern daß eine Abnahme oder ein Verlust an Eigenschaften von TiAl auftritt, das die Niob-,Tantal- und Vanadium-Zusätze enthält. Dies wird aus Tabelle III deutlich.
Daraus wird deutlich, daß, während es scheinen mag, daß wenn zwei oder mehr Zusatzelemente einzeln TiAl verbessern, ihr Einsatz zusammen dem TiAl weitere Verbesserungen verleihen sollte, festgestellt wird, daß solche Zusätze sehr unvorhersagbar sind und daß tatsächlich für die kombinierte Zugabe von Vanadium, Niob und Tantal ein Verlust an Eigerschaften aus dem kombinierten Einsatz der Zusätze resultiert statt eines kombinierten Nutzens für die Eigenschaften.
Aus der obigen Tabelle III wird jedoch deutlich, daß die die Kombination aus Vanadium-, Niob- und Tantal-Zusätzen enthaltende Legierung eine sehr viel schlechtere Oxidationsbeständigkeit hat, als die TiAl-Grundlegierung 12 des Beispiels 2. Auch hier wurde festgestellt, daß die kombinierte Zugabe von Zusätzen, die auf einem separaten und individuellen Basis eine Eigenschuft verbessern, einen Verlust der gleichen Eigenschaft ergibt, die bei Einsatz bei der Zusätze auf einer separaten und individuellen Basis verbessert wird.

Beispiele 18-23:

