EP0480975B1 - Intermetallische legierung, ihre herstellung und verwendung - Google Patents

Intermetallische legierung, ihre herstellung und verwendung Download PDF

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EP0480975B1
EP0480975B1 EP90910657A EP90910657A EP0480975B1 EP 0480975 B1 EP0480975 B1 EP 0480975B1 EP 90910657 A EP90910657 A EP 90910657A EP 90910657 A EP90910657 A EP 90910657A EP 0480975 B1 EP0480975 B1 EP 0480975B1
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intermetallic
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silicon
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Helmut Mangers
Johannes Eschweiler
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to intermetallic alloys composed of the main components aluminum, chromium and silicon, which are subjected to a special heat treatment, a process for their production and their use as a structural material, in particular at temperatures up to 720 K, or as a protective layer for other structural materials.
  • the present alloys can be used for turbine and aircraft parts, housings for high-performance electrical batteries, pistons and connecting rods for gasoline and diesel engines, and as cladding for spacecraft.
  • From DE-OS 23 33 198 aluminum alloys are known which can contain up to 12% silicon and 3 to 15% chromium, which solidify by a special process and are then compressed in the range from 200 to 500 ° C.
  • intermetallic alloys which predominantly consist of several intermetallic phases or intermediate phases, already have good ductility.
  • the present invention is therefore based on the object of providing intermetallic alloys composed of the main components aluminum, chromium and silicon.
  • the present invention thus relates to intermetallic alloys with an approximate SiCrAl7 composition with a predominant proportion of the structure comprising one or more intermetallic or intermediate phases 8 to 12% by weight of silicon, 15 to 20% by weight of chromium, 64 to 72% by weight aluminum, including the usual accompanying elements, 0 to 5% by weight of one or more additional alloying elements selected from silver, magnesium, vanadium, nickel and copper, and 0 to 1% by weight of one or more additional alloying elements selected from beryllium, boron, cerium, titanium and yttrium, the sum of the% by weight of the elements mentioned being 100%. producible by heat treatment of the alloys at temperatures above 820 ° C.
  • the alloys according to the invention have high strength and rigidity combined with good corrosion resistance.
  • the alloys according to the invention are intermetallic alloys which are to be distinguished from supersaturated mixed crystal alloys obtained by rapid solidification.
  • the special mechanical properties are obtained by the precipitation of small amounts of the smallest crystal structures (intermetallic compounds) in supersaturated mixed crystals.
  • the special properties of the alloys according to the invention are based solely on the properties of the intermetallic phase (s). If mixed crystals above 820 K are nevertheless contained in the alloys according to the invention after the heat treatment, these small amounts of finely divided admixture are of no great importance for the mechanical properties of the alloy.
  • the alloys according to the invention have a specific weight between 3.0 and 3.3 g / cm 3.
  • the alloys according to the invention consist either of 19.6% by weight Cr, 10.7% by weight Si, 2% by weight Ni and 0.6% by weight Cu, balance Al, or from 18.8% by weight Cr, 10.1% by weight Si and 3.9% by weight Ag, balance Al.
  • the light metal alloys according to the invention consist of 19.3% by weight Cr, 10.4% by weight Si, the rest Al.
  • the present invention further relates to a process for the preparation of the alloys described above, which is characterized in that the alloys initially solidify quickly after melting to form a fine crystalline structure and this structure is then subjected to a heat treatment at a temperature above 820 K.
  • the fine crystalline structure is transformed into a structure consisting predominantly of several intermetallic phases or intermediate phases. Heating and cooling rates are only of minor importance in the heat treatment according to the invention.
  • the alloys are initially quickly solidified after melting, for example by air atomization or plasma spray. After rapid cooling, the fine-grained structure consists of supersaturated mixed crystals and intermetallic phases with a low number of atoms.
  • the rapidly solidified alloys are compacted and processed by the known methods.
  • the heat treatment is carried out in a temperature range from 820 K to 900 K.
  • the quantitative and qualitative composition of the intermetallic phases or intermediate phases present in the temperature range described above after the heat treatment are influenced by the choice of the temperature and the heat treatment duration for a given chemical composition. Rapidly solidified particles can be further processed after compacting using known methods.
  • the heat treatment time is between 30 and 300 minutes.
  • the treatment can be carried out in one or more stages.
  • the choice of the method for rapid solidification from the molten state has a comparable influence.
