EP2386663A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles und Bauteile aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung - Google Patents
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- EP2386663A1 EP2386663A1 EP11450055A EP11450055A EP2386663A1 EP 2386663 A1 EP2386663 A1 EP 2386663A1 EP 11450055 A EP11450055 A EP 11450055A EP 11450055 A EP11450055 A EP 11450055A EP 2386663 A1 EP2386663 A1 EP 2386663A1
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- B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
Definitions
- the invention relates to a method for producing a component from a titanium-aluminum base alloy.
- the invention relates to a component made of a titanium-aluminum base alloy, produced with dimensions close to the final dimensions.
- Titanium-aluminum base alloys generally have high strength, low density, and good corrosion resistance, and are preferably used as components in gas turbines and aircraft engines.
- Alloys having a composition of: aluminum 40 at.% To 50 at.%, Niobium 3 at.% To 10 at.%, Molybdenum to 4 at.%, And optionally the elements manganese, are suitable for the above fields of application. Boron, silicon, carbon, oxygen and nitrogen in low concentrations as well as titanium as the remainder of interest.
- a schematic diagram ( Fig. 1 ) shows microstructures as a function of the temperature and the aluminum concentration with temperature range information used by the person skilled in the art.
- Prepared the components can be by casting an ingot or powder by H schreib- I sostatisches- P ests (HIPing) of alloyed metal powder as well as by casting an ingot and optionally HIPing thereof followed by extrusion molding and each with a subsequent forging of the ingot or intermediate to a Component, which is subsequently subjected to heat treatments.
- HIPing H prolongation- I sostatisches- P ests
- Titanium-aluminum materials have only a narrow temperature window for a hot forming, although through the alloying elements niobium and molybdenum can be extended, nevertheless, there are limitations with respect to the deformation or forging of the parts. It is known, by slow, isothermal deformation, familiar to those skilled in the art as Isothermschmieden to produce a component at least partially by chipless shaping, but this is associated with great expense.
- a component produced by the above technologies will usually not have a homogeneous microstructure because, on the one hand, a low and unequal recrystallization potential of the slowly isothermally deformed material is given, and / or, on the other hand, a time-consuming diffusion of the atoms of the elements niobium and / or molybdenum are important for a deformability of a material, align themselves with the forming structure and thus can adversely affect the structure.
- a homogenization of the microstructure and thus achieving isotropic, mechanical properties of the material by time-consuming annealing treatments is in principle possible, but requires a lot of effort.
- components made of a titanium-aluminum base alloy are required, which have direction-independent, homogeneous, mechanical properties, the ductility, strength and creep resistance of the material are balanced even at high operating temperatures at a high level.
- the present invention has the object to provide a method by which a component having a homogeneous, fine and uniform microstructure can be produced, which component in balanced form, a ductility, strength and creep resistance of the material in all directions substantially the same has desired, high level and can be economically produced with dimensions close to final dimensions.
- the invention further aims at a component which, in the case of a targeted phase shaping of the microstructure, has the desired mechanical properties, in particular the yield strength R p0 . 2 and strength R m and total elongation A t in Tensile test at room temperature and at a temperature of 700 ° C, having.
- a melt or powder metallurgy produced material requires only compaction by hot isostatic pressing thereof, after which the blank is heated in a second step at an elevated temperature compared to isothermal forging and, as found, advantageously improved hot workability of the material -Massivumformung at a speed greater than 0.4 mm / sec and a compression ratio ⁇ of greater than 0.3 is subjected.
- This rapid massive forming of the blank can, surprisingly for the expert, be carried out at elevated temperature with high forming speed, according to the invention a high minimum deformation and subsequent cooling with high cooling rate for a high, initially frozen Recrystallization potential in the structure are required.
- This recrystallization potential or stored energy resulting from the rapid deformation, which is also formed from the driving force from the chemical phase imbalance, in a third step causes the alloy to undergo a transformation in the region of the eutectoid temperature of the alloy extremely finely-tuned microstructure of the phases GAMMA, BETA 0, ALPHA 2 with ordered at room temperature atomic structure with certain phase proportions, which microstructure serves as a favorable fine-grain starting structure for a subsequent, achievable by heat treatment (s), provided with regard to desired properties of the material structure formation ,
- the starting material has a chemical composition of at.%: al 42 to 44.5 optionally Nb 3.5 to 4.5 Not a word 0.5 to 1.5 Mn to 2.2 B 12:05 to 0.2 Si 0001 to 12:01 C 0001 to 1.0 O 0001 to 0.1 N 0.0001 to 12:02 Titanium and impurities as rest having.
- the supersaturated ALPHA 2 grains and a fine but non-optimized microstructural shape give low material ductility and toughness at high strength values.
- Improved mechanical properties of the material can be achieved by means of a narrowed chemical composition, but the property profile is oriented only to specific uses.
- a choice of annealing time at a post-anneal close to the alpha transus temperature (T ⁇ ) can be made with a view to setting desired phase amounts and grain sizes.
- the ⁇ -phase is generally reduced as the annealing time increases.
- the structural phases After a thermal treatment in the Alpha-Transus area and a forced Cooling, the structural phases essentially have a disordered atomic structure.
- the supersaturated ALPHA 2 grains are converted into a lamellar ALPHA 2 / GAMMA structure without any significant change in grain size.
- a lamellar structure in the formerly supersaturated structural grains greatly improves the creep resistance of the material at high temperatures of around 700 ° C in the temperature range.
- This created with high efficiency of manufacturing component has a fine, globular, homogeneous microstructure with the same property profile in all directions of the material, which is advantageously used for a variety of applications.