Es wurden sechs weitere Proben, wie oben unter Bezugnahme auf die Beispiele 1-3 beschrieben, hergestellt, die Chrom-modifiziertes Titanaluminid mit Zusammensetzungen aufwiesen, wie sie in Tabelle IV aufgeführt sind.
Die Tabelle IV faßt die Ergebnisse der Biegetests aller Legierungen, sowohl Standard als auch modifiert unter verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen, die relevant erschienen, zusammen. Tabelle IV Beisp. Nr. Gamma-Legierung Nr. Zusammensetzung (Atom %) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) Außenfaser-Dehnung (%)
Die in Tabelle IV aufgeführten Ergebnisse geben weitere Anzeichen für das kritische Verhalten einer Kombination von Faktoren bei der Bestimmung der Wirkungen von Legierungszusätzen oder Dotierungszusätzen auf die Eigenschaften, die einer Grundlegierung verliehen werden. So zeigt z. B. die Legierung 80 einen guten Satz von Eigenschaften für einen 2 At.-%-tigen Zusatz von Chrom. Man könnte eine weitere Verbesserung aufgrund einer weiteren Chromzugabe erwarten. Die Zugabe von 4 Atom-% Chrom zu Legierungen mit drei verschiedenen TiAl-Atom-Verhältnissen zeigt jedoch, daß die Zunahme in der Konzentration eines Zusatzes, der sich bei geringeren Konzentrationen als nützlich erwiesen hat, nicht der einfachen Regel folgt, daß, wenn etwa gut ist, mehr besser sein muß. Und tatsächlich ist für den Chromzusatz gerade das Gegenteil richtig, und er zeigt, daß, wo etwas gut ist, mehr schlecht ist.
Wie aus Tabelle IV deutlich wird, zeigt jede der Legierungen 49, 79 und 88, die "mehr" (4 Atom-%) Chrom enthalten, eine geringere Festigkeit und auch eine geringere Außenfaser-Dehnung (Duktilität), verglichen mit der Grundlegierung.
Im Gegenteil zeigt die Legierung 38 von Beispiel 18, die 2 Atom-% des Zusatzes enthält und nur eine etwas verringerte Festigkeit aufweist, eine stark verbesserte Duktilität. Es kann auch beobachtet werden, daß die gemessene Außenfaser-Dehnung der Legierung 38 deutlich mit den Wärmebehandiungsbedingungen variierte. Eine bemerkenswerte Zunahme der Außenfaser-Dehnung wurde durch Glühen bei 1250ºC erzielt. Eine verringerte Dehnung wurde beim Glühen bei höheren Temperaturen beobachtet. Ähnliche Verbesserungen wurden für die Legierung 80 beobachtet, die auch nur 2 Atom-% Zusatz enthielt, obwohl die Glühtemperatur für die höchste erzielte Duktilität 1300ºC betrug.
