EP0640150B1 - Komponente auf der basis intermetallischer phasen des systems titan-aluminium und verfahren zur herstellung solcher komponente - Google Patents
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
Definitions
- the invention relates to a component according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates a method of manufacturing such components based on intermetallic phases of the system Titanium aluminum with an aluminum content between 42 at% and 53 at%.
- Intermetallic phases are currently increasing Interest as potentially suitable construction materials for highly stressed components at high operating temperatures. Especially the intermetallic Because of phases based on titanium aluminide their good strength at high temperatures in combination with low density multiple applications, e.g. in cases where the mechanical Component loading - partially - with the occurrence is caused by centrifugal forces. Examples are here the turbine blades mentioned.
- titanium aluminides with an aluminum content in the range of 42 - 53 at%, especially in the range of 45-50 at%, with regard important to their good mechanical properties.
- p. 1899 is the phase diagram of the system Titanium aluminum known.
- antioxidant protective layers e.g. of type Ni (Co) CrAlY known.
- protective layers could applied to titanium aluminide, the material properties adversely affect this material, in particular through interdiffusion processes that affect the mechanical Properties, especially the resilience can greatly reduce the material.
- protective layers always manufacturing and / or operational defects, e.g. Pores or cracks that can cause a strong local Corrosion of what is covered by this protective layer Materials - here titanium aluminide.
- the object of the invention is achieved by a Component according to claim 1.
- titanium aluminides with aluminum contents of 42-52 at% aluminum depends not only on the exact composition of the material or the alloy, but rather on the structure.
- a titanium aluminide with a given composition can, when aged in the above-mentioned temperature range of up to 900 ° C, in particular 700 - 900 ° C, both a slowly growing Al 2 O 3 layer and a rapidly growing TiO Form 2 layer.
- titanium aluminide in the event that, in addition to such a eutectoid structure, there are also primary and secondary precipitated TiAl phases in the surface area, this material leads to a TiO 2 layer formation at high temperatures up to 900 ° C, which spreads over the entire surface of the material in a disadvantageous manner after a long aging period.
- the formation of the Al 2 O 3 layer which is favorable for the oxidation and corrosion resistance of the material, is ensured if the component made of titanium aluminide has a structure limited to the surface area with a completely eutectoid reaction, with a lamellar, Ti 3 Al / TiAl structure.
- the component is advantageously used for this purpose a temperature heat treated, according to the Ti-Al phase diagram only ⁇ -Ti is present if possible.
- the optimal heat treatment temperature should depend on Composition of the titanium aluminide at least as possible close to the stability range of the ⁇ -Ti in the phase diagram lie. Should it be the starting material of the component not about binary titanium aluminide, but about a with additional ternary or quaternary alloy additives can act the most suitable in this case Heat treatment temperature determined experimentally become.
- Process is the heat treatment temperature in the range selected from 1300 ° C - 1430 ° C, especially at 1400 ° C.
- the Duration of the heat treatment expediently up to several Hours, e.g. up to 4 hours, in particular 30 minutes to 4 hours.
- the procedure is an additional heat treatment the surface of the component that has already been heat-treated taught. This is particularly important if the one generated by the first heat treatment lamellar eutectoid structure on the surface of the Component is incomplete. It is e.g. imaginable that the surface of the initially heat-treated component is still mechanically processed, so that the initially obtained lamellar structure partly in more or less of the component e.g. mechanically Will get removed. Such additional heat treatment, especially in the surface area, the no longer has this desired structure become.
- the process is a locally defined heat treatment with the help of a laser, an electron beam or a high-frequency induction coil proposed. in the a combination of these surface treatment methods can also be used respectively.
- a surface zone of up to 100 ⁇ m or more locally melted or up to sufficiently high temperatures especially in the stability range mentioned above of the ⁇ -Ti, e.g. about 1400 ° C, are heated.
- the width of the component can be heat-treated Surface zone can be set specifically. E.g. a small width of this zone has the advantage that the inside of the component as little as possible their mechanical properties is affected.
- An advantageous variant of the method according to the invention finally arises in the event that the component is heat-treated with the aid of a high-frequency heating, in particular with the aid of a high-frequency induction coil.
- This component is moved through the coil at a suitable speed depending on the desired penetration depth of the surface structure made of fine lamellar, eutectoidal Ti 3 Al / TiAl structure.