- Fig. 1 schematically the microstructures of titanium-aluminum base alloys are shown as a function of the temperature and the aluminum concentration. Furthermore, the temperature data used by the expert can be seen.
- the in the Fig. 2 to Fig. 5 The microstructures shown are from a test series with an alloy Ti, 43.2 at.% Al, 4 at.% Nb, 1 at.% Mo, 0.1 at.% B.
- micrographs were taken at 200X magnification on the scanning electron microscope in electron backscatter contrast.
- a typical directed deformation texture shows as components directed GAMMA-BETA 0 -ALPHA 2 grains.
- Fig. 3 shows the structure of the deformed part after a heat treatment in the region of the eutectioden temperature (T eu ) in the present case at 1150 ° C, followed by a cooling.
- the microstructure consisted of globular ALPHA 2 grains with a particle size (measured as the diameter of the smallest circumscribed circle) of 3.2 ⁇ m ⁇ 1.9 ⁇ m with a volume fraction of approximately 25% from globular BETA 0 grains with a particle size of 3.7 ⁇ m ⁇ 2.1 ⁇ m with a volume fraction of about 26% and globular GAMMA grains with a grain size of 5.7 ⁇ m ⁇ 2.4 ⁇ m with a volume fraction of 49%.
- Fig. 4 is the structure of the deformed and subsequently annealed at 1150 ° C and cooled part after a subsequent annealing in the range of the alpha transus temperature (T ⁇ ) in the given case at a temperature of 1240 ° C and a cooling of this to 700 ° C in 5 min and further cooling in air.
- T ⁇ alpha transus temperature
- microstructural constituents were: ALPHA 2 granules with a particle size of 11.0 ⁇ m ⁇ 5.8 ⁇ m with a volume fraction of 73%, globular BETA 0 grains with a particle size of 4.5 ⁇ m ⁇ 2.6 ⁇ m with a volume fraction of 11% and globular GAMMA grains with a grain size of 4.2 ⁇ m ⁇ 2.2 ⁇ m with a volume fraction of 16%.
- Fig. 5 shows the structure of the deformed part after a fine grain annealing in the eutectoid temperature range (T eu ), a high temperature annealing in ( ⁇ + ⁇ + ⁇ ) phase space or an alpha transus annealing (T ⁇ ) at 1240 ° C and a forced cooling followed by Stabilization annealing in a given case at 875 ° C with subsequent slow cooling at a rate of 2 ° C / min.
- T eu eutectoid temperature range
- T ⁇ + ⁇ + ⁇ phase space
- T ⁇ alpha transus annealing
- microstructure of the microstructure and the property profile of the material can be adjusted by varying the annealing temperature and / or the annealing time.
- the structure consisted of globular ALPHA 2 / GAMMA grains with a lamellar ⁇ / ⁇ structure with a grain size of 7.1 ⁇ m ⁇ 3.8 ⁇ m with a volume fraction of 64% from globular BETA 0 grains with a grain size of 2.3 ⁇ m ⁇ 2.2 ⁇ m with a volume fraction of 13% and of globular GAMMA phases with a grain size of 2.7 ⁇ m ⁇ 2.1 ⁇ m with a volume fraction of 23%.
- a value A p of less than 0.65% was determined in the creep test (ASTME139 or EN2005-5) at a test voltage in the sample of 250 MPa and a stress duration of 100 hours.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung.
- Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung, hergestellt mit endabmessungsnahen Dimensionen.
- Titan-Aluminium-Basislegierungen weisen im Allgemeinen eine hohe Festigkeit, eine geringe Dichte und eine gute Korrosionsbeständigkeit auf und werden bevorzugt als Bauteile in Gasturbinen und Flugtriebwerken eingesetzt.
- Für obige Anwendungsgebiete sind insbesondere Legierungen mit einer Zusammensetzung von: Aluminium 40 At.-% bis 50 At.-%, Niob 3 At.-% bis 10 At.-%, Molybdän bis 4 At.-% sowie optional die Elemente Mangan, Bor, Silicium, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff in geringen Konzentrationen sowie Titan als Rest von Interesse.
- Diese Legierungen erstarren vorzugsweise vollständig über den β-Mischkristall und durchlaufen bei einer nachfolgenden Abkühlung eine Reihe von Phasenumwandlungen. Ein Prinzipschaubild (
Fig. 1 ) zeigt Gefügeausbildungen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Aluminiumkonzentration mit vom Fachmann verwendeten Temperaturbereichsangaben. - Hergestellt können die Bauteile werden durch Gießen eines Blockes oder pulvermetallurgisch durch Heiß-Isostatisches-Pressen (HIPen) von legiertem Metallpulver sowie durch Gießen eines Blockes und gegebenenfalls HIPen desselben mit anschließendem Strangpressen und jeweils mit einem nachfolgenden Schmieden des Blockes oder Zwischenproduktes zu einem Bauteil, welches in der Folge Wärmebehandlungen unterworfen wird.
- Titan-Aluminium-Werkstoffe haben für eine Warmformgebung nur ein schmales Temperaturfenster, welches zwar durch die Legierungselemente Niob und Molybdän erweitert werden kann, trotzdem ergeben sich Limitierungen bezüglich der Verformung bzw. Schmiedung der Teile. Es ist bekannt, durch langsames, isothermes Verformen, dem Fachmann geläufig als Isothermschmieden, ein Bauteil zumindest teilweise durch spanlose Formgebung herzustellen, allerdings ist dies mit hohem Aufwand verbunden.