Für Beispiel 20 benutzt die Legierung 87 das Niveau von 2 Atom-% Chrom, doch war die Konzentration von Aluminium auf 50 % erhöht. Die höhere Aluminiumkonzentration führte zu einer geringen Verringerung in der Duktilität von der Duktilität, gemessen für die 2 % Chrom enthaltenden Zusammensetzungen, bei denen Aluminium im Bereich von 46 bis 48 Atom-% vorhanden war. Für die Legierung 87 wurde als optimale Wärmebehandlungs-Temperatur etwa 1350ºC gefunden.
Aus den Beispielen 18, 19 und 20, die jeweils 2 Atom-% Zusatz enthielten, wurde festgestellt, daß die optimale Glühtemperatur mit zunehmender Aluminiumkonzentration zunimmt.
Aus diesen Daten wurde bestimmt, daß die Legierung 38, die bei 1250ºC wärmebehandelt worden war, die beste Kombination von Eigenschaften bei Raumtemperatur aufwies. Man bemerke, daß die optimale Glühtemperatur für die Legierung 38 mit 46 Atom-% Aluminium 1250ºC betrug, das Optimum für die Legierung 80 mit 48 Atom-% Aluminium aber 1300ºC war. Die für die Legierung 80 erhaltenen Daten sind in Fig. 2 mit Bezug auf die Grundlegierungen aufgetragen. Diese bemerkswerten Zunahmen in der Duktilität der Legierung 38 bei der Wärmebehandlung bei 1250ºC und der Legierung 80 bei der Wärmebehandlung bei 1300ºC waren unerwartet, wie in der US-A-4,842,817 erläutert.
Aus den in Tabelle IV enthaltenen Daten ist klar, daß die Modifikation der TiAl-Zusammensetzungen zur Verbesserung von deren Eigenschaften ein sehr komplexes und unvorhersagbares Unternehmen ist. Es ist z.B. klar, daß Chrom bei 2 Atom-% die Duktilität der Zusammensetzung beträchtlich erhöht, wo das Atomverhältnis von TiAl sich in einem geeigneten Bereich befindet und die Glühtemperatur der Zusammensetzung in einem geeigneten Bereich für die Chromzugaben liegt. Es wird auch klar aus den Daten der Tabelle IV, daß, obwohl man eine größere Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Eigenschaften durch Erhöhen des Zusatzniveaus erwarten könnte, gerade das Gegenteil der Fall ist, da die Duktilitätsverbesserung, die durch die 2 Atom-%-Zugabe erzielt wird, umgekehrt wird und verloren geht, wenn der Chromgehalt auf 4 Atom-% erhöht wird. Weiter ist klar, daß das 4 %-Niveau nicht wirksam ist bei der Verbesserung der TiAl-Eigenschaften, obwohl eine beträchtliche Variation im Atomverhältnis von Titan zu Aluminium vorgenommen wird und ein beträchtlicher Bereich der Glühtemperaturen angewendet wird, um die Eigenschaftsänderungen zu testen, die die Zugabe der höheren Konzentration des Zusatzes begleiten.

