-
Die Erfindung bezieht sich auf ein leichtes hitzebeständiges
Material auf Ti-Al-Basis, und insbesondere auf die
Verbesserung seiner Oxidationsbeständigkeit.
-
In den letzten Jahren mußten hin- und hergehende
Hochgeschwindigkeitsteile, wie Motorventile, Kolben, Stößelstangen
und dergleichen, oder rotierende Hochgeschwindigkeitsteile,
wie die Turbinenschaufeln von Gasturbinen oder
Strahltriebwerken und Turboladerrotoren und dergleichen, mit der
Entwicklung von Hochleistungsmotoren mit hohem Wirkungsgrad
immer leichter und hitzebeständiger sein. Entsprechend diesen
Anforderungen wurden viele Studien und Materialentwicklungen
für solche Teile durchgeführt.
-
Gegenwärtig werden Superlegierungen auf Ni-Basis
hauptsächlich als Materialien für mit hoher Geschwindigkeit bewegte
Teile verwendet. Zusätzlich werden Titanlegierungen oder
keramische Materialien verwendet. Superlegierungen auf Ni-
Basis und keramische Materialien sind jedoch als Material für
solche Teile nicht unbedenklich, da Superlegierungen auf
Ni-Basis nachteiligerweise hohes Gewicht haben und keramische
Materialien in ihrer Zähigkeit unterlegen sind.
-
Daher haben Materialien auf Ti-Al-Basis, die hauptsächlich
aus einer intermetallischen Verbindung Ti-Al bestehen, in
letzter Zeit besonderes Interesse gefunden. Materialien auf
Ti-Al-Basis sind den Superlegierungen auf Ni-Basis in ihrer
Leichtigkeit überlegen und übertreffen auch keramische
Materialien in ihrer Zähigkeit oder Festigkeit. Materialien auf
Ti-Al-Basis sind jedoch in ihrer Oxidationsbeständigkeit
unterlegen. Aus diesem Grunde sind sie bisher noch nicht zur
praktischen Anwendung gekommen.
-
EP-A-0 363 598 beschreibt eine hitzebeständige
Ti-Al-Legierung, die aus 29 bis 35 Gew.-% Al, 0,5 bis 20 Gew.-% Nb,
mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus 0,1 - 1,8
Gew.-% Si und 0,3 - 5,5 Gew.-% Zr, sowie einem Rest von Titan
und zufälligen Verunreinigungen besteht.
-
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die erwähnten
Probleme im Stand der Technik gemacht und sucht ein leichtes
hitzebeständiges Material auf Ti-Al-Basis mit ausgezeichneter
Oxidationsbeständigkeit zu schaffen, das sowohl zäh als auch
leichtgewichtig ist.
-
Entsprechend schafft die Erfindung ein leichtes
hitzebeständiges Material auf Ti-Al-Basis, welches 30 bis 42 Gew.-% Al,
0,1 bis 2 Gew.-% Si, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Nb und als Rest Ti
und zufällige Verunreinigungen enthält.
-
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich
beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es
zeigen:
-
Figur 1(a) und Figur 1(b) Mikrofotografien, welche die
Mikrostrukturen von Materialien auf Ti-Al-Basis zeigen;
-
Figur 2 eine graphische Darstellung, welche das
thermische zyklische Muster zeigt, angewandt auf die Proben im
Oxidationsbeständigkeitstest; und
-
Figur 3 eine graphische Darstellung, welche die
Beziehung zwischen dem Al-Gehalt und der Oxidationszunahme zeigt,
welche durch den Oxidationsbeständigkeitstest erhalten wurde.
-
Die Erfinder experimentierten bei der Entwicklung der
vorliegenden Erfindung, indem sie Si und Nb unabhängig voneinander
in ein Material auf Ti-Al-Basis gaben. Als Ergebnis dieser
Versuchsarbeit hat sich gezeigt, daß die
Oxidationsbeständigkeit von Materialien auf Ti-Al-Basis durch die Zugabe von Si
oder Nb verbessert wird. Der Grad der Verbesserung der
Oxidationsbeständigkeit ist jedoch nicht ganz zufriedenstellend.
Durch Einschluß von Si unabhängig bis zu 3% wird die
Oxidationszunahme des Materials auf Ti-Al-Basis lediglich auf ein
Drittel derjenigen des Si-freien Materials reduziert, und
durch Einschluß von Nb unabhängig bis zu 1% wird die
Oxidationszunahme des Materials lediglich auf ein Viertel der
jenigen des Nb-freien Materials reduziert.
-
Die Erfinder versuchten dann, eine Koexistenz von Si und Nb
durchzuführen, und es hat sich gezeigt, daß die
Oxidationsbeständigkeit von Material auf Ti-Al-Basis durch den
synergistischen Effekt von Si und Nb merklich verbessert wird.