- Allenfalls wird ein nach obigen Technologien hergestelltes Bauteil zumeist keine homogene Gefügestruktur aufweisen, weil einerseits ein geringes und ungleiches Rekristallisationspotential des langsam isotherm verformten Werkstoffes gegeben ist, und/oder andererseits die einen hohen Zeitaufwand fordernde Diffusion der Atome der Elemente Niob und/oder Molybdän, die für eine Verformbarkeit eines Werkstoffes wichtig sind, sich nach der Umformstruktur ausrichten und derart das Gefüge nachteilig beeinflussen können.
- Eine Homogenisierung der Gefügeausbildung und damit ein Erreichen isotroper, mechanischer Eigenschaften des Werkstoffes durch zeitaufwändige Glühbehandlungen ist zwar grundsätzlich möglich, erfordert allerdings einen hohen Aufwand.
- Für die industrielle Praxis sind Bauteile aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung erforderlich, welche richtungsunabhängig homogene, mechanische Eigenschaften aufweisen, wobei die Duktilität, Festigkeit und Kriechbeständigkeit des Werkstoffes auch bei hohen Einsatztemperaturen ausgewogen auf hohem Niveau vorliegen.
- Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem ein Bauteil mit homogener, feiner und gleichmäßiger Gefügestruktur herstellbar ist, welches Bauteil in ausgewogener Form eine Duktilität, Festigkeit und Kriechbeständigkeit des Werkstoffes in allen Richtungen im Wesentlichen gleich auf gewünschtem, hohen Niveau aufweist und mit endabmessungsnahen Dimensionen wirtschaftlich herstellbar ist.
- Die Erfindung zielt weiters auf ein Bauteil ab, welches bei einer gezielten Phasenausformung des Gefüges gewünschte, mechanische Eigenschaften, insbesondere der Dehngrenze Rp0.2 und Festigkeit Rm sowie Gesamtdehnung At im Zugversuch bei Raumtemperatur und bei einer Temperatur von 700°C, aufweist.
- Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem in einem ersten Schritt ein schmelz- oder pulvermetallurgisch gefertigtes Vormaterial mit einer chemischen Zusammensetzung von in At.-%:
Aluminium (Al) 41 bis 48 wahlweise Niob (Nb) 4 bis 9 Molybdän (Mo) 0.1 bis 3.0 Mangan (Mn) bis 2.4 Bor (B) bis 1.0 Silicium (Si) bis 1.0 Kohlenstoff (C) bis 1.0 Sauerstoff (O) bis 0.5 Stickstoff (N) bis 0.5
hergestellt und dieses Vormaterial bei einer Druckerhöhung auf mindestens 150 MPa bei einer Temperatur von mindestens 1000°C nach einer Durchwärmung während einer Zeitdauer von mindestens 60 min isostatisch zu einem Rohteil gepresst wird, wonach in einem zweiten Schritt das HIP-Rohteil einer Warmformgebung durch eine Schnell-Massivumformung mit einer Geschwindigkeit von größer 0.4 mm/sec und einer Umformung durch Stauchen gemessen als lokale Dehnung ϕ von größer 0.3, wobei ϕ wie folgt definiert ist: - hf = Höhe des Werkstückes nach dem Stauchen
- ho = Höhe des Werkstückes vor dem Stauchen
- Rekristallisationsenergiepotential aufweist, gebildet wird, wonach das Bauteil für ein Einstellen gewünschter Werkstoffeigenschaften in einem dritten Schritt einer Wärmebehandlung unterworfen wird, bei welcher im Bereich der eutektoiden Temperatur der Legierung, insbesondere von 1010°C bis 1180°C in einer Zeitspanne von 30 min bis 1000 min aus dem Verformungsgefüge, aufgrund der gespeicherten Verformungsenergie und der Triebkraft, welche aus dem chemischen Phasenungleichgewicht nach dem Verformen und Abkühlen besteht, eine homogene, feinglobulare Mikrostruktur, bestehend aus den bei Raumtemperatur eine geordnete Atomstruktur aufweisenden Phasen:
- GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ,β0,α2)
- mit einer Ausformung:
- ALPHA2: globular mit einer Korngröße von 1 µm bis 50 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50% die vereinzelte, gröbere γ-Lamellen mit einer Dicke von > 100 nm enthalten können
- BETA0: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%
- GAMMA: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 60%
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vielzahl von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen erreicht.
- Im ersten Schritt des Verfahrens erfordert ein schmelz- oder pulvermetallurgisch hergestelltes Vormaterial lediglich eine Kompaktierung durch heißisostatisches Pressen desselben, wonach das Rohteil in einem zweiten Schritt bei einer gegenüber einem Isothermschmieden erhöhten Temperatur und, wie gefunden wurde, bei einem vorteilhaft verbesserten Warmumformvermögen des Materials einer Schnell-Massivumformung mit einer Geschwindigkeit von größer 0.4 mm/sec und einem Stauchgrad ϕ von größer 0.3 unterzogen wird. Diese Schnell-Massivumformung des Rohteiles kann, für den Fachmann überraschend, bei erhöhter Temperatur mit hoher Umformgeschwindigkeit erfolgen, wobei erfindungsgemäß eine hohe Mindestverformung und eine nachfolgende Abkühlung mit hoher Kühlrate für eine Ausbildung eines hohen, vorerst eingefrorenen Rekristallisierungspotentials im Gefüge erforderlich sind.
