EP1195445A1 - Legierung auf der AlTi Basis mit Bor, Wolfram und Silizium - Google Patents
Legierung auf der AlTi Basis mit Bor, Wolfram und Silizium Download PDFInfo
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- 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 high temperature alloy for thermal Machines based on intermetallic compounds, which are suitable for Investment casting and directional solidification are suitable, as are conventional nickel-based superalloys complete.
- Intermetallic compounds of titanium with aluminum have some interesting properties, which they as construction materials in the middle and higher temperature range appear attractive. That is part of it among other things, their lower density compared to superalloys. Of their technical usability in its present form stands for its brittleness opposite. This can be improved with certain additives.
- the heat resistance of the known aluminides leaves a lot to be desired.
- the strength, in particular the creep resistance, in the upper temperature range insufficient.
- EP-A1-0 363 598 describes a high-temperature alloy based on TiAl Additions to Si and Nb emerge, but one from EP-A1-0 405 134 High temperature alloy based on TiAl with additions of Si and Cr.
- the invention attempts to further increase this known high temperature alloy improve. It is based on the task of using a light alloy improved heat resistance and ductility at high temperatures (in the range from 600 to 1000 ° C) and good oxidation and corrosion resistance specify that is well suited for directional solidification or for investment casting and in consists essentially of a high-melting intermetallic compound.
- the core of the invention is compared to the known alloys on the one hand reduced AI content, on the other hand the possibility of a much higher B content to realize.
- the advantages of the invention are that by combining the Alloying elements mentioned, but especially due to the higher B content succeeds on the one hand a very fine grain in both thin and to produce large cross sections and thus the toughness and Increase creep resistance and good oxidation resistance to achieve.
- the lowering of the Al content compared to the known level technology increases strength, but at the same time favors that Grain coarsening.
- Boron on the other hand, stabilizes the grain boundaries, i.e. H. the higher Boron levels reduce grain coarsening.
- the individual elements with a degree of purity served as starting materials of 99.99%.
- the melt became a cast blank of approximately 50 mm each Molded diameter and approx. 70 mm height. These blanks were under Protective gas melted again and also under protective gas for solidification in the form of rods with a diameter of approx. 9 mm and a length of approx. 70 mm forced. These rods were a HIP (HOT ISOSTATIC PRESSING) and Subjected to heat treatment and then processed into tensile tests. The HIP treatment was carried out for 4 hours at a temperature of 1260 ° C and a pressure of 172 MPa. The heat treatment was carried out under protective gas following parameters: 1350 ° C / 1 h + 1000 ° C / 6 h.
- Figures 1 to 6 show the structure of the alloys L1, L2, L3, L4 as well as V1 and V2.
- the structure of the alloys L1, L2, L3 and L4 according to the invention (FIGS. 1 to 4) is much more fine-grained than the structure of the comparative alloy V1 (FIG. 5), which is alloyed with lower B contents or than the comparative alloy VL2, which contains no boron.
- alloy 7 shows a diagram for the alloys L1, L2 and L3 according to the invention as well as the comparative alloys V1 and V2 the hardness values depending on Boron content. Alloys L1, L2 and L3 show a greater hardness than the comparison alloys. The hardness values are particularly good Alloy L1 according to the invention with 1.8 at.% boron.
- the area of application of the modified titanium aluminides advantageously extends to a temperature range between 600 and 1000 ° C.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturlegierung für ein mechanisch hochbeanspruchtes Bauteil einer thermischen Maschine auf der Basis von dotiertem TiAl mit folgender Zusammensetzung (in Atom%): 44,5 bis <46 Al, 1-4 W, 0,1-1,5 Si, 0.0001-4 B Rest Ti und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Die Legierung zeichnet sich durch eine verbesserte Warmfestigkeit und Duktilität bei hohen Temperaturen und einen gleichzeitig guten Oxidations- und Korrosionswiderstand aus.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturlegierung für thermische
Maschinen auf der Basis von intermetallischen Verbindungen, welche sich für
Feinguss sowie gerichtete Erstarrung eignen und die konventionellen Nickelbasis-Superlegierungen
ergänzen.
