EP3269838A1

EP3269838A1 - High temperature resistant tial alloy and method for production thereof, and component from a corresponding tial alloy

Info

Publication number: EP3269838A1
Application number: EP16178936.7A
Authority: EP
Inventors: Wilfried Dr. Smarsly; Martin Dr. Schloffer; Helmut Dr. Clemens; Thomas Klein
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2036-07-12
Also published as: EP3269838B1; US10590520B2; ES2891724T3; US20180016668A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl - Legierung sowie eine entsprechende TiAl - Legierung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Auswahl einer TiAl - Legierung, die neben den Hauptlegierungsbestandteilen Titan und Aluminium wenigstens Niob, Molybdän, und Silizium umfasst und die bei der zu wählenden chemischen Zusammensetzung der TiAl - Legierung in einem ± - Phasen - Temperaturbereich im Wesentlichen in der ± - Ti - Phase mit Siliziden vorliegt, - Erschmelzen der TiAl - Legierung, - Gießen der TiAl - Legierung zu einem Halbzeug oder Verdüsen der TiAl - Legierung zu Pulver, - Ausscheidungsstabilisierung des Halbzeugs oder eines aus dem Halbzeug oder dem Pulver hergestellten Vorprodukts durch Abkühlen des Halbzeugs oder des Voiprodukts von einer Silizidstarttemperatur in der Weise, dass sich Silizide ausscheiden, - Wärmebehandlung des ausscheidungsstabilisierten Halbzeugs oder Vorprodukts in dem ± - Phasen - Temperaturbereich für 0,5 bis 2 Stunden und Abkühlen, sodass sich globulare Kolonien (1) aus Lamellen aus ± 2 - Ti 3 Al (2) und y - TiAl (3) sowie Silizidausscheidungen (4) bilden.The present invention relates to a method for producing a component from a TiAl alloy and to a corresponding TiAl alloy, the method comprising the following steps: Selection of a TiAl alloy comprising not only the main alloy constituents titanium and aluminum but also at least niobium, molybdenum and silicon and, in the case of the chemical composition of the TiAl alloy to be selected, in a ± phase temperature range substantially in the ± Ti phase with silicides, Melting the TiAl alloy, Casting the TiAl alloy into a semifinished product or atomizing the TiAl alloy into powder, Precipitation stabilization of the semifinished product or a precursor produced from the semifinished product or the powder by cooling the semifinished product or the Voiprodukts from a Silizidstarttemperatur in such a way that secrete silicides, Heat treatment of the precipitation stabilized semifinished product or precursor in the ± phase temperature range for 0.5 to 2 hours and cooling so that globular colonies (1) of lamellae of ± 2 - Ti 3 Al (2) and y - TiAl (3) and form silicide precipitates (4).

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION FIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochwarmfeste TiAl - Legierung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer derartigen TiAl - Legierung sowie ein entsprechendes Bauteil.The invention relates to a highly heat - resistant TiAl alloy and to a method for producing a component from such a TiAl alloy and to a corresponding component.

STATE OF THE ART

TiAl - Legierungen, die als Hauptbestandteile - also als chemische Elemente mit den höchsten Anteilen in der Zusammensetzung - Titan und Aluminium aufweisen, werden aufgrund ihres niedrigen spezifischen Gewichts und ihren guten Festigkeitseigenschaften, insbesondere Hochtemperaturfestigkeitseigenschaften als Werkstoffe für bewegte Teile in Motoren und Gasturbinen, z.B. als Laufschaufeln, eingesetzt. Ein Beispiel für eine TiAl - Legierung und ihren Einsatz in Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerken, ist in der WO 2009/052792 A2 gegeben, die einen TiAl - Werkstoff für ein Gasturbinenabbauteil beschreibt, welcher 42 bis 45 at.% Aluminium, 3bis 8 at.% Niob, 0,2 bis 0,3 at.% Molybdän und/oder Mangan, 0,1 bis 1 at.% Bor und/oder Kohlenstoff und/oder Silizium sowie Rest Titan umfasst. Diese Legierung wird bei der Herstellung so eingestellt, dass der Werkstoff bei Raumtemperatur β - Ti - Phase und/oder B2 - Ti - Phase aufweist, die beide nachfolgend kurz als β - Phase bezeichnet werden sollen. Die β - Phase dient hierbei dazu, bei hohen Temperaturen, bei denen in TiAl - Legierungen mit entsprechend hohem Aluminiumteil ein wesentlicher Teil des Werkstoffs als α - Ti - Phase mit hoher Aluminiumlöslichkeit vorliegen kann, eine Vergröberung der α - Ti - Körner zu vermeiden, um ein für die Duktilität und Kriechfestigkeit des Werkstoffs günstiges homogenes Gefüge mit geleichmäßigen, nicht zu groben Gefügestrukturen zu erreichen. Die β - Phase stabilisiert hierbei die Korngrenzen der α - Ti - Körner und wirkt so einer Vergröberung entgegen.TiAl alloys, which comprise titanium and aluminum as the main constituents - that is to say as chemical elements with the highest proportions in the composition - are used as materials for moving parts in engines and gas turbines, for example as a result of their low specific weight and good strength properties, in particular high-temperature strength properties Blades, used. An example of a TiAl alloy and its use in turbomachines, such as aircraft engines, is in WO 2009/052792 A2 which describes a TiAl material for a gas turbine engine component which contains 42 to 45 at.% aluminum, 3 to 8 at.% niobium, 0.2 to 0.3 at.% molybdenum and / or manganese, 0.1 to 1 at .% Boron and / or carbon and / or silicon and the balance titanium. During production, this alloy is adjusted such that the material has β-Ti phase and / or B2-Ti phase at room temperature, both of which are referred to below as β-phase. In this case, the β phase serves to avoid coarsening of the α-Ti grains at high temperatures at which, in high TiAl alloys with a correspondingly high aluminum content, a substantial part of the material may be present as α-Ti phase with high aluminum solubility. to achieve a favorable for the ductility and creep strength of the material homogeneous structure with equal, not too coarse microstructures. The β phase stabilizes the grain boundaries of the α - Ti grains and counteracts coarsening.