- Dieses Rekristallisationspotential bzw. diese gespeicherte aus der Schnell-Verformung resultierende Energie, welches bzw. welche auch aus der Triebkraft aus dem chemischen Phasenungleichgewicht gebildet ist, bewirkt in einem dritten Schritt bei einer Glühung des Werkstoffes im Bereich der eutektoiden Temperatur der Legierung eine Umwandlung in eine äußerst feinglobulare Mikrostruktur aus den Phasen GAMMA, BETA0, ALPHA2 mit bei Raumtemperatur geordneter Atomstruktur mit bestimmten Phasenanteilen, welche Gefügestruktur als günstige Feinkorn-Ausgangsstruktur für eine nachfolgende, durch Wärmebehandlung(en) erreichbare, im Hinblick auf gewünschte Eigenschaften des Werkstoffes vorgesehene Gefügeausformung dient.
- Es kann nach der Erfindung von Vorteil sein, wenn das Vormaterial eine chemische Zusammensetzung von in At.-%:
Al 42 bis 44.5 wahlweise Nb 3.5 bis 4.5 Mo 0.5 bis 1.5 Mn bis 2.2 B 0.05 bis 0.2 Si 0.001 bis 0.01 C 0.001 bis 1.0 O 0.001 bis 0.1 N 0.0001 bis 0.02
aufweist. - Eine derartige, in den Konzentrationen der Elemente eingeschränkte, chemische Zusammensetzung des Werkstoffes kann ein durch die Verfahrensparameter erreichtes, günstiges Verhalten bezüglich der Gefügeum- und -ausbildung intensivieren.
- In einem dritten Schritt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bauteil mit eingeengter, chemischer Zusammensetzung einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche mit einer Zeitspanne von 30 min bis 600 min im Bereich der eutektoiden Temperatur der Legierung, insbesondere von 1040°C bis 1170°C erfolgt, wobei aus dem Verformungsgefüge eine homogene, feinglobulare Mikrostruktur, bestehend aus den bei Raumtemperatur eine geordnete Atomstruktur aufweisenden Phasen:
- GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ,β0,α2)
- mit einer Ausformung:
- ALPHA2: globular mit einer Korngröße von 1 µm bis 10 µm mit einem Volumsanteil von 10% bis 35% die vereinzelte, gröbere γ-Lamellen mit einer Dicke von > 100 nm enthalten können
- BETA0: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 10 µm mit einem Volumsanteil von 15% bis 45%
- GAMMA: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 10 µm mit einem Volumsanteil von 15% bis 60%
- Die Feinkornsausbildung im Werkstoff, geschaffen nach obigem Verfahren, bewirkt zwar bei isotroper Gefügemorphologie eine erhöhte Festigkeit in engeren Grenzen, wobei jedoch die Zähigkeit und die Kriechbeständigkeit des Materials für bestimmte Anwendungsgebiete als nicht ausreichend erachtet werden können. Diese Feinkornstruktur bildet jedoch allenfalls eine Voraussetzung für den Erhalt eines weitgehend feinen, homogenen Gefüges bei weiteren Glühbehandlungen zur Einstellung gewünschter, mechanischer Eigenschaften des Bauteiles.
- Um insbesondere die Hochtemperatureigenschaften des Werkstoffes betreffend eine Verbesserung der Duktilität bzw. eine Erhöhung der Zähigkeit und einer Erhöhung der Kriechbeständigkeit zu erreichen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, das Bauteil mit einer im dritten Schritt geschaffenen Feinkornstruktur zur Einstellung von optimierten Hochtemperaturwerkstoffeigenschaften mindestens einer Folgeglühung zu unterwerfen, welche Folgeglühung im Bereich nahe der Alpha-Transus-Temperatur (Tα) der Legierung im Dreiphasenraum (Alpha, Beta, Gamma) während einer Zeitdauer von mindestens 30 min bis 6000 min erfolgt, wonach das Teil in einer Zeitspanne von weniger als 10 min auf eine Temperatur von 700°C und anschließend weiter, vorzugsweise an Luft, abgekühlt wird und derart eine Phasenausformung:
- ALPHA2: globular übersättigt, gegebenenfalls gering feine γ-Lamellen enthaltend, mit einer Korngröße von 5 µm bis 100 µm mit einem Volumsanteil von 25% bis 98%
- BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%
- GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%
- Insbesondere die übersättigten ALPHA2-Körner und eine zwar feine, jedoch nicht optimierte Gefügeausformung ergeben bei hohen Festigkeitswerten eine niedrige Materialduktilität und Zähigkeit. Durch eine eingeengte, chemische Zusammensetzung sind verbesserte, mechanische Werkstoffeigenschaften erreichbar, jedoch ist das Eigenschaftsprofil nur auf bestimmte Verwendungszwecke ausgerichtet.
- Eine eingeengte, chemische Zusammensetzung des Werkstoffes, wie vorstehend angegeben, kann zwar für ein Erreichen von günstigen Anteilen der Gefügebestandteile mit engeren Abmessungen und engeren Gehaltsgrenzen genutzt werden, wobei sich die daraus ergebenden Vorteile in einer gewissen Präzisierung der mechanischen Eigenschaftswerte niederschlagen; im Wesentlichen werden damit jedoch in höchst vorteilhafter Weise die Voraussetzungen für eine Optimierung des Hochtemperaturverhaltens eines Bauteiles aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung erstellt.
- Eine Wahl der Glühzeit bei einer Folgeglühung nahe der Alpha-Transus-Temperatur (Tα) kann im Hinblick auf eine Einstellung von gewünschten Phasenmengen und der Korngrößen erfolgen. Beispielsweise wird die β-Phase mit zunehmender Glühdauer generell reduziert.