- the penetration depth of the favorable lamellar structure can be set locally.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Komponente gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung solcher Komponenten
auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems
Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen
42 At% und 53 At%.
Intermetallische Phasen finden gegenwärtig zunehmendes
Interesse als potentiell geeignete Konstruktionswerkstoffe
für hochbelastete Komponenten bei hohen Betriebstemperaturen.
Insbesondere die intermetallischen
Phasen auf der Basis Titan-Aluminid besitzen aufgrund
ihrer guten Festigkeit bei hohen Temperaturen in Kombination
mit geringer Dichte vielfache Anwendungsmöglichkeiten,
z.B. in solchen Fällen, bei der die mechanische
Komponentenbelastung - teilweise - mit dem Auftreten
von Fliehkräften bedingt ist. Beispielhaft seien hier
die Turbinenschaufeln erwähnt.
In diesem Zusammenhang sind vor allem Titanaluminide
mit einem Aluminiumgehalt im Bereich von 42 - 53 At%,
insbesondere im Bereich von 45 - 50 At%, im Hinblick
auf ihre guten mechanischen Eigenschaften von Bedeutung.
Aus S.C. Huang and P.A. Siemers, Metall. Trans.
20A, (1989), S. 1899 ist das Phasendiagramm des Systems
Titan-Aluminium bekannt.
Es zeigt in diesem Aluminium-Konzentrationsbereich die
intermetallischen Phasen Ti3Al und TiAl. Diese Werkstoffe
zeigen jedoch eine mangelhafte Oxidations- bzw.
Korrosionsbeständigkeit in nachteiliger Weise bei Betriebstemperaturen
einer Komponente auf dieser Basis im
Bereich von 700°C bis etwa 900°C. Begründet wird dieser
Nachteil damit, daß die genannten Titanaluminide bei
diesen Temperaturen, trotz des hohen Aluminiumgehaltes,
keine schützenden, stabilen Oxidschichten auf Al2O3-Basis
bilden. Statt dessen sollen tatsächlich, insbesondere
nach längeren Oxidationszeiten, Schichten auf
TiO2-Basis, die eine hohe Oxidationsrate aufweisen,
entstehen. Dies führe zu einem schnellen Verlust an
Wandstärke und damit zu einer Schädigung einer aus diesem
Material hergestellten Komponente.
Aus der Werkstofftechnologie im Bereich der Hochtemperatur-Werkstoffe,
wie z.B. solche auf NiCrAl-Basis,
sind oxidationshemmende Schutzschichten, z.B. vom Typ
Ni(Co)CrAlY bekannt. Solche Schutzschichten könnten jedoch,
auf Titanaluminid aufgebracht, die Materialeigenschaften
dieses Materials ungünstig beeinflussen, insbesondere
durch Interdiffusionsvorgänge, die die mechanischen
Eigenschaften, insbesondere die Belastbarkeit
des Materials stark herabsetzen können. Darüber hinaus
zeigen derartige Schutzschichten immer herstellungs- und/oder
betriebsbedingte Fehlstellen, wie z.B. Poren
oder Risse, die dazu führen können, daß eine starke lokale
Korrosion des von dieser Schutzschicht abgedeckten
Materials - hier Titanaluminid - erfolgt.
Schließlich ist es bekannt, Werkstoffoberflächen durch
sogenannte Alitierverfahren dahingehend zu verbessern,
daß der Aluminiumgehalt einer solchen Oberfläche angereichert
wird. Dies führt zunächst zwar zu besseren
Oxidationseigenschaften, es bildet sich dabei in nachteiliger
Weise die intermetallische Phase TiAl3, die zu
sehr starker Rißbildung führt. Infolgedessen tritt eine
Rißanfälligkeit bzw. Versprödung der so oberflächenbehandelten
Komponente auf.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Komponente der
eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der die guten
mechanischen Eigenschaften des Titanaluminids definiert
und die Anforderungen der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
bei Einsatztemperaturen bis zu 900°C
gewährleistet sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Komponente der eingangs bezeichneten Art zu schaffen,
bei dem, ohne die vorher gezeigten Nachteile, eine
reproduzierbare Herstellung solcher Komponente ermöglicht
wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine
Komponente gemäß Anspruch 1.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren gemäß Anspruch 2.
Es wurde gefunden, daß die Oxidationsbeständigkeit von
Titanaluminiden mit Aluminiumgehalten von 42 - 52 At%
Aluminium nicht nur von der exakten Zusammensetzung des
Werkstoffes bzw. der Legierung, sondern vielmehr vom
Gefüge abhängig ist. Ein Titanaluminid mit vorgegebener
Zusammensetzung kann, abhängig vom jeweiligen Gefüge,
bei Auslagerung in dem oben genannten Temperaturbereich
von bis zu 900°C, insbesondere von 700 - 900°C, sowohl
eine langsam wachsende Al2O3-Schicht als auch eine
schnell wachsende TiO2-Schicht bilden.