Sie betrifft eine Verbesserung der auf einer intermetallischen Verbindung des
Typs Titanaluminid TiAl basierenden Legierungen mit weiteren die Festigkeit,
Zähigkeit und Dehnbarkeit sowie die Oxidations- und Kriechfestigkeit erhöhenden
Zusätzen.
Intermetallische Verbindungen des Titans mit dem Aluminium haben einige
interessante Eigenschaften, welche sie als Konstruktionswerkstoffe im mittleren
und höheren Temperaturbereich als attraktiv erscheinen lassen. Dazu gehört
unter anderem ihre gegenüber Superlegierungen niedrigere Dichte. Ihrer
technischen Verwertbarkeit in der vorliegenden Form steht aber ihre Sprödigkeit
entgegen. Diese kann durch bestimmte Zusätze verbessert werden.
So wurde z. B. vorgeschlagen, durch Zugabe von alternativ Cr, B, V, Si, Ta sowie
Mn, W, Mo, Nb, Hf bzw. (Ni+Si) einerseits die Sprödigkeit herabzusetzen und
anderseits eine möglichst hohe Festigkeit im interessierenden Temperaturbereich
zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur zu erreichen. Ausserdem
wurde eine ausreichende hohe Oxidationsbeständigkeit angestrebt. Diese Ziele
wurden aber nur teilweise erreicht.
Die Warmfestigkeit der bekannten Aluminide lässt vor allem zu wünschen übrig.
Entsprechend dem vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt dieser Werkstoffe ist
die Festigkeit, insbesondere die Kriechfestigkeit, im oberen Temperaturbereich
ungenügend.
Aus US 3 203 794 ist eine TiAI-Hochtemperaturlegierung mit 37 Gew.-% Al, 1
Gew.-% Zr, Rest Ti bekannt. Der vergleichsweise geringe Zusatz von Zr bedingt,
dass diese Legierung reinem TiAl vergleichbare Eigenschaften aufweist.
Aus EP-A1-0 363 598 geht eine Hochtemperaturlegierung auf der Basis TiAl mit
Zusätzen an Si und Nb hervor, aus EP-A1-0 405 134 dagegen eine
Hochtemperaturlegierung auf der Basis TiAl mit Zusätzen an Si und Cr.
Diese bekannten modifizierten intermetallischen Verbindungen genügen den
technischen Anforderungen aber nicht.
Zwecks Verbesserung der Eigenschaften wurde daher in EP-B1-0 455 005 eine
auf dotierten TiAl basierende Hochtemperaturlegierung angegeben mit folgender
chemischer Zusammensetzung:
Tix ElY Mez Al1-(x+y+z) ,
wobei
El = B, Ge oder Si und Me = Cr, Mn, Nb, Pd, Ta, W, Y, Zr und es gilt:0,46 ≤ x ≤ 0,54,
El = B, Ge oder Si und Me = Cr, Mn, Nb, Pd, Ta, W, Y, Zr und es gilt:
Durch Zulegieren von W, Cr, Mn, Nb, Y, Zr, Pd wird eine Härte- und
Festigkeitssteigerung gegenüber der TiAI-Grundlegierung erzielt. Durch Zugabe
von B wird die Duktilität erhöht. Si erhöht die Oxidationsbeständigkeit. Der
Einsatzbereich dieser modifizierten Titanaluminide erstreckt sich auf
Temperaturen zwischen 600°C und 1000°C.
Eine weitere Verbesserung vor allem der Kriechfestigkeit und der
Oxidationsbeständigkeit wird bei der oben beschriebenen Legierung erreicht,
wenn El jeweils eine Kombination von zwei Elementen aus der Gruppe B, Si und
Ge ist (DE 199 33 633.4).