- Nach einer thermischen Behandlung im Alpha-Transus-Gebiet und einer forcierten Abkühlung weisen die Gefügephasen im Wesentlichen eine ungeordnete Atomstruktur auf.
- Wenn beim Herstellungsverfahren das Bauteil nach einer Folgeglühung mindestens einer Stabilisierungsglühung unterworfen wird, welche in einem Temperaturbereich von 700°C bis 1000°C, allenfalls oberhalb der Anwendungstemperatur des Bauteiles mit einer Dauer von 60 min bis 1000 min und einer anschließenden Langsam- bzw. Ofenabkühlung mit einer Geschwindigkeit von weniger als 5°C/min, vorzugsweise von weniger als 1°C/min, zur Einstellung bzw. Ausformung der Gefügebestandteile:
- ALPHA2 / GAMMA: Lamellarkorn mit einer Korngröße von 5 µm bis 100 µm mit einem Volumsanteil von 25% bis 98% mit einer (α2/γ) Lamellen-Feinstruktur vorzugsweise mit einem mittleren Lamellenabstand von 10 nm bis 1 µm
- BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%
- GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%
- Mittels einer Stabilisierungsglühung mit einer Langsamabkühlung, in welcher eine ausreichende Atomdiffusion erhalten bleibt, erfolgt eine Umwandlung der übersättigten ALPHA2-Körner in eine lamellare ALPHA2 / GAMMA-Struktur ohne wesentliche Änderung der Korngröße. Eine Lamellenstruktur in den ehemals übersättigten Gefügekörnern verbessert im hohen Maße die Kriechbeständigkeit des Werkstoffes bei hohen Belastungen im Temperaturbereich um 700°C.
- Das weitere Ziel der Erfindung wird mit einem endabmessungsnahe Dimensionen aufweisenden Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, hergestellt mit einem Gefüge des Werkstoffes, bestehend aus den bei Raumtemperatur eine geordnete Atomstruktur aufweisenden Phasen:
- GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ,β0,α2)
- mit einer Ausformung:
- ALPHA2: globular übersättigt mit einer Korngröße von 1 µm bis 50 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%, die vereinzelte, gröbere γ-Lamellen mit einer Dicke von > 100 nm enthalten können
- BETA0: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%
- GAMMA: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 60%
- ● Festigkeit und Bruchdehnung bei Raumtemperatur:
- o Rp0.2: 650 bis 910 MPa
- o Rm: 680 bis 1010 MPa
- o At: 0.5% bis 3%
- ● Festigkeit und Bruchdehnung bei 700°C:
- o Rp0.2: 520 bis 690 MPa
- o Rm: 620 bis 970 MPa
- o At: 1 % bis 3.5%
- Dieses mit hoher Wirtschaftlichkeit der Herstellung geschaffene Bauteil hat eine feine, globulare, homogene Gefügestruktur mit in allen Richtungen gleichem Eigenschaftsprofil des Werkstoffes, welches für eine Vielzahl von Anwendungszwecken vorteilhaft einsetzbar ist.
- Um eine Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften, insbesondere eine Erhöhung der Kriechbeständigkeit, zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das Bauteil mit einem Gefüge des Werkstoffes aus:
- ALPHA2: globular übersättigt, gegebenenfalls gering feine γ-Lamellen enthaltend, mit einer Korngröße von 5 µm bis 80 µm mit einem Volumsanteil von 50% bis 95%
- BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%
- GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 28%
- ● Festigkeit und Bruchdehnung (nach ASTM E8M, EN 2002-1) bei Raumtemperatur:
- o Rp0.2: 650 bis 940 MPa
- o Rm: 730 bis 1050 MPa
- o At: 0.2% bis 2%
- ● Festigkeit und Bruchdehnung bei 700°C:
- o Rp0.2: 430 bis 620 MPa
- o Rm: 590 bis 940 MPa
- o At: 1 % bis 2.5%
- Ein besonderer Vorteil im Hinblick auf eine Duktilität, Festigkeit und Kriechbeständigkeit des Werkstoffes in allen Richtungen in gleichem Maße auf einem hohen Niveau wird erreicht, wenn das Bauteil mit einem Gefüge des Werkstoffes, bestehend aus den Bestandteilen mit einer Ausformung:
- ALPHA2 / GAMMA: Lamellarkorn mit einer Korngröße von 5 µm bis 100 µm mit einem Volumsanteil von 25% bis 98% mit einer (α2/γ) Lamellen-Feinstruktur vorzugsweise mit einem mittleren Lamellenabstand von 10 nm bis 1 nm
- BETA0: globular, mit einer Korngröße von 0.5 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%
- GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 0.5 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%
- ● Festigkeit und Bruchdehnung (nach ASTM E8M, EN 2002-1) bei Raumtemperatur:
- o Rp0.2: 710 bis 1020 MPa
- o Rm: 800 bis 1250 MPa
- o At: 0.8% bis 4%
- ● Festigkeit und Bruchdehnung bei 700°C:
- o Rp0.2: 540 bis 760 MPa
- o Rm: 630 bis 1140 MPa
- o At: 1 % bis 4.5%
- Im Folgenden soll die Erfindung anhand lediglich eine Legierungszusammensetzung umfassenden Bildern näher erläutert werden.