Allerdings weisen derartige TiAl - Legierungen immer noch Defizite hinsichtlich der Kriechbeständigkeit auf, so dass insbesondere in dieser Hinsicht Verbesserungsbedarf besteht.However, such TiAl alloys still have deficiencies in creep resistance, so there is a need for improvement, especially in this respect.

DISCLOSURE OF THE INVENTION OBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine TiAl - Legierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl - Legierung und ein entsprechendes Bauteil bereitzustellen, wobei die TiAl - Legierung und die daraus hergestellten Bauteile ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil mit ausreichender Festigkeit, Duktilität und insbesondere Kriechbeständigkeit aufweisen sollen.It is therefore an object of the present invention to provide a TiAl alloy and a method for producing a component from a TiAl alloy and a corresponding component, wherein the TiAl alloy and the components produced therefrom have a balanced property profile with sufficient strength, ductility and in particular creep resistance should have.

TECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer TiAl - Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl - Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie einem Bauteil aus einer TiAl - Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved with a TiAl alloy having the features of claim 1, a method for producing a component from a TiAl alloy having the features of claim 6 and a component made from a TiAl alloy having the features of claim 13. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schlägt zur Verbesserung der Kriechbeständigkeit von TiAl - Legierungen bzw. daraus hergestellter Bauteile insbesondere für Strömungsmaschinen, wie Gastrubinen und Flugtriebwerke vor, auf die β - Phase zur Behinderung des Kornwachstums von α - Ti - Körnern bei hohen Temperaturen im Wesentlichen zu verzichten und das Wachstum der α - Ti - Körner bei hohen Temperaturen durch die Ausscheidung von Siliziden zu behindern. Der Begriff "im Wesentlichen auf die β - Phase verzichten" bzw. "im Wesentlichen keine β - Phase" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die β - Phase in der fertigen Legierung weniger als 5 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 2 Vol.-% und weiter bevorzugt 0 Vol.-% ausmacht. Durch die Vermeidung der β - Phase bzw. die Beschränkung der β - Phase auf minimale Anteile im Gefüge kann die Kriechbeständigkeit verbessert werden, wobei gleichzeitig weiterhin ein homogenes Gefüge mit feinen Strukturen erzielt werden kann. Hierzu schlägt die Erfindung vor, eine TiAl - Legierung auszuwählen, die neben den Hauptlegierungsbestandteilen Titan und Aluminium wenigstens Niob, Molybdän und Silizium aufweist, wobei Silizium zur Bildung der Silizide vorgesehen ist, die das Kornwachstum der α - Ti - Körner bei entsprechend hohen Temperaturen behindern sollen, um eine Vergröberung der Mikrostruktur entgegenzuwirken. Die TiAl - Legierung soll so ausgewählt werden, dass bei der gewählten chemischen Zusammensetzung der TiAl - Legierung ein α - Phasen - Temperaturbereich gegeben ist, in dessen Temperaturbereich im Wesentlichen α - Ti - Phase mit Siliziden vorliegt. Eine entsprechende TiAl - Legierung, die in einem bestimmten Temperaturintervall für die gegebene chemische Zusammensetzung im Wesentlichen in der Form des α - Ti vorliegt, kann durch Simulationserrechnungen mit entsprechenden Simulationsprogrammen, die eine Vielzahl von thermodynamischen Daten berücksichtigen, und/oder durch die Herstellung von entsprechenden Testschmelzen bzw. Testlegierungen und metallographische Untersuchung der Testlegierungen ermittelt werden.To improve the creep resistance of TiAl alloys or components produced therefrom, in particular for turbomachines, such as gas turbines and aircraft engines, the invention proposes essentially to dispense with the β - phase for inhibiting the grain growth of α - Ti grains at high temperatures, and that Growth of α - Ti grains at high temperatures due to the precipitation of silicides to hinder. The term "essentially dispensing with the β phase" or "substantially no β phase" in this context means that the β phase in the finished alloy is less than 5% by volume, preferably less than 2% by volume. % and more preferably 0 vol.%. By avoiding the β-phase or the restriction of the β-phase to minimum fractions in the microstructure, the creep resistance can be improved, while at the same time a homogeneous microstructure with fine structures can continue to be achieved. For this purpose, the invention proposes to select a TiAl alloy which, in addition to the main alloy constituents titanium and aluminum, has at least niobium, molybdenum and silicon, wherein silicon is provided for forming the silicides which hinder the grain growth of the α-Ti grains at correspondingly high temperatures to counteract a coarsening of the microstructure. The TiAl alloy should be selected such that the selected chemical composition of the TiAl alloy is given an α-phase temperature range in the temperature range of which there is essentially α-Ti phase with silicides. A corresponding TiAl alloy, which is substantially in the form of the α-Ti for a given temperature range for the given chemical composition, can be obtained by simulation calculations with corresponding simulation programs which take into account a multiplicity of thermodynamic data and / or by the production of corresponding Test melts or test alloys and metallographic examination of the test alloys are determined.