Beispiel 24:

Es wurden Legierungsproben hergestellt, die die folgende Zusammensetzung aufwiesen:
Ti&sub5;&sub2;Al&sub4;&sub6;Cr&sub2;
Testproben der Legierung wurden nach zwei verschiedenen Herstellungsverfahren zubereitet, und die Eigenschaften jeder Probe durch Zugtests gemessen. Die angewendeten Verfahren und die erhaltenen Ergebnisse sind in der unmittelbar folgenden Tabelle V aufgeführt. Tabelle V Beispiel Nr. Gamma-Legierung Nr. Zusammensetzung (Atom %) Herstellungsverfahren Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) plastische Dehnung (%) rasche Erstarrung Block-Metallurgie
In Tabelle 5 sind die Ergebnisse für die Legierungsproben 38 aufgeführt, die gemäß zwei Beispielen, 18 und 24, hergestellt waren, die zwei unterschiedliche Verfahren zur Herstellung der Legierung benutzten, um die Legierung der jeweiligen Beispiele zu bilden. Zusätzlich wurden Testverfahren für die Metallproben aus der Legierung 38 des Beispiels 18 und separat für die Legierung 38 des Beispiels 24 benutzt, die sich von den Testmethoden für die Proben der früheren Beispiele unterschieden.
Wendet man sich zuerst Beispiel 18 zu, dann wrude die Legierung dieses Beispiels hergestellt nach dem Verfahren, das oben mit Bezug auf die Beispiele 1 - 3 beschrieben ist. Dies ist ein Verfahren des raschen Verfestigens und Verdichtens. Zusätzlich wurde für Beispiel 18 das Testen nicht mit dem 4-Punkt-Biegetest ausgeführt, das für alle anderen Daten in den obigen Tabellen und insbesondere für Beispiel 18 der Tabelle IV oben berichtet ist. Das angewendete Testverfahren war ein konventionelleres Zugtesten, nach dem Metallproben als Zugstäbe zubereitet und einem Zugtest unterworfen wurden, bis sich das Metall dehnte und schließlich brach. So wurde z. B. bezüglich des Beispiels 18 der Tabelle V die Legierung 38 zu Teststäben verarbeitet und diese Teststäbe wurden einer Zugkraft ausgesetzt, bis es ein Strecken oder eine Dehnung des Stabes bei 642 MPa (93 ksi) gab.
Die Streckgrenze in MPa (ksi) des Beispiels 18 der Tabelle V, gemessen mit einem Zugstab, ist mit der Streckgrenze in MPa (ksi) des Beispiels 18 der Tabelle IV zu vergleichen, die nach dem 4-Punkt-Biegetest gemessen wurde. Im allgemeinen ist in der metallurgischen Praxis die nach der Zugstab-Dehnung bestimmte Streckgrenze allgemeiner im Gebrauch und ein allgemeiner akzeptables Maß für Konstruktionszwecke.
In ähnlicher Weise repräsentiert die Zugfestigkeit von 745 MPa (108 ksi) die Festigkeit, bei der der Zugstab des Beispiels 18 der Tabelle V als Ergebnis des Ziehens brach. Dieses Maß wird in Bezug gesetzt auf die Bruchfestigkeit in MPa (ksi) für Beispiel 18 in Tabelle IV. Es ist deutlich, daß die beiden verschiedenen Tests zu zwei unterschiedlichen Maßen für alle Daten führen.
Hinsichtlich der plastischen Dehnung gibt es wieder eine Beziehung zwischen den Ergebnissen, die durch 4-Punkt-Biegetests bestimmt sind, wie in Tabelle IV oben für Beispiel 18 angegeben, und der plastischen Dehnung in %, wie in der letzten Spalte der Tabelle V für Beispiel 18 angegeben.
In Tabelle V ist für Beispiel 24 unter der Überschrift "Herstellungsverfahren" angegeben, daß die Herstellung durch Block-Metallurgie erfolgte. Der Begriff "Block- Metallurgie", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf ein Schmelzen der Bestandteile der Legierung 38 in den in Tabelle V angegebenen Anteilen, die genau den Anteilen für Beispiel 18 entsprechen. In anderen Worten ist die Zusammensetzung der Legierung 38 sowohl für Beispiel 18 als auch für Beispiel 24 identisch die gleiche. Der Unterschied zwischen den beiden Beispielen ist, daß die Legierung von Beispiel 18 durch rasches Verfestigen und die Legierung des Beispiels 24 durch Block-Metallurgie hergestellt wurde. Die Blockmetallurgie schließt ein Schmelzen der Bestandteile und das Erstarrenlassen der Bestandteile zu einem Block ein. Das rasche Verfestigen schließt die Bildung eines Bandes durch Schmelzverdüsen, gefolgt vom Verdichten des Bandes zu einer vollkommen dichten kohärenten Metallprobe ein.