- Es zeigen:
- Fig.1
- Gefügeausbildung in Abhängigkeit von der Temperatur und der Aluminiumkonzentration mit vom Fachmann verwendeten Temperaturbereichsangaben (Prinzipschaubild)
- Fig. 2
- Gefüge der Ti-Al-Basislegierung nach einer Massivumformung und anschließender Abkühlung
- Fig. 3
- Gefüge der Legierung nach einer Glühung im Bereich der eutektoiden Temperatur (Teu) und Abkühlung
- Fig. 4
- Gefüge der Legierung nach einer Glühung bei Alpha-Transus-Temperatur (Tα)
- Fig. 5
- Gefüge der Legierung nach einer Stabilisierungsglühung
- In
Fig. 1 sind schematisch die Gefügeausformungen von Titan-Aluminium-Basislegierungen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Aluminiumkonzentration dargestellt. Weiters sind die vom Fachmann verwendeten Temperaturangaben ersichtlich. - Die in den
Fig. 2 bis Fig. 5 dargestellten Gefügeausformungen stammen aus einer Versuchsreihe mit einer Legierung Ti, 43.2 At.-% Al, 4 At.-% Nb, 1 At.-% Mo, 0.1 At.-% B. - Diese Legierung hat eine eutektoide Temperatur von Teu 1165°C ± 7°C und eine Alpha-Transus-Temperatur Tα = 1243°C ± 7°C, welche Temperaturen mit der Differentialthermoanalyse bestimmt wurden.
- Die Gefügebilder wurden mit einer 200-fachen Vergrößerung am Rasterelektronenmikroskop im Elektronenrückstreukontrast aufgenommen.
-
Fig. 2 zeigt das Gefüge des Werkstoffes nach einer Verformung in einem Gesenk mit einem Umformgrad von ϕ = 0.7 mit einer Umformgeschwindigkeit von 1.0 mm/sec und einer Abkühlung an Luft. Infolge der Massivumformung weist nach Abkühlung des Teiles dieses eine typische gerichtete Verformungstextur auf und zeigt als Bestandteile gerichtete GAMMA-BETA0-ALPHA2-Körner. -
Fig. 3 zeigt das Gefüge des verformten Teiles nach einer Wärmebehandlung im Bereich der eutektioden Temperatur (Teu) im vorliegenden Fall bei 1150°C, gefolgt von einer Abkühlung. - Das Gefüge bestand aus globularen ALPHA2-Körnern mit einer Korngröße (gemessen als Durchmesser des kleinsten umschreibenden Kreises) von 3.2 µm ± 1.9 µm mit einem Volumsanteil von ca. 25% aus globularen BETA0-Körnern mit einer Korngröße von 3.7 µm ± 2.1 µm mit einem Volumsanteil von ca. 26% und aus globularen GAMMA-Körnern mit einer Korngröße von 5.7 µm ± 2.4 µm mit einem Volumsanteil von 49%.
- In
Fig. 4 ist das Gefüge des verformten und nachfolgend bei 1150°C geglühten und abgekühlten Teiles nach einer Folgeglühung im Bereich der Alpha-Transus-Temperatur (Tα) im gegebenen Fall bei einer Temperatur von 1240°C und einer Abkühlung von dieser auf 700°C in 5 min und weiterer Abkühlung an Luft dargestellt. - Die ermittelten Gefügebestandteile waren: ALPHA2-Körner in globularer Ausformung mit einer Korngröße von 11.0 µm ± 5.8 µm mit einem Volumsanteil von 73%, globulare BETA0-Körner mit einer Korngröße von 4.5 µm ± 2.6 µm mit einem Volumsanteil von 11 % und globulare GAMMA-Körner mit einer Korngröße von 4.2 µm ± 2.2 µm mit einem Volumsanteil von 16%.
-
Fig. 5 zeigt das Gefüge des verformten Teiles nach einer Feinkornglühung im eutektoiden Temperaturbereich (Teu), eine Hochtemperaturglühung im (α+β+γ)-Phasenraum bzw. einer Alpha-Transus-Glühung (Tα) bei 1240°C und einer forcierten Abkühlung gefolgt von einer Stabilisierungsglühung in gegebenem Fall bei 875°C mit anschließender Langsamabkühlung mit einer Geschwindigkeit von 2°C/min. - An dieser Stelle soll festgestellt werden, dass durch Variationen der Glühtemperatur und/oder der Glühzeit die Mikrostruktur des Gefüges und das Eigenschaftsprofil des Werkstoffes einstellbar sind.
- Nach obiger Wärmebehandlung bestand das Gefüge aus globularen ALPHA2/GAMMA-Körnern mit lamellarer α/y-Struktur mit einer Korngröße von 7.1 µm ± 3.8 µm mit einem Volumsanteil von 64% aus globularen BETA0-Körnern mit einer Korngröße von 2.3 µm ± 2.2 µm mit einem Volumsanteil von 13% und aus globularen GAMMA-Phasen mit einer Korngröße von 2.7 µm ± 2.1 µm mit einem Volumsanteil von 23%.
- Wie auch die übrigen Proben von Versuchsreihen wurden an diesem Teil die wichtigsten mechanischen Eigenschaften gemessen. Bei Raumtemperatur lagen die Festigkeitswerte Rp0.2 über 720 MP, Rm über 810 MP und die Bruchdehnung über 1.6%.