Die Erfindung versucht, diese bekannte Hochtemperaturlegierung weiter zu
verbessern. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine leichte Legierung mit
verbesserter Warmfestigkeit und Duktilität bei hohen Temperaturen (im Bereich
von 600 bis 1000 °C) und einem guten Oxidations- und Korrosionswiderstand
anzugeben, die sich gut für gerichtete Erstarrung oder für Feinguss eignet und im
wesentlichen aus einer hochschmelzenden intermetallischen Verbindung besteht.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Hochtemperaturlegierung
für ein mechanisch hochbeanspruchtes Bauteil einer thermischen Maschine auf
der Basis von dotiertem TiAl folgende Zusammensetzung (in Atom-%) aufweist:
Kern der Erfindung ist gegenüber den bekannten Legierungen einerseits der
verringerte AI-Gehalt, andererseits die Möglichkeit, einen wesentlich höheren B-Gehalt
zu realisieren.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es durch die Kombination der
genannten Legierungselemente, insbesondere jedoch durch die höheren B-Gehalten
gelingt, einerseits ein sehr feines Korn sowohl bei dünnen als auch
grossen Querschnitten zu erzeugen und somit die Zähigkeit und die
Kriechfestigkeit zu erhöhen, und andererseits einen guten Oxidationswiderstand
zu erzielen. Das Absenken des Al-Gehaltes im Vergleich zum bekannten Stand
der Technik steigert die Festigkeit, begünstigt aber gleichzeitig die
Komvergröberung. Bor stabilisiert dagegen die Korngrenzen, d. h. die höheren
Bor-Gehalte vermindern die Kornvergröberung.
Von Vorteil ist eine Hochtemperaturlegierung mit folgender Zusammensetzung (in
Atom-%):
Besonders vorteilhaft ist eine Hochtemperaturlegierung mit folgender
Zusammensetzung (in Atom-%):
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
- Fig.
- 1 eine Gefügebild einer erfindungsgemässen Legierung L1 mit folgender Zusammensetzung: Al 45 At.%, W 2 At.%, Si 0,4 At.%, B 1,8 At.%, Rest Ti;
- Fig. 2
- eine Gefügebild einer erfindungsgemässen Legierung L2 mit folgender Zusammensetzung: Al 45 At.%, W 2 At.%, Si 0,47 At.%, B 2,5 At.%, Rest Ti;
- Fig. 3
- ein Gefügebild einer erfindungsgemässen Legierung L3 mit folgender Zusammensetzung: Al 45 At.%, W 1,9 At.%, Si 0,46 At.%, B 3,5 At.%, Rest Ti;
- Fig. 4
- ein Gefügebild einer erfindungsgemässen Legierung L4 mit folgender Zusammensetzung: Al 44,9 At.%, W 1,9 At.%, Si 0,46 At.%, B 4 At.%, Rest Ti;
- Fig. 5
- ein Gefügebild einer Vergleichslegierung V1 mit folgender Zusammensetzung: Al 46 At.%, W 2 At.%, Si 0,48 At.%, B 0,7 At.%, Rest Ti;
- Fig. 6
- ein Gefügebild einer Vergleichslegierung V2 mit folgender Zusammensetzung: Al 47 At.%, W 2 At.%, Si 0,5 At.%, Rest Ti;
- Fig. 7
- eine Darstellung der Härte in Abhängigkeit vom Bor-Gehalt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der
Figuren 1 bis 7 näher erläutert.