Es wurde gefunden, daß durch eine eutektoide Reaktion
(Ti3Al und TiAl) ein Legierungsgefüge entsteht, das bei
Hochtemperatureinsatz der aus diesem Material hergestellten
Komponente zur Bildung einer Al2O3-Schicht
führt.
Es wurde ferner gefunden, daß das Titanaluminid für den
Fall, daß neben einem solchen eutektoiden Gefüge auch
primär und sekundär ausgeschiedene TiAl-Phasen im Oberflächenbereich
vorhanden sind, dieses Material bei
Hochtemperatureinsatz bis zu 900°C lokal zu einer TiO2-Schichtbildung
führt, die sich nach längerer Auslagerungszeit
über die gesamte Oberfläche des Materials in
nachteiliger Weise ausbreitet.
Es hat sich gezeigt, daß die Bildung der für die Oxidation- und Korrosionsbeständigkeit des Materials günstigen
Al2O3-Schicht gewährleistet ist, wenn die aus
Titanalaluminid hergestellte Komponente ein nur auf den
Oberflächenbereich beschränktes Gefüge mit einer
vollständig eutektoiden Reaktion, mit einer lamellaren,
Ti3Al/TiAl-Struktur, zeigt.
Es ergeben sich dabei zwei alternative Möglichkeiten,
eine solche Komponente zu erhalten:
- Ausgehend von einer Titan-Aluminium-Schmelze mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 - 53 At% kann durch ausreichend schnelles Abschrecken direkt die auf den Oberflächenbereich beschränkte, erwünschte Struktur der so hergestellten Komponente erhalten werden.
- Für den Fall, daß die Komponente, aus der Schmelze hergestellt, durch langsames Abschrecken noch nicht die erwünschte lamellare eutektoide Struktur aufweist, wie dies auch beim durch Gießen oder Schmieden gefertigten Material bzw. Bauteil der Fall ist, kann eine solche Komponente in geeigneter Weise so wärmebehandelt werden, daß nach anschließendem, ausreichend schnellem Abschrecken auch eine solche Komponente die gewünschte Struktur auf der Oberfläche aufweist.
Dazu wird in vorteilhafter Weise die Komponente bei
einer Temperatur wärmebehandelt, bei der lt. Ti-Al-Phasendiagramm
nur noch α-Ti nach Möglichkeit vorliegt.
Die optimale Wärmebehandlungstemperatur soll je nach
Zusammensetzung des Titanaluminids zumindest möglichst
nahe dem Stabilitätsbereich des α-Ti im Phasendiagramm
liegen. Sollte es sich beim Ausgangswerkstoff der Komponente
nicht um binäres Titanaluminid, sondern um ein
solches mit weiteren ternären oder quaternären Legierungszusätzen
handeln, kann für diesen Fall die geeignetste
Wärmebehandlungstemperatur experimentell ermittelt
werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Wärmebehandlungstemperatur im Bereich
von 1300°C - 1430°C, insbesondere bei 1400°C gewählt.
Je nach Wahl der Wärmebehandlungstemperatur soll die
Dauer der Wärmebehandlung zweckmäßigerweise bis zu mehreren
Stunden, z.B. bis zu 4 Stunden, insbesondere
30 Minuten bis 4 Stunden betragen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird eine zusätzliche Wärmebehandlung
der Oberfläche der bereits wärmebehandelten Komponente
gelehrt. Dies ist dann von besonderer Bedeutung,
wenn die mittels der ersten Wärmebehandlung erzeugte
lamellare eutektoide Struktur an der Oberfläche der
Komponente unvollständig ist. Es ist z.B. vorstellbar,
daß die Oberfläche der zunächst wärmebehandelten Komponente
mechanisch noch bearbeitet wird, so daß die
zunächst erhaltene lamellare Struktur teilweise in mehr
oder minderer Weise von der Komponente z.B. mechanisch
entfernt wird. Dabei kann eine solche zusätzliche Wärmebehandlung,
insbesondere im Oberflächenbereich, der
diese gewünschte Struktur nicht mehr aufweist, vorgenommen
werden.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird eine lokal definierte Wärmebehandlung
mit Hilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder
einer Hochfrequenzinduktionsspule vorgeschlagen. Im
übrigen kann auch eine Kombination dieser Oberflächenbehandlungsmethoden
erfolgen. Dabei kann, je nach erwünschter
Dicke der lamellaren Oberflächenstruktur,
eine Oberflächenzone von bis zu 100 µm oder mehr lokal
aufgeschmolzen oder bis auf ausreichend hohe Temperaturen,
insbesondere im oben genannten Stabilitätsbereich
des α-Ti, z.B. etwa 1400°C, erhitzt werden. Je nach geforderten
mechanischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften
der Komponente kann die Breite der wärmebehandelten
Oberflächenzone gezielt eingestellt werden. Z.B.