Wenn eine entsprechende TiAl - Legierung mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung ausgewählt worden ist, die einen α - Phasen - Temperaturbereich aufweist, in dem die entsprechende TiAl - Legierung im Wesentlichen einphasig als α - Ti - Phase vorliegt, wobei lediglich Silizide zusätzlich in dem Temperaturbereich vorliegen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine derartige TiAl - Legierung mit der gewählten chemischen Zusammensetzung erschmolzen und anschießend in einem weiteren Schritt zu einem Halbzeug gegossen oder zu TiAl - Pulver verdüst, wobei das Halbzeug bereits ein endkonturnahes Zwischenprodukt oder ein Ausgangsprodukt für eine weitere Umformung zu einem Vorprodukt sein kann. Beispielsweise kann das gegossene Halbzeug durch Schmieden zu einem Vorprodukt umgeformt werden. Das TiAl - Pulver kann zur weiteren Verarbeitung in pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren, wie generativen Fertigungsverfahren eingesetzt oder durch heißisostatisches Pressen (HIP) oder dergleichen verdichtet, zusammengefügt und/oder verformt werden, um ebenfalls ein Vorprodukt zu schaffen.If a corresponding TiAl alloy having a specific chemical composition has been selected which has an α-phase temperature range in which the corresponding TiAl alloy is substantially single-phase as α-Ti phase, with only silicides being additionally present in the temperature range In the method according to the invention, such a TiAl alloy having the selected chemical composition is melted and then cast in a further step into a semifinished product or atomized into TiAl powder, wherein the semifinished product already has an intermediate near-net shape or a starting product for further transformation to a Can be precursor. For example, the cast semi-finished product can be formed by forging to a precursor. The TiAl powder may be used for further processing in powder metallurgy manufacturing processes, such as generative manufacturing processes, or densified, joined, and / or deformed by hot isostatic pressing (HIP) or the like, to also provide a precursor.

Nachfolgend wird das gegossene Halbzeug oder ein aus dem Halbzeug oder aus dem TiAl - Pulver hergestelltes Vorprodukt so von einer Silizidstarttemperatur abgekühlt, sodass sich Silizide ausscheiden können, um eine Ausscheidungsstabilisierung vorzunehmen. Die Abkühlung von der Silizidstarttemperatur kann beispielsweise direkt nach dem Gießen des Halbzeugs beim Abkühlen des Gussstücks erfolgen oder, falls das Halbzeug nach dem Gießen durch Warmumformen zu einem Vorprodukt ungeformt wird, durch Abkühlen von der Umformungstemperatur. Weiterhin kann das Vorprodukt nach seiner Herstellung auf eine Silizidstarttemperatur erwärmt werden und das Vorprodukt von der Silizidstarttemperatur in der Weise abgekühlt werden, dass sich die gewünschten Silizide ausscheiden. Wird die TiAl - Legierung als Pulver zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Bauteils verwendet, beispielsweise zur additiven Fertigung eines Bauteils durch lageweises Abscheiden der Pulverpartikel oder durch vakuumdichtes Verkapseln und Fügen des Pulvers durch heißisostatisches Pressen zu einem Vorprodukt, kann das durch das Pulver erzeugte Vorprodukt ebenfalls auf eine Silizidstarttemperatur gebracht und von dieser in der Weise abgekühlt werden, dass Silizide ausgeschieden werden können. Auch bei der pulvermetallurgischen Herstellung kann das Vorprodukt von einer bei der Herstellung bereits vorliegenden Temperatur, wie beispielsweise der HIP - Temperatur so abgekühlt werden, dass eine Silizidausscheidung erfolgt. In diesem Fall ist also die HIP - Temperatur die Silizidstarttemperatur. Um eine Ausscheidung der Silizide zu ermöglichen, muss die Abkühlung von der Silizidstarttemperatur ausreichend langsam erfolgen, um die Möglichkeit zur Ausscheidung der Silizide zu geben.Subsequently, the cast semifinished product or a precursor made from the semifinished product or from the TiAl powder is thus cooled from a Silizidstarttemperatur so that silicides can precipitate to make a precipitation stabilization. The cooling from the Silizidstarttemperatur can, for example, directly after the casting of the semifinished product during cooling of the casting take place or, if the semifinished product is molded after casting by hot forming into a precursor by cooling from the forming temperature. Furthermore, after its preparation, the precursor may be heated to a silicide start temperature and the precursor cooled from the silicide start temperature such that the desired silicides precipitate. If the TiAl alloy is used as a powder for the powder metallurgical production of a component, for example for the additive production of a component by layerwise deposition of the powder particles or by vacuum-tight encapsulation and joining of the powder by hot isostatic pressing to form a precursor, this can be achieved by the Powder-produced precursor can also be brought to a Silizidstarttemperatur and cooled by this in such a way that silicides can be eliminated. Also in the production of powder metallurgy, the precursor can be cooled from a temperature which is already present during the production, such as, for example, the HIP temperature, in such a way that silicide precipitation takes place. In this case, the HIP temperature is the silicide start temperature. In order to allow precipitation of the silicides, the cooling from the silicide start temperature must be sufficiently slow to give the opportunity to precipitate the silicides.