Beim Block-Schmelzverfahren des Beispiels 24 wurde der Block mit einer Abmessung von etwa 5,8 cm (2") im Durchmesser und etwa 12,7 mm (1/2") Dicke in der etwaigen Gestalt eines Hockeypucks hergestellt. Nach dem Schmelzen und Erstarenlassen des Hockeypuck-förmigen Blockes wurde der Block innerhälb eines Stahlringes mit einer Wandstärke von etwa 12,7 mm (1/2") und mit einer vertikalen Dicke, die identisch der des Hockeypuck-förmigen Blockes angepaßt war, eingeschlossen. Vor dem Einschließen innerhalb des Halteringes wurde der Hockeypuck-förmige Block durch Erhitzen auf 1250ºC für zwei Stunden homogenisiert. Die Einheit aus dem Hockeypuck und dem Haltering wurde auf eine Temperatur von etwa 975ºC erhitzt. Die erhitzte Einheit aus Probe und Haltering wurde zu einer Dicke von etwa der Hälfte der ursprünglichen Dicke geschmiedet.
Nach dem Schmieden und Abkühlen der Probe wurden Zugproben entsprechend den für Beispiel 18 hergestellten Zugproben zubereitet. Diese Zugproben wurden dem gleichen konventionellen Zugtesten unterworfen wie in Beispiel 18, und die Streckgrenze, Zugfestigkeit und plastische Dehnung, die sich aus diesen Tests ergaben, sind in Tabelle V für Beispiel 24 aufgeführt. Wie aus den Ergebnissen der Tabelle V deutlich wird, wurden die einzelnen Testproben unterschiedlichen Glühtemperaturen vor dem Ausführen der tatsächlichen Zugtests unterworfen.
Für Beipiel 18 der Tabelle V betrug die für die Zugtest-Probe benutzte Glühtemperatur 1250ºC. Für die drei Proben der Legierung 38 von Beispiel 24 der Tabelle V wurden die Proben einzeln bei den drei verschiedenen Temperaturen geglüht, die in Tabelle V aufgeführt sind und zwar spezifisch bei 1225ºC, 1250ºC und 1275ºC. Nach dieser Glühbehandlung für etwa zwei Stunden wurden die Proben einem konventionellen Zugtesten unterworfen, und die Ergebnisse sind wiederum in Tabelle V für die drei separat wärmebehandelten Zugtest-Proben aufgeführt.
Aus den in Tabelle V aufgeführten Testergebnissen wird deutlich, daß die Streckgrenzen, die für die rasch erstarrte Legierung bestimmt wurden, etwas höher sind als die, die für die Metallproben bestimmt wurden, die nach der Block-Metallurgie behandelt worden waren. Es wird auch aufgrund der plastischen Dehnung der Proben, die mittels Block-Metallurgie hergestellt waren, deutlich, daß diese eine allgemein höhere Duktilität aufwiesen als die, die durch rasches Erstarren hergestellt waren. Die für Beispiel 24 aufgeführten Ergebnisse zeigen, obwohl die Streckgrenzen-Messungen etwas geringer sind als die des Beispiels 18, daß sie für viele Anwendungen in Flugzeugturbinen und für andere industrielle Verwendungen vollkommen angemessen sind. Auf der Grundlage der Duktilitätsmessungen und der Ergebnisse der Messungen, die für Beispiel 24 aufgeführt sind, macht die Zunahme in der Duktilität die Legierung 38, wie sie durch Block-Metallurgie hergestellt ist, zu einer erwünschten und einzigartigen Legierung für solche Anwendungen, die eine höhere Duktilität erfordern. Allgemein gesagt, ist es bekannt, daß das Verarbeiten durch Block-Metallurgie sehr viel billiger ist als das Verarbeiten durch Schmelzverdüsen oder rasches Verfestigen, da es keine Notwendigkeit für das teuere Schmelzverdusen selbst noch für die Verdichtungsstufe gibt, die dem Schmelzverdüsen folgen muß.