- Bei 700°C wurde im Kriechversuch (ASTME139 bzw. EN2005-5) bei einer Prüfspannung in der Probe von 250 MPa und einer Beanspruchungsdauer von 100 Std. ein Wert Ap von kleiner 0.65% ermittelt.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung, bei welchem in einem ersten Schritt ein schmelz- oder pulvermetallurgisch gefertigtes Vormaterial mit einer chemischen Zusammensetzung von in At.-%:
Aluminium (Al) 41 bis 48 wahlweise Niob (Nb) 4 bis 9 Molybdän (Mo) 0.1 bis 3.0 Mangan (Mn) bis 2.4 Bor (B) bis 1.0 Silicium (Si) bis 1.0 Kohlenstoff (C) bis 1.0 Sauerstoff (O) bis 0.5 Stickstoff (N) bis 0.5
hergestellt und dieses Vormaterial bei einer Druckerhöhung auf mindestens 150 MPa bei einer Temperatur von mindestens 1000°C nach Durchwärmung während einer Zeitdauer von mindestens 60 min isostatisch zu einem Rohteil gepresst wird, wonach in einem zweiten Schritt das HIP-Rohteil einer Warmformgebung durch eine Schnell-Massivumformung mit einer Geschwindigkeit von größer 0.4 mm/sec und einer Umformung durch Stauchen gemessen als lokale Dehnung ϕ von größer 0.3, wobei ϕ wie folgt definiert ist:hf = Höhe des Werkstückes nach dem Stauchenho = Höhe des Werkstückes vor dem Stauchenoder einem anderen Umformverfahren mit gleich hoher Mindestverformung, insbesondere durch Schmieden bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1350°C unter Ausformung eines Bauteiles mit einer nachfolgenden Abkühlung desselben, wobei die Zeitspanne bis zum Erreichen einer Temperatur von 700°C höchstens 10 min beträgt, unterworfen wird, wobei ein Gefüge, welches nur in geringen Teilbereichen dynamisch erholt oder rekristallisiert sein kann, im Wesentlichen jedoch ein Verformungsgefüge mit hohem Rekristallisationsenergiepotential aufweist, gebildet wird, wonach das Bauteil für ein Einstellen gewünschter Werkstoffeigenschaften in einem dritten Schritt einer Wärmebehandlung unterworfen wird, bei welcher im Bereich der eutektoiden Temperatur (Teu) der Legierung, insbesondere von 1010°C bis 1180°C in einer Zeitspanne von 30 min bis 1000 min aus dem Verformungsgefüge, aufgrund der gespeicherten Verformungsenergie und der Triebkraft zur Gefügeumbildung, welche aus dem chemischen Phasenungleichgewicht nach dem Verformen und Abkühlen besteht, nach einem Abkühlen an Luft eine homogene, feinglobulare Mikrostruktur, gebildet aus den bei Raumtemperatur eine geordnete Atomstruktur aufweisenden Phasen:GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ,β0,α2)mit einer Ausformung:ALPHA2: globular mit einer Korngröße von 1 µm bis 50 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%, die vereinzelte, gröbere γ-Lamellen mit einer Dicke von > 100 nm enthalten könnenBETA0: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%GAMMA: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%gebildet werden, und in einem nachgeordneten Schritt wahlweise mindestens eine weitere Wärmebehandlung, insbesondere Folgeglühung und/oder Stabilisierungsglühung des Bauteiles, erfolgt (erfolgen). - Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Vormaterial eine chemische Zusammensetzung von in At.-%:
Al 42 bis 44.5 wahlweise Nb 3.5 bis 4.5 Mo 0.5 bis 1.5 Mn bis 2.2 B 0.05 bis 0.2 Si 0.001 bis 0.01 C 0.001 bis 1.0 O 0.001 bis 0.1 N 0.0001 bis 0.02
aufweist. - Verfahren nach Anspruch 2, wonach das Bauteil für ein Einstellen gewünschter Werkstoffeigenschaften in einem dritten Schritt einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche mit einer Zeitspanne von 30 min bis 600 min im Bereich der eutektoiden Temperatur (Teu) der Legierung, insbesondere von 1040°C bis 1170°C erfolgt, wobei aus dem Verformungsgefüge nach einem Abkühlen an Luft eine homogene, feinglobulare Mikrostruktur, bestehend aus den bei Raumtemperatur eine geordnete Atomstruktur aufweisenden Phasen:GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ,β0,α2)mit einer Ausformung:gebildet wird, und wahlweise in einem nachgeordneten Schritt mindestens eine weitere Wärmebehandlung, insbesondere Folgeglühung und/oder Stabilisierungsglühung des Bauteiles, erfolgt (erfolgen).ALPHA2: globular mit einer Korngröße von 1 µm bis 10 µm mit einem Volumsanteil von 10% bis 35% die vereinzelte, gröbere γ-Lamellen mit einer Dicke von > 100 nm enthalten könnenBETA0: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 pm bis 10 µm mit einem Volumsanteil von 15% bis 45%GAMMA: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 10 µm mit einem Volumsanteil von 15% bis 60%
- Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bauteil mit einer im dritten Schritt geschaffenen Feinstruktur zur Einstellung von optimierten Hochtemperaturwerkstoffeigenschaften mindestens einer Folgeglühung unterworfen wird, welche im Bereich nahe der Alpha-Transus-Temperatur (Tα) der Legierung im Dreiphasenraum (Alpha, Beta, Gamma) während einer Zeitdauer von mindestens 30 min bis MAX 6000 min erfolgt, wonach das Teil in einer Zeitspanne von weniger als 10 min auf eine Temperatur von 700°C und anschließend weiter vorzugsweise an Luft abgekühlt wird und derart eine Phasenausformung:ALPHA2: globular übersättigt, gegebenenfalls gering feine γ-Lamellen enthaltend, mit einer Korngröße von 5 µm bis 100 µm mit einem Volumsanteil von 25% bis 98%BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%gebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Bauteil