Anschließend wird in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Wärmebehandlung des ausscheidungsstabilisierten Halbzeugs oder Vorprodukts in dem α - Phasen - Temperaturbereich durchgeführt, in dem das Halbzeug oder Vorprodukt im Wesentlichen als α - Ti - Phase mit ausgeschiedenen Siliziden vorliegt, wobei die Silizide einer Vergröberung der α - Ti - Körner entgegenwirken. Während dieses Schrittes löst sich vorhandene β - Phase weitgehend oder vollständig auf. Die Wärmebehandlung in dem α - Phasen - Temperaturbereich kann für eine Zeitdauer von 0,5 bis 2 Stunden, insbesondere von 0,5 bis 1 Stunde erfolgen, wobei das Abkühlen so erfolgt, dass sich aus den α - Ti - Körnern globulare Kolonien aus Lamellen aus α₂ - Ti₃Al und γ - TiAl bilden, wobei die zuvor bei der Ausscheidungsstabilisierung des Werkstoffs erzeugten Silizidausscheidungen zusätzlich vorliegen. Damit ist eine Mikrostruktur gegeben, die ein hervorragendes, ausgewogenes Eigenschaftsprofil mit einer verbesserten Kriechbeständigkeit aufweist.Subsequently, in a further step of the method according to the invention, a heat treatment of the precipitation-stabilized semifinished product or precursor is carried out in the α-phase temperature range, in which the semifinished product or precursor is present essentially as α-Ti phase with precipitated silicides, the silicides having a coarsening of the α - Ti - counteract grains. During this step, existing β-phase largely or completely dissolves. The heat treatment in the α-phase temperature range can be carried out for a period of 0.5 to 2 hours, in particular from 0.5 to 1 hour, wherein the cooling takes place so that from the α-Ti grains globular colonies of lamellae form α ₂ - Ti ₃ Al and γ - TiAl, the silicidally precipitates previously produced during the precipitation stabilization of the material additionally being present. This provides a microstructure that has an excellent, balanced property profile with improved creep resistance.

Die Silizidstarttemperatur, auf die ein Halbzeug nach dem Gießen oder ein nach dem Gießen umgeformtes Vorprodukt oder ein durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestelltes Vorprodukt während der Ausscheidungsstabilisierung der TiAl - Legierung erwärmt wird, kann bei einer Temperatur über einer Silizidauflösungstemperatur des Werkstoffs liegen, so dass bei der Silizidstarttemperatur das Silizium weitgehend in Lösung ist, um dann beim Abkühlen des Halbzeugs oder Vorproduktes eine homogene Ausscheidung der Silizide zu ermöglichen.-Liegen beispielsweise grobe Silizide durch den Gussprozess vor, können diese durch die Lösungsglühung bei der Silizidstarttemperatur oberhalb einer Silzidauflösungstemperatur aufgelöst werden. Das dadurch vergröberte Gefüge kann durch Schmieden gefeint werden, wobei durch gezieltes Abkühlen von der Schmiedetemperatur feine Silizide ausgeschieden werden können. Allerdings kann die Silizidstarttemperatur auch unterhalb einer Silizidauflösungstemperatur liegen, wenn die Silizidstarttemperatur die Temperatur bei einer Umformung oder Kompaktierung eines Halbzeugs oder eines Vorprodukts ist. Beispielsweise kann beim Konsolidieren des Pulvers durch HIPen oder beim Nachverdichten eines pulvermetallurgisch aufgebauten Vorprodukts durch HIPen eine Temperatur deutlich unterhalb der Silizidauflösungstemperatur eingestellt werden, so dass sich Silizide bilden können.The silicide start temperature to which a post-casting or post-cast precursor or precursor produced by a powder metallurgy process is heated during precipitation stabilization of the TiAl alloy may be at a temperature above a silicide dissolution temperature of the material Silizidstarttemperatur the silicon is largely in solution, then to allow the cooling of the semifinished product or precursor a homogeneous precipitation of silicides.-For example, if coarse silicides through the casting process, these can be resolved by the solution annealing at the Silizidstarttemperatur above a Silzidauflösungstemperatur. The microstructure coarsened in this way can be softened by forging, whereby fine silicides can be eliminated by deliberate cooling from the forging temperature. However, the silicide start temperature may also be below a silicide dissolution temperature if the silicide start temperature is the temperature during a forming or compaction of a semifinished product or precursor. For example, in the case of powder consolidation by HIPing or by re-compaction of a powder-metallurgically structured precursor by HIPing a temperature can be set well below the Silizidauflösungstemperatur so that silicides can form.