Beispiel 25:

Eine Probe einer Legierung wurde durch Block-Metallurgie hergestellt, wie sie im wesentlichen unter Bezugnahme auf Beispiel 24 beschrieben ist. Die Bestandteile der Schmelze entsprachen der folgenden Formel
Ti&sub4;&sub8;Al&sub4;&sub8;Cr&sub2;Ta&sub2;.
Die Bestandteile wurden geschmolzen und die Schmelze zu einem Block gegossen.
Der Block hatte Abmessungen von etwa 5,08 cm (2 inches) Durchmesser und eine Dicke von etwa 12,7 mm (1/2 inch).
Der Block wurde durch Erhitzen für zwei Stunden auf 1250ºC homogenisiert.
Der Block, allgmein in Form eines Hockeypucks, wurde seitlich in einem ringförmigen Stahlband mit einer Wandstärke von etwa 12,7 mm (1/2 inch) und einer vertikalen Dicke eingeschlossen, die identisch der des Hockeypuck-förmigen Blockes entsprach.
Die Einheit aus Hockeypuck-förmigen Block und ringförmigem Haltering, wurde auf eine Temperatur von etwa 975ºC erhitzt und dann bei dieser Temperatur geschmiedet. Das Schmieden führte zu einer Dickenverringerung des Hockeypuckförmigen Blockes auf die Hälfte der ursprünglichen Dicke.
Nachdem der geschmiedete Block abgekühlt war, wurden drei Stifte maschinell für drei verschiedene Wärmebehandlungen aus dem Block herausgearbeitet. Die drei verschiedenen Stifte wurden separat zwei Stunden bei den drei verschiedenen Temperaturen geglüht, wie in der folgenden Tabelle VI aufgeführt sind. Nach den einzelnen Glühstufen wurden die drei Stifte zwei Stunden lang bei 1000ºC gealtert.
Nach dem Glühen und Altern wurde jeder Stift zu einem konventionellen Zugstab verarbeitet, und es wurden konventionelle Zugtests an den drei resultierenden Stäben ausgeführt. Die Ergebnisse der Zugtests sind in Tabelle VI aufgeführt. Tabelle VI Zugeigenschaften und Oxidationsbeständigkeit von Legierungen Zugtest bei Raumtemperatur Beisp. Nr. γ-Legierung Nr. Zusammensetzung (Atom-%) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) plastische Dehnung (%) Gew.-Verlust nach 48 Std. bei 980ºC (mg/cm²)
* - Beispiel 2A entspricht Beispiel 2 oben in der Zusammensetzung der Legierung, die in dem Beispiel eingesetzt wurde. Legierung 12 von Beispiel 2A wurde jedoch nach der Block-Metallurgie, statt nach dem Verfahren mit raschem Verfestigen der Legierung 12 von Beispiel 2 hergestellt. Die Zug- und Dehnungs-Eigenschaften wurden nach dem Zugstab-Verfahren getestet und nicht nach dem 4-Punkt-Biegetest, das für Legierung 12 von Beispiel 2 benutzt wurde.
Es wird aus der Tabelle deutlich, daß die fünf Proben der Legierung 140 einzeln bei den fünf verschiedenen Temperaturen und spezifisch bei 1250, 1275, 1300, 1325 und 1350ºC geglüht wurden. Die Streckgrenze dieser Proben wird gegenüber der Grundlegierung 12 sehr deutlich verbessert. So hatte z. B. die bei 1300ºC geglühte Probe einen Gewinn von etwa 17 % in der Streckgrenze und einen Gewinn von etwa 12 % in der Bruchfestigkeit. Dieser Festigkeitsgewinn wurde ohne einen Verlust in der Duktilität realisiert.
Die Ergebnisse der Tabelle VI zeigen auch, daß es eine hervorragende Verbesserung in der Oxidationsbeständigkeit gab. Diese Verbesserung war eine Verringerung des Gewichtsverlustes durch Oxidation von etwa 94 %. Die Ergebnisse der Tabelle VI sind in Fig. 1 aufgetragen.
Die deutlich verbesserte Festigkeit, die sehr erwünschte Duktilität und die ungeheuer verbesserte Oxidationsbeständigkeit, wenn sie zusammen betrachtet werden, machen diese Legierung zu einer einzigartigen Gamma-Titanaluminid-Zusammensetzung.
Zusatzlich wurden Tests hinsichtlich der Kriechdehnung für die Legierung 140 von Beispiel 25 ausgeführt. Ein Diagramm der Daten, das das Kriechen von Ti&sub4;&sub8;Al&sub4;&sub8;Cr&sub2;Ta&sub2; mit Bezug auf das von Ti&sub5;&sub0;Al&sub4;&sub8;Cr&sub2; zeigt, ist in Fig. 4 angegeben. Für die Legierung 140 wurde der Test nach 800 Stunden und bevor die Probe brach beendet. Es wird deutlich aus dem Diagramm der Figur 4, daß die Tantal enthaltende Probe hinsichtlich der Kriecheigenschaften sehr viel besser war, als die Aluminium, aber kein Tantal enthaltende Probe.
Es ist daher sehr deutlich, daß die in diesem Beispiel erhaltenen Ergebnisse sich im ausgeprägten Gegensatz zu den im Beispiel 17 erhaltenen Ergebnissen befinden. Im Beispiel 17 führte das Einbeziehen von mehreren Zusätzen in einem Gamma- TiAl zur Aufhebung und Subtraktion der nützlichen Einflüsse der einzeln eingesetzten Zusätze. Im Gegensatz dazu sind die Gesamtergebnisse, die vom Einbeziehen mehrerer Zusätze erhalten werden, größer als die Ergebnisse, die durch die separate Einbeziehung der einzelnen Zusätze erhalten werden.