Die Erfindung wurde gemäß dieser Kenntnis gemacht. Der
Hauptgedanke der Erfindung besteht darin, diese Elemente innerhalb
eines vorbestimmten Bereiches in das Material auf Ti-Al-Basis
zu geben, wie oben beschrieben.
-
Obwohl der genaue Grund, warum die Oxidationsbeständigkeit
von Materialien auf Ti-Al-Basis durch die Koexistenz dieser
beiden Elemente merklich verbessert wird, noch nicht klar
ist, wurde jedoch als Phänomen bestätigt, daß die Dicke eines
Oxidfilms, der auf der Oberfläche von Material auf
Ti-Al-Basis, welches Si und Nb enthält, merklich abnimmt im Vergleich
zu einem Material, in welchem diese Elemente nicht enthalten
sind.
-
Beispielsweise zeigt Figur 1(a) eine Mikrofotografie an der
äußeren Schicht eines Materials auf Ti-Al-Basis, in welchem
1% Si und 1% Nb zu einem Material auf Ti-Al-Basis gegeben
wurden, welches 33,5 % Al enthält, und Figur 1(b) zeigt eine
Mikrofotografie an der äußeren Schicht eines Materials auf
Ti-Al-Basis, das von Si und Nb frei ist. Obwohl Figur 1(a)
nicht in den Rahmen der Erfindung fällt, wurde sie
aufgenommen, um die merkliche Verbesserung in der
Oxidationsbeständigkeit eines Materials auf Ti-Al-Basis, das sowohl Si als
auch Nb enthält, darzustellen. Aus einem Vergleich der
Figuren 1(a) und 1(b) ist klar, daß die Dicke des Oxidfilms durch
Zugabe beider Elemente Si und Nb merklich herabgesetzt werden
kann.
-
Zusätzlich zu dem Gesagten wird auch bestätigt, daß der auf
dem Material auf Ti-Al-Basis, das Si und Nb enthält,
gebildete Oxidfilm (der in Figur 1(a) gezeigte Oxidfilm) extrem
schwierig von der Oberfläche des Materials abgeschält werden
kann im Vergleich zu dem Oxidfilm, der auf Material auf
Ti-Al-Basis gebildet wird, in welchem diese Elemente nicht
enthalten sind (der in Figur 1(b) gezeigte Oxidfilm). Es
scheint, daß darin die Gründe liegen, warum die
Oxidationsbeständigkeit des Materials auf Ti-Al-Basis verbessert wird.
-
Der Grund, warum die chemische Zusammensetzung des
erfindungsgemäßen Materials auf Ti-Al-Basis eingegrenzt ist, wird
unten im einzelnen erläutert.
-
Al ist ein Element, das eine intermetallische Verbindung mit
Ti bildet. Es ist erforderlich, nicht weniger als 30%
einzugeben. Wenn der Al-Gehalt geringer ist als 30%, wird zu
viel Ti&sub3;Al gebildet, und die Formbarkeit und Zähigkeit
des Materials bei Zimmertemperatur sind verschlechtert.
Ferner ist die Oxidationsbeständigkeit des Materials
verschlechtert. Ti&sub3;Al verbessert die Kaltformbarkeit, soweit
es in geeigneter Menge vorhanden ist. Ti&sub3;Al bringt jedoch
eine Verschlechterung dieser Eigenschaften, wenn es in einer
größeren Menge als im richtigen Bereich vorhanden ist. Wenn
der Al-Gehalt größer als 42% ist, wird Al&sub3;Ti in großen
Mengen gebildet, und die Kaltformbarkeit und Zähigkeit werden
verschlechtert. Erfindungsgemäß wird der Al-Gehalt auf einen
Bereich von 30 bis 42 Gew.-% eingeschränkt. Darüber hinaus
ist der Bereich von 31 bis 36 Gew.-% Al besonders bevorzugt.
-
Si ist ein unverzichtbares Element zur Verbesserung der
Oxidationsbeständigkeit. Die Oxidationsbeständigkeit wird
stark verbessert, indem nicht weniger als 0,1% Si in
Koexistenz mit Nb gemäß dem synergistischen Effekt von Si und
Nb eingeschlossen wird. Es ist jedoch möglich, die gleiche
Wirkung zu erhalten, wenn der Si-Gehalt geringer ist als
0,1%. Wenn der Si-Gehalt größer ist als 2%, werden Silizide
im Überfluß gebildet und die Kaltformbarkeit und Zähigkeit
werden verschlechtert. Aus diesem Grund ist Si innerhalb
eines Bereiches von 0,1 bis 2,0 Gew.-% erfindungsgemäß
enthalten. Der Bereich von 0,2 bis 1 Gew.-% wird jedoch in Bezug
auf den Si-Gehalt bevorzugt. Nb ist ein Element zum
Verbessern der Oxidationsbeständigkeit in ähnlicher Weise wie Si,
und es ist erforderlich, wenigstens 0,1% Nb einzuschließen.