Entsprechend kann der α - Phasen - Temperaturbereich, in dem die anschließende Wärmebehandlung des auscheidungsstabilisierten Halbzeugs oder Vorprodukts durchgeführt wird, unterhalb einer Silizidauflösungstemperatur der TiAl - Legierung und oberhalb einer γ - Solvus-Temperatur, bei der die gesamte γ - TiAl - Phase in α - Ti - Phase in Lösung geht, liegen, so dass sichergestellt ist, dass im α - Phasen - Temperaturbereich bis auf die vorhandenen Silizide im Wesentlichen ausschließlich α - Ti - Phase vorliegt. Insbesondere kann der Anteil der α - Ti - Phase im α - Phasen - Temperaturbereich im Bereich von 95 vol.% oder mehr, insbesondere 98 vol.% oder mehr liegen.Accordingly, the α-phase temperature range in which the subsequent heat treatment of the precipitation-stabilized semifinished product or precursor is carried out may be below a silicide dissolution temperature of the TiAl alloy and above a γ-solvus temperature at which the entire γ-TiAl phase in α- Ti phase goes into solution, so that it is ensured that there is essentially only α-Ti phase in the α-phase temperature range except for the existing silicides. In particular, the proportion of the α-Ti phase in the α-phase temperature range can be in the range of 95% by volume or more, in particular 98% by volume or more.

Eine entsprechende TiAl - Legierung, die einen geeigneten α - Phasen - Temperaturbereich mit einer ausreichend hohen Silizidauflösungstemperatur und einer wenigstens 15 K, insbesondere wenigsten 20 K niedrigeren γ - Solvus - Temperatur aufweist, bei der keine γ - TiAl - Anteile mehr vorliegen, sondern ausschließlich α - Ti - Phase kann nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, für den selbstständig und in Kombination mit anderen Aspekten der Erfindung Schutz begehrt wird, eine chemische Zusammensetzung mit 42 bis 48 at.% Aluminium, vorzugsweise 43 bis 45 at.% Aluminium, 3 bis 5 at.% Niob, vorzugsweise 3,5 bis 4,5 at.% Niob, 0,05 bis 1 at.% Molybdän, vorzugsweise 0,85 bis 0,95 at.% Molybdän, 0,2 bis 2,2 at.% Silizium, vorzugsweise 0,25 bis 0,35 at.% Silizium, 0,2 bis 0,4 at.% Kohlenstoff, vorzugsweise 0,25 bis 0,35 at.% Kohlenstoff, 0, 05 bis 0,2 at.% Bor, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 at.% Bor sowie Titan und unvermeidbare Verunreinigungen aufweisen oder daraus bestehen, wobei Titan in einer Menge vorgesehen ist, dass die Summe der chemischen Elemente der Legierung 100 at.% ergibt.A corresponding TiAl alloy which has a suitable α-phase temperature range with a sufficiently high silicide dissolution temperature and an at least 15 K, in particular at least 20 K, lower γ-solvus temperature at which no more γ-TiAl components are present, but exclusively α-Ti phase, according to another aspect of the present invention, for which protection is sought on its own and in combination with other aspects of the invention, a chemical composition comprising 42 to 48 at.% aluminum, preferably 43 to 45 at.% aluminum, 3 to 5 at.% Niobium, preferably 3.5 to 4.5 at.% Niobium, 0.05 to 1 at.% Molybdenum, preferably 0.85 to 0.95 at.% Molybdenum, 0.2 to 2, 2 at.% Silicon, preferably 0.25 to 0.35 at.% Silicon, 0.2 to 0.4 at.% Carbon, preferably 0.25 to 0.35 at.% Carbon, 0, 05 to 0, 2 at.% Boron, preferably 0.05 to 0.15 at.% Boron and titanium and unavoidable impurities have or best with titanium provided in an amount such that the sum of the chemical elements of the alloy is 100 at.%.

Ausführungsformen der TiAl - Legierung, die insbesondere durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren erzeugt werden bzw. Bauteile aus dieser TiAl - Legierung können genau die oben beschriebene Zusammensetzung besitzen oder weitere chemische Elemente beinhalten, wie insbesondere wenigstens eines der Elemente aus einer Gruppe, die Wolfram, Zirkon und Hafnium umfasst, da auch mit derartigen Legierungen die beschriebenen Gefüge bei Raumtemperatur bzw. im α - Phasen - Temperaturbereich eingestellt werden können und die genannten Legierungsbestandteile den Legierungen bzw. den damit hergestellten Bauteilen zusätzliche Eigenschaften verleihen können.Embodiments of the TiAl alloy which are produced in particular by the production method described above or components made of this TiAl alloy can have exactly the composition described above or contain further chemical elements, in particular at least one of the elements from a group comprising tungsten, zirconium and hafnium, since even with such alloys, the described microstructures can be adjusted at room temperature or in the α-phase temperature range, and the abovementioned alloy constituents can impart additional properties to the alloys or to the components produced therewith.

Die TiAl - Legierung kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung neben Titan und unvermeidbaren Verunreinigungen 43,5 bis 45 at.% Aluminium, 3,5 bis 4,5 at.% Niob, 0,1 bis 0,5 at.% Molybdän, 0,4 bis 1 at.% Wolfram, 0,25 bis 0,35 at.% Silizium, 0,25 bis 0,35 at.% Kohlenstoff und 0,05 bis 0,15 at.% Bor beinhalten, wobei die Legierung genau diese Zusammensetzung aufweisen kann oder zusätzliche weitere Legierungselemente umfassen kann. In jedem Fall ist der Anteil an Titan so gewählt, dass die Summe der chemischen Elemente der Legierung 100 at.% ergibt.According to an advantageous embodiment, the TiAl alloy may contain, in addition to titanium and unavoidable impurities, 43.5 to 45 at.% Aluminum, 3.5 to 4.5 at.% Niobium, 0.1 to 0.5 at.%. % Molybdenum, 0.4 to 1 at.% Tungsten, 0.25 to 0.35 at.% Silicon, 0.25 to 0.35 at.% Carbon and 0.05 to 0.15 at.% Boron, wherein the alloy may have exactly this composition or may comprise additional additional alloying elements. In any case, the proportion of titanium is chosen so that the sum of the chemical elements of the alloy is 100 at.%.