hat eine geringe Breite dieser Zone den Vorteil, daß
das Innere der Bauteilkomponente möglichst wenig in
ihren mechanischen Eigenschaften beeinflußt wird. Andererseits
wird gleichzeitig gewährleistet, daß durch die
geringe Wärmeeinbringung bereits durch eine normale
Luftabkühlung die gewünschte hohe Abkühlgeschwindigkeit
erreicht wird. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Abkühlgeschwindigkeit
durch eine zusätzliche separate
Gaskühlung zu erhöhen.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich schließlich für den Fall, daß mit
Hilfe einer Hochfrequenzheizung, insbesondere mit Hilfe
einer Hochfrequenzinduktionsspule, die Komponente wärmebehandelt
wird. Dabei wird diese Komponente in Abhängigkeit
der gewünschten Eindringtiefe des Oberflächengefüges
aus feinlamellarer, eutektoider Ti3Al/TiAl-Struktur
mit einer geeigneten Geschwindigkeit durch die
Spule bewegt. Dabei kann, je nach geforderten mechanischen
und/oder korrosionsbeständigen Eigenschaften der
Komponente, die Eindringtiefe der günstigen lamellaren
Struktur lokal definiert eingestellt werden.
Im übrigen können die genannten Oberflächenmethoden
auch zur erstmaligen Beschichtung einer erfindungsgemäßen
Komponente, mit einem in der gewünschten Weise
strukturierten Gefüge, eingesetzt werden. Diese Methoden
beschränken sich damit nicht auf den Einsatz für
eine weitere nach einer ersten Wärmebehandlung.
Claims (8)
- Komponente, insbesondere bis zu einer Einsatztemperatur von bis zu 900°C mechanisch hoch belastbare und langzeitig oxidations- und korrosionsbeständige Komponente, auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At% und 53 At%,
gekennzeichnet durch
eine nur auf den Oberflächenbereich beschränkte Ausbildung dieser Komponentenoberfläche mit einer lamellaren, eutektoiden Ti3Al/TiAl-Struktur. - Verfahren zur Herstellung von mechanisch hochbelastbaren, oxidations- und korrosionsbeständigen Komponenten auf der Basis intermetallischer Phasen des Systems Titan-Aluminium mit einem Aluminiumgehalt zwischen 42 At% und 53 At%,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Titan-Aluminium-Schmelze oder eine wärmebehandelte Komponente aus Titanaluminid wärmebehandelt wird bei einer Temperatur im, oder möglichst nahe am Stabilitätsbereich des α-Titans im Titan-Aluminium-Phasendiagramm und anschließend so abgeschreckt wird, daß dabei als Legierungsgefüge an der Komponentenoberfläche eine nur auf diesen Oberflächenbereich beschränkte, lamellare, eutektoide Ti3Al/TiAl-Struktur gebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Wärmebehandlungstemperatur von 1300°C bis 1430°C, insbesondere von 1400°C gewählt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Wärmebehandlung bis zu vier Stunden, insbesondere 30 Minuten bis vier Stunden, beträgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der bereits wärmebehandelten Komponente bei unvollständiger, insbesondere bei teilweise entfernter eutektoider Ti3Al/TiAl-Struktur, wärmebehandelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Komponentenoberfläche lokal definiert wärmebehandelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmebehandlung mit Hilfe eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder einer Hochfrequenzinduktionsspule oder einer Kombination dieser Methoden erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Falle einer Wärmebehandlung der Komponente mit Hilfe einer Hochfrequenzinduktionsspule, die Komponente, in Abhängigkeit der ggfs. lokal definiert gewünschten Eindringtiefe des die feinlamellaren, eutektoiden Ti3Al/TiAl-Struktur aufweisenden Oberflächengefüges, mit geeigneter Geschwindigkeit durch die Spule bewegt wird.
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