Wenn der Nb-Gehalt geringer ist als dieser Wert, ist es
unmöglich, eine ausreichende Wirkung für die Verbesserung der
Oxidationsbeständigkeit zu erhalten.
-
Obwohl die Oxidationsbeständigkeit verbessert wird, wenn sich
der Nb-Gehalt erhöht, wird eine obere Grenze des Nb-Gehalts
mit 0,4% festgelegt. Wenn Nb in größerer Menge enthalten ist,
steigt das spezifische Gewicht des Materials auf Ti-Al-Basis,
da die Dichte von Nb größer ist als diejenige von Al oder Ti.
Entsprechend wird ein Vorteil des Materials auf Ti-Al-Basis,
das ursprünglich durch seine Leichtigkeit charakterisiert
ist, aufgehoben. Zusätzlich zu dem Gesagten besteht ein
weiterer Nachteil darin, daß Kosten des Rohmaterials mit der
Beigabe einer großen Menge von Nb, das sehr teuer ist,
ansteigen.
Beispiele
-
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie
einzuschränken.
-
Beispiele von leichtem hitzebeständigem Material auf Ti-Al-
Basis gemäß der Erfindung werden unten zusammen mit
Vergleichsbeispielen beschrieben, um die charakteristischen
Merkmale der Erfindung klarzustellen.
-
Indem Titanschwamm und granuliertes Aluminium hoher Reinheit
als Rohmaterialien verwendet wurden, wurden Materialien auf
Ti-Al-Basis in einer Atmosphäre von Argon mit Verwendung
eines Plasmaschalenschmelzofens geschmolzen, um Gußstücke mit
100 mm Durchmesser und 15 Kg zu erhalten, welche die in
Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen hatten. Die jeweiligen
Gußstücke wurden einer Wärmebehandlung bei 1300ºC über 24
Stunden unterworfen und in einem Ofen gekühlt, aus welchem
Proben von 3 mm (Dicke) x 10 mm (Breite) x 25 mm (Länge)
ausgeschnitten wurden. Die Proben wurden dem folgenden
Oxydationsbeständigkeitstest unterzogen. Die Ergebnisse dieses
Tests sind in Tabelle 1 angegeben.
[Oxidationsbeständigkeitstest]
-
Verfahren: Messen einer Oxidationszunahme, die durch
wiederholtes Abkühlen nach Erhitzung bis zu 900ºC verursacht wird.
-
Testvorrichtung: Kanthal-Ofen mit Wärmeregler.
-
Testbedignung: 900ºC/96 Stunden (Heizzeit).
-
Anzahl von Wiederholungen für Heizen und Kühlen: 192 Zyklen
Atmosphäre: Synthetische Luft, deren Taupunkt 20ºC beträgt.
-
Heiz-Kühl-Muster: Wiederholtes Abkühlen auf 180ºC nach
Aufheizen auf 900ºC und Aufrechterhalten für 30 Minuten, wie
in Figur 2 gezeigt.
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Oxidationszunahme (g/m²)
Beispiel
Vergleichsbeispiel
Rest
-
Figur 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Al-Gehalt und der
Oxidationszunahme, die aus den in Tabelle 1 gezeigten
Ergebnissen erhalten wird. Tabelle 2 zeigt die Wirkung des
Einschlusses von Si und Nb in dem Material auf Ti-Al-Basis
in einer leicht lesbaren Weise, indem die Ergebnisse der
Tabelle 1 umgeordnet wurden.
Tabelle 2
Si- und Nb-Gehalt
Verhältnis der Oxidationszunahme zu derjenigen von Si- und Nb-freiem Material
-
Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, nimmt die
Oxidadationszunahme in einem Zustand, in welchen Si und Nb
koexistieren, merklich ab. Wenn Si und Nb unabhängig
voneinander eingeschlossen werden, ist die verhindernde Wirkung gegen
die Oxidationszunahme unzureichend, wie oben beschrieben.
Wenn beispielsweise Si in einer Menge bis zu 3% enthalten
ist, beträgt die Oxidationszunahme etwa ein Drittel von
derjenigen von Si-freiem Material, und wenn Nb in einer Menge
bis zu 1% enthalten ist, beträgt die Oxidationszunahme etwa
ein Viertel von derjenigen von Nb-freiem Material.
-
Obwohl erfindungsgemäße Beispiele ausführlich beschrieben
wurden, ist dies nur beispielhaft, und daher kann die
Erfindung in dieser Form mit verschiedenen Abänderungen gemäß dem
Fachwissen eines Fachmanns durchgeführt werden, ohne den
Rahmen der durch die Ansprüche festgelegten Erfindung zu
verlassen.