Die TiAl - Legierung kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung neben Titan und unvermeidbaren Verunreinigungen 43,5 bis 45 at.% Aluminium, 3,5 bis 4,5 at.% Niob, 0,85 bis 0,95 at.% Molybdän, 0,1 bis 3 at.% Zirkon, 0,25 bis 2,2 at.% Silizium, 0,25 bis 0,35 at.% Kohlenstoff und 0,05 bis 0,15 at.% Bor beinhalten, wobei die Legierung genau diese Zusammensetzung aufweisen kann oder zusätzliche weitere Legierungselemente umfassen kann. In jedem Fall ist der Anteil an Titan so gewählt, dass die Summe der chemischen Elemente der Legierung 100 at.% ergibt.According to a further advantageous embodiment, the TiAl alloy can contain, in addition to titanium and unavoidable impurities, 43.5 to 45 at.% Aluminum, 3.5 to 4.5 at.% Niobium, 0.85 to 0.95 at.% Molybdenum, 0 , 1 to 3 at.% Zircon, 0.25 to 2.2 at.% Silicon, 0.25 to 0.35 at.% Carbon and 0.05 to 0.15 at.% Boron, the alloy being accurate may comprise this composition or may comprise additional additional alloying elements. In any case, the proportion of titanium is selected such that the sum of the chemical elements of the alloy is 100 at.%.

Die TiAl - Legierung kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung neben Titan und unvermeidbaren Verunreinigungen 46 bis 48 at.% Aluminium, 3,5 bis 5 at.% Niob, 0,1 bis 0,5 at.% Molybdän, 0,4 bis 1,8 at% Wolfram, 0,1 bis 3 at.% Zirkon, 0,35 bis 2,2 at.% Silizium, 0,25 bis 0,35 at.% Kohlenstoff und 0,05 bis 0,15 at.% Bor beinhalten, wobei die Legierung genau diese Zusammensetzung aufweisen kann oder zusätzliche weitere Legierungselemente umfassen kann. In jedem Fall ist der Anteil an Titan so gewählt, dass die Summe der chemischen Elemente der Legierung 100 at.% ergibt.According to a further advantageous embodiment, the TiAl alloy can contain, in addition to titanium and unavoidable impurities, 46 to 48 at.% Aluminum, 3.5 to 5 at.% Niobium, 0.1 to 0.5 at.% Molybdenum, 0.4 to 1 , 8 at% tungsten, 0.1 to 3 at.% Zircon, 0.35 to 2.2 at.% Silicon, 0.25 to 0.35 at.% Carbon and 0.05 to 0.15 at.% Boron, wherein the alloy may have exactly this composition or may include additional additional alloying elements. In any case, the proportion of titanium is chosen so that the sum of the chemical elements of the alloy is 100 at.%.

In diesen Legierungen können zum Beispiel Bor und Kohlenstoff sowohl zur Mischkristallverfestigung der Legierung beitragen als auch Boride und/oder Karbide erzeugen, welche die Gefügeausbildung positiv hinsichtlich einer homogenen Gefügestruktur mit geeigneten Koloniegrößen und Lamellendicken bzw. - abständen der α₂ - Ti₃Al - und γ - TiAl - Lamellen beeinflussen können.In these alloys, boron and carbon, for example, can both contribute to the solid solution hardening of the alloy and also produce borides and / or carbides which have a positive microstructure with respect to a homogeneous microstructure with suitable colony sizes and lamella thicknesses or spacings of the α ₂ --Ti ₃ Al - and can influence γ - TiAl lamellae.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer TiAl - Legierung kann das im α - Phasen - Temperaturbereich wärmebehandelte Halbzeug oder Vorprodukt nachfolgend einer zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb einer γ - Solvus - Temperatur des Werkstoff unterzogen werden, um die Bildung der Lamellen aus α₂ - Ti₃Al und γ - TiAl aus den α - Ti - Körnern zu beeinflussen und gewünschte Lamellendicken bzw. - abstände einzustellen.In the method for producing a component from a TiAl alloy, the semi-finished product or precursor heat-treated in the α-phase temperature range can subsequently be subjected to a second heat treatment at a temperature below a γ-solvus temperature of the material in order to prevent the formation of the blades from α ₂ - Ti ₃ Al and γ - TiAl from the α - Ti - grains to influence and set desired lamella thicknesses or - distances.