  • the proportion of supersaturated mixed crystals and their degree of supersaturation as well as the proportion of intermetallic phases with a low number of atoms after solidification can be influenced here.
  • the choice of the method for rapid solidification and the chosen heat treatment will depend on the desired properties and economic considerations.
  • the present invention relates to the use of the intermetallic alloys described above as a structural material, in particular for use at temperatures up to 720 K, and to the use of the intermetallic alloys according to the invention as a protective layer on other structural materials, again in particular for use at temperatures up to 720 K.
  • Fig. 1 shows the structure at 100 times magnification in the as-cast state.
  • Fig. 2 and 3 show the structure after the heat treatment described above.
  • Fig. 2 shows the structure in 100x magnification and
  • Fig. 3 shows the structure in 1000x magnification.
  • the light metal alloy After the heat treatment, the light metal alloy has the following mechanical properties at room temperature and at 350 ° C ( ⁇ 623 K):

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Abstract

Offenbart werden intermetallische Legierungen mit einer ungefähren SiCrAl7-Zusammensetzung mit einem überwiegenden Anteil des Gefüges aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen, enthaltend 8 bis 12 Gew.-% Silicium, 15 bis 20 Gew.-% Chrom, 64 bis 72 Gew.-% Aluminium, einschließlich der üblichen Begleitelemente, 0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungselemente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vanadin, Nickel und Kupfer, und 0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Legierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium, herstellbar durch eine Wärmebehandlung der Legierungen bei Temperaturen oberhalb von 820°C sowie deren Herstellung und Verwendung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft intermetallische Legierungen aus den Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium, die einer besonderen Wärmebehandlung unterworfen werden, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Strukturwerkstoff, insbesondere bei Temperaturen bis 720 K, oder als Schutzschicht für andere Strukturwerkstoffe.
  • Die vorliegenden Legierungen können für Turbinen- und Flugzeugteile, Gehäuse von elektrischen Hochleistungsbatterien, Kolben und Pleuelstangen für Otto- und Dieselmotoren sowie als Beplankung für Raumfahrzeuge eingesetzt werden. Aus DE-OS 23 33 198 sind Aluminiumlegierungen bekannt, die bis zu 12 % Silicium und 3 bis 15 % Chrom enthalten können, die nach einem speziellen Verfahren erstarrt und anschließend im Bereich von 200 bis 500 °C verdichtet werden.
  • Es ist bekannt, daß Legierungen aus intermetallischen Phasen hohe Festigkeit bis zu relativ hohen Temperaturen haben. Die derzeitigen Entwicklungen zielen auf Werkstoffe, die überwiegend aus einer einzigen intermetallischen Phase bestehen. Bekannte intermetallische Phasen in solchen Werkstoffen (mehr als 90 Gew.-% des Gefüges bestehen aus nur einer intermetallischen Phase) sind beispielsweise:
  • Ti₃Al, Ni₃Al, Ni₃Fe, Co₃V, Co₃Ti, TiAl, CoAl, NiAl, NiTi, AgNi, FeTi und MoFe.
  • Ferner ist bekannt, daß feinkristallines Gefüge bei solchen "einphasigen" intermetallischen Werkstoffen eine Voraussetzung für eine akzeptable Duktilität ist. Es ist schließlich bekannt, daß das gewünschte feine Gefüge über schnelle Erstarrung aus dem schmelzflüssigen Zustand nach bekannten Verfahren erreicht werden kann.
  • Im Gegensatz zu den oben erwähnten "einphasigen" intermetallischen Werkstoffen wurde überraschenderweise gefunden, daß auch intermetallische Legierungen, die überwiegend aus mehreren intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen bestehen, bereits eine gute Duktilität besitzen. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, intermetallische Legierungen aus den Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft somit intermetallische Legierungen mit einer ungefähren SiCrAl₇-Zusammensetzung mit einem überwiegenden Anteil des Gefüges aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen, enthaltend
       8 bis 12 Gew.-% Silicium,
       15 bis 20 Gew.-% Chrom,
       64 bis 72 Gew.-% Aluminium,
       einschließlich der üblichen Begleitelemente,
       0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungselemente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vanadin, Nickel und Kupfer, und
       0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Legierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium, wobei die Summe der Gew % der genannten Elemente 100 % ergibt.
    herstellbar durch eine Wärmebehandlung der Legierungen bei Temperaturen oberhalb von 820 °C.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, verbunden mit guter Korrosionsbeständigkeit.