Beispiele 26-30:

Es wurden fünf weitere Proben, wie in Beispiel 24 beschrieben, hergestellt. Die Zusammensetzungen dieser Proben sind in Tabelle VII aufgeführt. Tabelle VII Zugeigenschaften von Legierungen Zugtest bei Raumtemperatur Beisp. Nr. γ-Legierung Nr. Zusammensetzung (Atom-%) Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) plastische Dehnung (%)
Tabelle VII führt die Ergebnisse des Zugtestens dieser Chrem und Tantal enthaltenden Gamma-TiAl-Zusammensetzungen auf. Es wird allgemein deutlich, daß die Festigkeitswerte dieser Legierungen gegenüber denen von Beispiel 2A verbessert sind. Die Duktilitätswerte variieren über einen Bereich, doch zeigen sie, daß bedeutsame und nützliche Duktilitätswerte mit diesen Zusammensetzungen erhältlich sind.

Beispiel 31:

Eine Schmelze von 13,6 bis 15,8 kg (30 bis 35 pounds) einer Legierung mit der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt:
Ti&sub4;&sub7;Al&sub4;&sub7;Cr&sub2;Ta&sub4;
Das Ergebnis wurde induktionserhitzt und dann in eine Graphitform gegossen. Der Block hatte einen Durchmesser von etwa 6,99 cm (2,75 inches) und eine Länge von etwa 5,99 cm (2,36 inches).
Eine Probe wurde aus dem Block geschnitten und bei 1175ºC und 103 MPa (15 ksi) drei Stunden lang heiß isostatisch gepreßt. Die heiß isostatisch gepreßte Probe wurde dann weniger als 25 Stunden bei 1200ºC homogenisiert.
Die Probe wurde dann isotherm bei 1175ºC und einer Dehnungsrate von 2,54 mm (0,1 inch)/mm geschmiedet und so von 5,08 cm (2 inches) auf 1,27 cm (0,5 inches) auf 25 % seiner ursprünglichen Dicke verringert.
Die Probe wurde dann zwei Stunden bei 1275ºC geglüht. Die Temperatur-Zugeigenschaften der Probe wurden dann bestimmt, und die Ergebnisse sind in Tabelle VIII angegeben. Tabelle VIII Zugeigenschaften von Ti&sub4;&sub7;Al&sub4;&sub7;Cr&sub2;Ta&sub4; Beisp. Nr. Gamma-Legierung Nr. Glühtemperatur (ºC) Streckgrenze MPa(ksi) Bruchfestigkeit MPa(ksi) plastische Dehnung (%) *Die beiden Werte der Streckgrenze und Dehnung beruhen auf einem doppelten Testen von Proben der gleichen Legierung.
Aus den obigen Ergebnissen wird deutlich, daß die erwünschte Wirkung der Chrom- und Tantal-Zugaben zu TiAl für Zusätze der beiden Teile von Tantal gemäß der Formel kombiniert sind
Ti&sub4;&sub7;Al&sub4;&sub7;Cr&sub2;Ta&sub4;.
Es werden beträchtliche Zunahmen in der Zugfestigkeit ohne Verlust der Duktilität gezeigt, tatsächlich mit einem Gewinn für die Probe, die eine 2,73 %ige plastische Dehnung aufweist.

Claims

1. Durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium- Legierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal im folgenden Atomverhältnis:

Ti&sub5;&sub2;&submin;&sub4;&sub1;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub1;&submin;&sub3;Ta&sub1;&submin;&sub6;.

2. Durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium- Legierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal im Atomverhältnis:

Ti&sub5;&sub1;&submin;&sub4;&sub3;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub1;&submin;&sub3;Ta&sub2;&submin;&sub4;.

3. Durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium- Legierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal im folgenden Atomverhältnis:

Ti&sub5;&sub1;&submin;&sub4;&sub2;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub2;Ta&sub1;&submin;&sub6;.

4. Durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium- Legierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal im Atomverhältnis:

Ti&sub5;&sub0;&submin;&sub4;&sub4;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub2;Ta&sub2;&submin;&sub4;.

5. Durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium- Legierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal im Atomverhältnis:

Ti&sub5;&sub0;&submin;&sub4;&sub4;Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub2;Ta&sub1;&submin;&sub6;.

6. Durch Chrom und Tantal modifizierte Titan-Aluminium- Legierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom und Tantal im folgenden Atomverhältnis:

Ti&sub4;&sub9;&submin;&sub4;&sub6;Al&sub4;&sub7;&submin;&sub4;&sub8;Cr&sub2;Ta&sub2;&submin;&sub4;.

7. Legierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei diese Legierung durch Block- bzw. Barren-Metallurgie hergestellt ist.

8. Legierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Legierung zwischen 1.250ºC und 1.350ºC wärmebehandelt worden ist.

9. Bauteil zum Einsatz bei hoher Festigkeit und hoher Temperatur, wobei das Bauteil gebildet ist aus einer durch Chrom und Tantal modifizierten Titan-Aluminium-γ- Legierung, bestehend aus Titan, Aluinium, Chrom und Tantal im folgenden Atomverhältnis:

10. Bauteil nach Anspruch 9, das ein Bauteil eines Strahltriebwerkes ist.

11. Bauteil nach Anspruch 9, das durch eine faserförmige Verstärkung verstarkt ist.

12. Bauteil nach Anspruch 11, worin die faserförmige Verstärkung aus Siliciumcarbid-Fasern besteht.