Eine entsprechende TiAl - Legierung bzw. ein daraus hergestelltes Bauteil kann somit in der TiAl - Legierung bei Einsatztemperaturen bis zu 1000 °C weniger als 5 vol.% β - Phase und vorzugsweise gar keine β - Phase aufweisen, so dass die Kriechbeständigkeit verbessert wird. Die globularen Kolonien mit Lamellen aus α₂ - Ti₃Al und γ - TiAl können bei Raumtemperatur 95 vol.% oder mehr, insbesondere 98 vol.% oder mehr der TiAl - Legierung bilden. Der Rest kann durch Silizide, Karbide und/oder Boride gebildet sein, wobei die TiAl - Legierung bis zu 5% Gew.%, vorzugsweise bis zu 2% Gew.% Silizide, Karbide und/oder Boride enthalten kann, deren mittlere oder maximale Korngröße kleiner oder gleich 5 µm sein kann.A corresponding TiAl alloy or a component produced therefrom can therefore have less than 5% by volume β-phase and preferably no β phase in the TiAl alloy at use temperatures of up to 1000 ° C., so that creep resistance is improved. The globular colonies with lamellae of α ₂ -Ti ₃ Al and γTiAl can form at room temperature 95 vol.% Or more, in particular 98 vol.% Or more, of the TiAl alloy. The remainder may be formed by silicides, carbides and / or borides, where the TiAl alloy may contain up to 5% by weight, preferably up to 2% by weight, of silicides, carbides and / or borides, their average or maximum particle size may be less than or equal to 5 microns.

Die globularen Kolonien aus α₂ - Ti₃Al - und γ - TiAl - Lamellen können eine mittlere oder maximale Größe von 50 bis 300 µm, insbesondere von 100 bis 200 µm aufweisen, wobei der mittlere Lamellenabstand im Bereich von 10 nm bis 1 µm liegen kann. Unter dem Lamellenabstand wird hierbei der Abstand von Lamellen gleicher Phase zueinander verstanden, also der Abstand einer γ - TiAl - Lamelle zu der nächsten γ - TiAl - Lamelle bzw. der Abstand einer α₂ - Ti₃Al - Lamelle zur nächsten α₂ - Ti₃Al - Lamelle.The globular colonies of α ₂ - Ti ₃ Al and γ - TiAl lamellae can have a mean or maximum size of 50 to 300 μm, in particular of 100 to 200 μm, the average fin spacing being in the range of 10 nm to 1 μm can. In this case, the lamellar spacing means the distance of lamellae of the same phase to one another, ie the distance of one γ-TiAl lamella to the next γ-TiAl lamella or the distance of one α ₂ -Ti ₃ Al lamella to the next α ₂ -Ti ₃ Al lamella.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURE

Die beigefügte Zeichnung zeigt in rein schematischer Weise das Gefüge einer erfindungsgemäßen TiAl - Legierung bzw. eines Bauteils aus einer TiAl - Legierung.The attached drawing shows in a purely schematic way the microstructure of a TiAl alloy according to the invention or a component made of a TiAl alloy.

Embodiment

Weitere Vorteile Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgend detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich, wobei die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.Other advantages Features and features of the present invention will become more apparent from the following detailed description of an embodiment wherein the invention is not limited to this embodiment.

Für eine TiAl - Legierung, die aus 43,8 at.% Aluminium, 4 at.% Niob, 0,9 at.% Molybdän, 0,3 at.% Silizium, 0,3 at.% Kohlenstoff, 0,1 at.% Bor sowie Rest Titan und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, kann durch die entsprechenden Wärmebehandlungen im α - Phasen - Temperaturbereich und einer nachfolgenden zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb der γ - Solvus - Temperatur der TiAl - Legierung ein Gefüge ausgebildet werden, wie es in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Die globularen Kolonien 1 aus α₂ - Ti₃Al - Lamellen 2 und γ - TiAl - Lamellen 3 sind gleichachsig mit ähnlichen Größen und kugelartigen Formen ausgebildet, wobei sich an den Grenzen der Kolonien 1 Silizide 4 sowie Boride 5 und Karbide 6 ausgeschieden haben.For a TiAl alloy consisting of 43.8 at.% Aluminum, 4 at.% Niobium, 0.9 at.% Molybdenum, 0.3 at.% Silicon, 0.3 at.% Carbon, 0.1 at .% Boron and the balance of titanium and unavoidable impurities, a microstructure can be formed by the corresponding heat treatments in the α-phase temperature range and a subsequent second heat treatment at a temperature below the γ-solvus temperature of the TiAl alloy, as described in US Pat attached drawing is shown. The globular colonies 1 of α ₂ - Ti ₃ Al lamellae 2 and γ - TiAl lamellae 3 are coaxially formed with similar sizes and spherical shapes, with 1 silicides 4 and borides 5 and carbides 6 precipitated at the boundaries of the colonies.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: globulare Kolonienglobular colonies
22: α₂ - Ti₃Al - Lamellenα ₂ - Ti ₃ Al lamellae
33: γ - TiAl - Lamellenγ - TiAl lamellae
44: Silizidesilicides
55: Borideborides
66: Karbidecarbides

Claims

TiAl alloy, the
Titanium, 42 to 48 at.% Aluminum,

3 to 5 at.% Niobium,

0.05 to 1 at.% Molybdenum,

0.2 to 2.2 at.% Silicon,

0.2 to 0.4 at.% Carbon,

0.05 to 0.2 at.% Boron,

0 to 2.0 at.% Tungsten,

0 to 3.5 at.% Zircon,

0 to 0.3 at.% Hafnium, and unavoidable impurities, wherein titanium is provided in an amount such that the sum of proportions of contained chemical elements is 100 at.%, and wherein the TiAl alloy has a microstructure at room temperature, the globular colonies (1) of lamellae of α ₂ - Ti ₃ Al (2) and γ - TiAl (3) and silicide precipitates (4) and substantially no β phase.