  • Bei den erfindungsgemäßen Legierungen handelt es sich um intermetallische Legierungen, die von über schnelle Erstarrung erhaltenen übersättigten Mischkristallegierungen zu unterscheiden sind. Bei den letzteren werden die besonderen mechanischen Eigenschaften durch die Ausscheidung geringer Mengen kleinster Kristallstrukturen (intermetallische Verbindungen) in übersättigten Mischkristallen erhalten. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen beruhen dagegen die besonderen Eigenschaften allein auf den Eigenschaften der intermetallischen Phase(n). Sollten in den erfindungsgemäßen Legierungen dennoch Mischkristalle nach der Wärmebehandlung oberhalb von 820 K enthalten sein, so sind diese geringen Mengen von feinverteilter Beimengung ohne größere Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften der Legierung.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen haben, je nach Kombination der Bestandteile, ein spezifisches Gewicht zwischen 3,0 und 3,3 g/cm³.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen die erfindungsgemäßen Legierungen entweder aus 19,6 Gew.-% Cr, 10,7 Gew.-% Si, 2 Gew.-% Ni und 0,6 Gew.-% Cu, Rest Al, oder aus 18,8 Gew.-% Cr, 10,1 Gew.-% Si und 3,9 Gew.-% Ag, Rest Al. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen die erfindungsgemäßen Leichtmetallegierungen aus 19,3 Gew.-% Cr, 10,4 Gew.-% Si, Rest Al.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Legierungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Legierungen nach dem Aufschmelzen unter Bildung eines feinkristallinen Gefüges zunächst schnell erstarren läßt und dieses Gefüge anschließend einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 820 K unterzieht. Hierbei wandelt sich das feinkristalline Gefüge in ein überwiegend aus mehreren intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen bestehendes Gefüge um. Aufheiz- und Abkühlraten sind bei der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung nur von untergeordneter Bedeutung.
  • Die Legierungen werden nach dem Aufschmelzen zunächst schnell erstarrt, beispielsweise durch Luftverdüsung oder Plasmaspray. Das feinkörnige Gefüge besteht nach dem schnellen Erkalten aus übersättigten Mischkristallen und intermetallischen Phasen mit niedriger Anzahl von Atomen.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die schnell erstarrten Legierungen durch die bekannten Verfahren kompaktiert und weiterverarbeitet.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 820 K bis 900 K durchgeführt.
  • Die nach der Wärmebehandlung im vorstehend beschriebenen Temperaturbereich vorliegenden intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen werden in ihrer quantitativen und qualitativen Zusammensetzung durch die Wahl der Temperatur und der Wärmebehandlungdauer bei einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung beeinflußt. Schnell erstarrte Partikel können nach der Kompaktierung nach bekannten Verfahren weiter verarbeitet werden.
  • Im allgemeinen liegt die Wärmebehandlungsdauer, je nach Dicke und Größe der Bauteile, zwischen 30 und 300 min. So kann die Behandlung in einer oder mehreren Stufen durchgeführt werden. Einen damit vergleichbaren Einfluß hat die Wahl des Verfahrens zur schnellen Erstarrung aus dem schmelzflüssigen Zustand. Hier kann der Anteil übersättigter Mischkristalle und ihr Übersättigungsgrad sowie der Anteil der nach der Erstarrung vorliegenden intermetallischen Phasen mit niedriger Anzahl Atome beeinflußt werden. Die Wahl des Verfahrens zur schnellen Erstarrung sowie die gewählte Wärmebehandlung wird sich, wie dem Fachmann bekannt ist, nach den angestrebten Eigenschaften und wirtschaftlichen Überlegungen richten.
  • Die Festlegung der chemischen Zusammensetzung der erfindungsgemäß erhaltenen Legierungen der Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium fixiert die qualitativen und quantitativen Möglichkeiten der intermetallischen Phasen und Zwischenphasen in diesem im wesentlichen ternären System. Durch Zugabe zusätzlicher Legierungselemente werden diese Möglichkeiten wesentlich erweitert, d.h., intermetallische Phasen, insbesondere Zwischenphasen mit hoher Anzahl von Atomen, werden möglich. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die physikalischen und chemischen Eigenschaften den Anforderungen individuell anzupassen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung der vorstehend beschriebenen intermetallischen Legierungen als Strukturwerkstoff, insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen intermetallischen Legierungen als Schutzschicht auf anderen Strukturwerkstoffen, wiederum insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K.