In einem Lichtbogenofen wurden unter Argon als Schutzgas Legierungen der
nachfolgenden Zusammensetzung (Angaben in At.%) erschmolzen, wobei L1, L2,
L3 und L4 erfindungsgemässe Legierungen und V1 und V2 Vergleichslegierungen
darstellen:
| Legierung | Ti | Al | W | Si | B |
| L1 | Rest | 45 | 2 | 0,40 | 1,8 |
| L2 | Rest | 45 | 2 | 0,47 | 2,5 |
| L2 | Rest | 45 | 1,9 | 0,46 | 3,5 |
| L4 | Rest | 44,9 | 1,9 | 0,46 | 4,0 |
| V1 | Rest | 46 | 2 | 0,48 | 0,7 |
| V2 | Rest | 47 | 2 | 0,50 | 0 |
Als Ausgangsmaterialien dienten die einzelnen Elemente mit einem Reinheitsgrad
von 99,99%. Die Schmelze wurde jeweils zu einem Gussrohling von ca. 50 mm
Durchmesser und ca. 70 mm Höhe abgegossen. Diese Rohlinge wurden unter
Schutzgas wieder aufgeschmolzen und ebenfalls unter Schutzgas zur Erstarrung
in Form von Stäben mit ca. 9 mm Durchmesser und ca. 70 mm Länge
gezwungen. Diese Stäbe wurden einer HIP (HOT ISOSTATIC PRESSING) und
Wärmebehandlung unterzogen und anschliessend zu Zugproben verarbeitet. Die
HIP-Behandlung erfolgte 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 1260 °C und
einem Druck von 172 MPa. Die Wärmebehandlung erfolgte unter Schutzgas bei
folgenden Parametern: 1350 °C/1 h + 1000 °C/6 h.
Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch eine
Optimierung der Wärmebehandlung ist möglich, ebenso wie eine Verbesserung
durch gerichtete Erstarrung, wofür derartige Legierungen besonders geeignet
sind.
Die Zugabe von W führt zu einer Festigkeitssteigerung im Vergleich zu reinen
TiAI-Legierungen, aber zu einem Verlust an Dehnbarkeit. B erhöht die Duktilität
und Si die Oxidationsbeständigkeit.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen die Gefügestruktur der Legierungen L1, L2, L3, L4
sowie V1 und V2.
Das Gefüge der erfindungsgemässen Legierungen L1, L2, L3 und L4 (Fig. 1 bis 4)
ist wesentlich feinkörniger als das Gefüge der Vergleichslegierung V1 (Fig. 5),
welche mit geringeren B-Gehalten legiert ist oder als die Vergleichslegierung VL2,
welche kein Bor enthält.
Fig. 7 zeigt als Diagramm für die erfindungsgemässen Legierungen L1, L2 und L3
sowie die Vergleichslegierungen V1 und V2 die Härtewerte in Abhängigkeit vom
Borgehalt. Dabei zeigen die Legierungen L1, L2 und L3 eine grössere Härte als
die Vergleichslegierungen. Besonders gute Härtewerte erreicht die
erfindungsgemässe Legierung L1 mit 1,8 At.% Bor.
Diese hervorragenden Eigenschaften sind auf die höhere Konzentration des
Legierungselementes B zurückzuführen. Durch die Zugabe von 2 At.% B werden
praktisch die durch das W verursachten Verluste an Dehnbarkeit wettgemacht.
Höhere Zugaben als 4 At.% B sind nicht notwendig.
Der Einsatzbereich der modifizierten Titanaluminide erstreckt sich vorteilhaft auf
einen Temperaturbereich zwischen 600 und 1000 °C.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Claims (3)
- Hochtemperaturlegierung für ein mechanisch hochbeanspruchtes Bauteil einer thermischen Maschine auf der Basis von dotiertem TiAl mit folgender Zusammensetzung (in Atom%):Rest Ti und herstellungsbedingte Verunreinigungen.44,5 bis <46 Al1-4 W0,1-1,5 Si0.0001-4 B.
- Hochtemperaturlegierung nach Anspruch 1 mit folgender Zusammensetzung (in Atom%):Rest Ti und herstellungsbedingte Verunreinigungen.44,5 bis <46 Al1-3 W0,4-1 Si1-4 B
- Hochtemperaturlegierung nach Anspruch 1 mit folgender Zusammensetzung (in Atom%):Rest Ti und herstellungsbedingte Verunreinigung.45 Al2W0,5 Si2B
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