TiAl alloy according to claim 1,
characterized in that
the alloy includes: 43 to 45 at.% Aluminum,

3.5 to 4.5 at.% Niobium,

0.85 to 0.95 at.% Molybdenum,

0.25 to 0.35 at.% Silicon,

0.25 to 0.35 at.% Carbon,

0.05 to 0.15 at.% Boron.

TiAl alloy according to claim 1,
characterized in that
the alloy includes: 43.5 to 45 at.% Aluminum,

3.5 to 4.5 at.% Niobium,

0.1 to 0.5 at.% Molybdenum,

0.4 to 1 at.% Tungsten

0.25 to 0.35 at.% Silicon,

0.25 to 0.35 at.% Carbon,

0.05 to 0.15 at.% Boron.

3.5 to 4.5 at.% Niobium,

0.85 to 0.95 at.% Molybdenum,

0.1 to 3 at.% Zircon

0.25 to 2.2 at.% Silicon,

0.25 to 0.35 at.% Carbon,

0.05 to 0.15 at.% Boron.

TiAl alloy according to claim 1,
characterized in that
the alloy includes: 46 to 48 at.% Aluminum,

3.5 to 5 at.% Niobium,

0.1 to 0.5 at.% Molybdenum,

0.4 to 1.8 at% tungsten

0.1 to 3 at.% Zircon

0.35 to 2.2 at.% Silicon,

0.25 to 0.35 at.% Carbon,

0.05 to 0.15 at.% Boron.

Process for producing a component from a TiAl alloy, in particular from a TiAl alloy according to one of the preceding claims, comprising the following steps: Selection of a TiAl alloy which, in addition to the main alloy constituents titanium and aluminum, comprises at least niobium, molybdenum, carbon and silicon and which, in the chemical composition of the TiAl alloy to be selected, has an α-phase temperature range substantially in the αTi. Phase with silicides,

Melting the TiAl alloy,

Casting the TiAl alloy into a semifinished product or atomizing the TiAl alloy into powder,

Precipitation stabilization of the semifinished product or of a precursor produced from the semifinished product or the powder by cooling the semifinished product or the precursor from a silicide starting temperature in such a way that silicides precipitate,

Heat treatment of the precipitation stabilized semifinished product or precursor in the α - phase temperature range in the silicide precipitates (4) is present for 0.5 to 2 hours and cooling so that globular colonies (1) of laminations of α ₂ - Ti ₃ Al (2) and γ - form TiAl (3).

Method according to claim 6,
characterized in that
the precipitation stabilization takes place directly during solidification from the melt or during cooling after compaction or reshaping and / or the silicid start temperature is above or below a silicide dissolution temperature.

Method according to one of claims 6 to 7,
characterized in that
the α-phase temperature range is below a silicide dissolution temperature and above a gamma solvus temperature, and preferably includes a range of at least 15 K, especially at least 20 K.

Method according to one of claims 6 to 8,
characterized in that
the α - phase temperature range, a silicide dissolution temperature and / or a gamma solvus temperature of the TiAl alloy are determined by simulation calculations and / or by test melts and metallographic investigations.

Method according to one of claims 6 to 9,
characterized in that
the TiAl alloy further comprises unavoidable impurities and / or at least one of the group consisting of tungsten, zirconium, hafnium, carbon and boron.

Method according to one of claims 6 to 10,
characterized in that
the TiAl alloy is chosen so that the TiAl alloy is a peritectic solidification with the formation of α - Ti phase or a solidification with the formation of β - phase shows.

Method according to one of claims 6 to 11,
characterized in that
subjecting the heat - treated semifinished product or precursor to a second heat treatment at a temperature below a gamma solvus temperature for a period of from 2 hours to 24 hours.

Component of a TiAl alloy, preferably for a turbomachine, in particular produced by a method according to one of claims 6 to 12, wherein the TiAl alloy comprises in addition to the main alloying constituents titanium and aluminum at least niobium, molybdenum, carbon and silicon and at room temperature a microstructure which comprises globular colonies of lamellae of α ₂ - Ti ₃ Al and γ - Ti - Al as well as silicide precipitates and substantially no β phase.

Component according to claim 13,
characterized in that
the TiAl alloy further comprises at least unavoidable impurities and / or one of the elements from the group comprising tungsten, zirconium, hafnium and boron.

Component according to one of claims 13 or 14,
characterized in that
the TiAl alloy has less than 5% by volume of β-phase, preferably no β-phase, at use temperatures of up to 900 ° C.

Component according to one of claims 13 to 15,
characterized in that
the globular colonies of lamellae of α ₂ - Ti ₃ Al and γ - TiAl form more than or equal to 95% by volume, preferably more than or equal to 98% by volume, of the TiAl alloy.

Component according to one of claims 13 to 16,
characterized in that
in the TiAl alloy to 5 wt.%, Preferably up to 2 wt.% Silicides, carbides and / or borides are included, wherein the average or maximum grain size of the silicides, carbides and / or borides is less than or equal to 5 microns, in particular the diameter is less than or equal to 5 μm according to a circular area equivalent.

Component according to one of claims 13 to 17,
characterized in that
the globular colonies of lamellae of α ₂ - Ti ₃ Al and γ - TiAl have a mean or maximum size of 50 to 300 μm, in particular 100 to 200 μm, and / or the mean fin spacing is in the range of 10 nm to 1 μm.