  • Die vorstehende Erfindung wird im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
    • Beispiel
  • Eine Legierung aus 67,2 Gew.-% Aluminium, 18,8 Gew.-% Chrom, 10,1 Gew.-% Silicium und 3,9 Gew.-% Silber wurde nach dem Aufschmelzen in eine Kupfer-Schleudergußkokille mit 8 mm Wanddicke vergossen. Daraufhin wird diese Legierung einer Wärmebehandlung in der Weise unterzogen, indem man sie 2 h bei 560 °C (∼ 833 K) und anschließend 4 h bei 600 °C (∼ 873 K) beläßt und schließlich im Ofen abkühlt. Die so erhaltene Legierung besitzt sehr gute Oxidationsbeständigkeit. In den Abb. 1 bis 3 ist das erhaltene Gefüge vor und nach der Wärmebehandlung dargestellt.
  • Abb. 1 zeigt das Gefüge bei 100facher Vergrößerung im Gußzustand.
  • Die Abb. 2 und 3 zeigen das Gefüge nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung. Abb. 2 zeigt das Gefüge in 100facher Vergrößerung und Abb. 3 zeigt das Gefüge in 1000facher Vergrößerung.
  • Die Leichtmetallegierung weist nach der Wärmebehandlung folgende mechanische Eigenschaften beim Raumtemperatur und bei 350 °C (∼ 623 K) auf:
    Figure imgb0001
  • Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Legierungen in bezug auf "schnelle Erstarrung" durch den Guß in einer Kupferkokille ist, wie dem Fachmann bekannt, ein nicht günstiges Herstellungsverfahren. Es wurde lediglich bei der Legierungsentwicklung benutzt, um die Eigenschaften der Legierung abzuschätzen. Deshalb sind die angegebenen mechanischen Werte auch nur untere Grenzwerte.

Claims (11)

  1. Intermetallische Legierungen mit einer ungefähren SiCrAl₇-Zusammensetzung mit einem überwiegenden Anteil des Gefüges aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen, enthaltend
       8 bis 12 Gew.-% Silicium,
       15 bis 20 Gew.-% Chrom,
       64 bis 72 Gew.-% Aluminium,
       einschließlich der üblichen Begleitelemente,
       0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungselemente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vanadin, Nickel und Kupfer, und
       0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Legierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium,
    wobei die Summe der Gew% der genannten Elemente 100% ergibt,
    herstellbar durch eine Wärmebehandlung der Legierungen bei Temperaturen oberhalb von 820 °K.
  2. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus
       10,4 Gew.-% Silicium,
       19,3 Gew.-% Chrom und
       70,3 Gew.-% Aluminium (SiCrAl₇-Zusammensetzung).
  3. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus
       10,7 Gew.-% Silicium,
       19,6 Gew.-% Chrom,
       2 Gew.-% Nickel,
       0,6 Gew.-% Kupfer,
    Rest   Aluminium.
  4. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus
       10,1 Gew.-% Silicium,
       18,8 Gew.-% Chrom,
       3,9 Gew.-% Silber,
       Rest   Aluminium.
  5. Leichtmetallegierung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Anteil des Gefüges aus mehreren intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen mehr als 70 % beträgt.
  6. Herstellung von Legierungen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungen nach dem Aufschmelzen unter Bildung eines feinkristallinen Gefüges zunächst schnell erstarren läßt und dieses Gefüge anschließend einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 820 K unterzieht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungen nach dem Aufschmelzen zunächst durch Luftverdüsung oder Plasmaspray schnell erstarrt.
  8. Verfahren nach Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die schnell erstarrten Legierungen durch an sich bekannte Verfahren kompaktiert und weiterverarbeitet.
  9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung der Legierungen bei Temperaturen im Bereich von 820 K bis 900 K ausführt.
  10. Verwendung der Legierungen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 oder der gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9 erhaltenen Legierungen als Strukturwerkstoff, insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K.
  11. Verwendung der Legierungen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 oder der nach Ansprüchen 6 bis 9 erhaltenen Legierungen als Schutzschicht für andere Strukturwerkstoffe, insbesondere für den Einsatz im Temperaturbereich bis 720 K.
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DE59004828D1 (de) 1994-04-07
EP0480975A1 (de) 1992-04-22
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