mit einer im dritten Schritt geschaffenen Feinstruktur zur Einstellung von optimierten Hochtemperaturwerkstoffeigenschaften mindestens einer Folgeglühung unterworfen wird, welche im Bereich nahe der Alpha-Transus-Temperatur (Tα) der Legierung im Dreiphasenraum (Alpha, Beta, Gamma) während einer Zeitdauer von mindestens 30 min bis MAX 6000 min erfolgt, wonach das Teil in einer Zeitspanne von weniger als 10 min auf eine Temperatur von 700°C und anschließend weiter, vorzugsweise an Luft, abgekühlt wird und derart eine Phasenausformung:ALPHA2: globular übersättigt, gegebenenfalls gering feine γ-Lamellen enthaltend, mit einer Korngröße von 5 µm bis 80 µm mit einem Volumsanteil von 50% bis 98%BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 28%.gebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Bauteil nach einer Folgeglühung gemäß Anspruch 4 mindestens einer Stabilisierungsglühung unterworfen wird, welche in einem Temperaturbereich von 700°C bis 1000°C, allenfalls oberhalb der Anwendungstemperatur des Bauteiles mit einer Dauer von 60 min bis 1000 min und einer anschließenden Langsam- bzw. Ofenabkühlung mit einer Geschwindigkeit von weniger als 5°C/min, vorzugsweise von weniger als 1 °C/min, zur Einstellung bzw. Ausformung der Gefügebestandteile:ALPHA2 / GAMMA: Lamellarkorn mit einer Korngröße von 5 µm bis 100 µm mit einem Volumsanteil von 25% bis 98% mit einer (α2/γ) Lamellen-Feinstruktur vorzugsweise mit einem mittleren Lamellenabstand von 10 nm bis 1 µmBETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Bauteil nach einer Folgeglühung gemäß Anspruch 5 mindestens einer Stabilisierungsglühung unterworfen wird, welche in einem Temperaturbereich von 700°C bis 1000°C, allenfalls oberhalb der Anwendungstemperatur des Bauteiles mit einer Dauer von 60 min bis 1000 min und einer anschließenden Langsam- bzw. Ofenabkühlung mit einer Geschwindigkeit von weniger als 5°C/min, vorzugsweise von weniger als 1 °C/min, zur Einstellung bzw. Ausformung der Gefügebestandteile:ALPHA2 / GAMMA: Lamellarkorn mit einer Korngröße von 5 µm bis 80 µm mit (α2/γ) Lamellen-Feinstruktur vorzugsweise, mit einem mittleren Lamellenabstand von 10 nm bis 30 nm, und mit einem Volumsanteil von 45% bis 90%BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%erfolgt.
- Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, hergestellt mit endabmessungsnahen Dimensionen, vorzugsweise mit einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, mit einem Gefüge des Werkstoffes, bestehend aus den bei Raumtemperatur eine geordnete Atomstruktur aufweisenden Phasen:GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ,β0,α2)mit einer Ausformung:eingestellt, vorzugsweise mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei das Material folgende, mechanische Eigenschaften im Bereich von:ALPHA2: globular mit einer Korngröße von 1 µm bis 50 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%, die vereinzelte, gröbere γ-Lamellen mit einer Dicke von > 100 nm enthalten könnenBETA0: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%GAMMA: globular die α2-Phase umgebend, mit einer Korngröße von 1 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 60%● Festigkeit und Bruchdehnung bei Raumtemperatur:o Rp0.2: 650 bis 910 MPao Rm: 680 bis 1010 MPao At: 0.5% bis 3%● Festigkeit und Bruchdehnung bei 700°C:aufweist.o Rp0.2: 520 bis 690 MPao Rm: 620 bis 970 MPao At: 1 % bis 3.5%
- Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, hergestellt mit endabmessungsnahen Dimensionen, mit einem Gefüge des Werkstoffes bestehend aus:ALPHA2: globular übersättigt, gegebenenfalls gering feine γ-Lamellen enthaltend, mit einer Korngröße von 5 µm bis 80 µm mit einem Volumsanteil von 50% bis 95%BETA0: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 1 µm bis 20 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 28%vorzugsweise eingestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Material folgende, mechanische Eigenschaften im Bereich von:● Festigkeit und Bruchdehnung (nach ASTM E8M, EN 2002-1) bei Raumtemperatur:o Rp0.2: 650 bis 940 MPao Rm: 730 bis 1050 MPao At: 0.2% bis 2%● Festigkeit und Bruchdehnung bei 700°C:aufweist.o Rp0.2: 430 bis 620 MPao Rm: 590 bis 940 MPao At: 1 % bis 2.5%
- Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Basislegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, hergestellt mit abmessungsnahen Dimensionen, mit einem Gefüge des Werkstoffes, bestehend aus den Bestandteilen mit einer Ausformung:ALPHA2 / GAMMA: Lamellarkorn mit einer Korngröße von 5 µm bis 100 µm mit einem Volumsanteil von 25% bis 98% mit einer (α2/γ) Lamellen-Feinstruktur vorzugsweise mit einem mittleren Lamellenabstand von 10 nm bis 1 nmBETA0: globular, mit einer Korngröße von 0.5 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 25%GAMMA: globular, mit einer Korngröße von 0.5 µm bis 25 µm mit einem Volumsanteil von 1 % bis 50%vorzugsweise eingestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Material folgende, mechanische Eigenschaften im Bereich von:● Festigkeit und Bruchdehnung (nach ASTM E8M, EN 2002-1) bei Raumtemperatur:o Rp0.2: 710 bis 1020 MPao Rm: 800 bis 1250 MPao At: 0.8% bis 4%● Festigkeit und Bruchdehnung bei 700°C:aufweist.o Rp0.2: 540 bis 760 MPao Rm: 630 bis 1140 MPao At: 1 % bis 4.5%
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