DE19812444B4 - TiAl-Basislegierung - Google Patents

Abstract

TiAl-Basislegierung mit 42 bis 54 at.-% Aluminium, Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen, der insgesamt bis 12 at.-%, bezogen auf TiAl, Legierungselemente zugesetzt sein können, wobei die TiAl-Basislegierung
0,1 bis 5 at.-% Kupfer
0,1 bis 0,3 at.-% Silizium
enthält und ihr wahlweise
0,1 bis 5 at.-% Mo,
0,1 bis 5 at.-% Cr und/oder
bis insgesamt 2 at.-% eines oder mehrerer der Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr
zugegeben sein können

Description

• Die Erfindung betrifft eine TiAl-Basislegierung mit einer Zusammensetzung des Titanaluminids mit 42 bis 54 at.-% A1, Rest Titan, der bis zu 12 at.-% bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können.
• Eine derartige TiAl-Legierung ist beispielsweise aus der JP 05-230570 bekannt. Die bekannte Legierung weist 45– 50 at.-% Aluminium, 0,3–4 at.-% Kupfer und als Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen auf. Bei dieser Legierung ergibt sich eine lamellare Gefügestruktur, bei der α₂-Phasen (Ti₃Al) mit γ-Phasen (TiAl) abwechselnd geschichtet sind. Infolge der Anwesenheit von Kupfer weist die Legierung bei üblichen Temperaturen eine verbesserte Duktilität und Festigkeit auf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine TiAl-Basislegierung derart zu modifizieren, daß sie in mehrfacher Hinsicht bessere Eigenschaften aufweist als herkömmliche Legierungen auf dieser Basis. Insbesondere wird eine verbesserte Vergießbarkeit, Warmumformbarkeit und Duktilität bei höherer Festigkeit angestrebt.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebene TiAl-Basislegierung gelöst. Neben den Pflichtbestandteilen an Cu und Si kann die erfindungsgemäße Legierung 0,1 bis 5 at.-% Mo, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Mo, und/oder 0,1 bis 5 at.-% Cr, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Cr, sowie bis insgesamt 12 at.-% weitere Legierungselemente enthalten. Bis insgesamt 2 at.-% kann ein oder können mehrere der festigkeitssteigernden Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr in der Legierung als "weitere Legierungselemente" enthalten sein.
• Als besonders vorteilhaft hat sich die Erfindung bei folgenden Legierungen erwiesen:
  Ti52.3Al46.5Cu1Si0.2
  Ti52.0Al46.6Cr1Cu0.2Si0.2
  Ti52.0Al46.6MolCu0.2Si0.2
  Ti52.0Al46.5Mo0.5Cu0.8Si0.2
• Der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz an Kupfer zu TiAl bewirkt eine stark verringerte Korngröße bzw, ein wesentlich feiner strukturiertes Gußgefüge gegenüber TiAl-Basislegierungen ohne Kupferzusatz. Lamellare TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz weisen darüber hinaus reduzierte Lamellenabstände auf. Diese Effekte werden durch den Zusatz von Silizium noch verstärkt. Der Zusatz von Kupfer führt zu einer erhöhten Festigkeit von TiAl-Basislegierungen bei gegenüber vergleichbaren Legierungen gesteigerter Duktilität. Außerdem wird die Warmumformbarkeit verbessert. Die Umformung von TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz kann dadurch mit geringeren Kräften bzw. bei niedrigeren Temperaturen als bei vergleichbaren Legierungen durchgeführt werden.
• Mindestens 0,1 at.-% Cu ist erforderlich, um die angestrebten Wirkungen herbeizuführen. Mehr als 5 at.-% rufen eine Versprödung hervor und sind daher nicht sinnvoll. Schon geringe Mengen in der Größenordnung bis 0,2 at.-% Cu verbessern die Vergießbarkeit durch eine Verringerung der Schmelzviskosität und bewirken gegenüber vergleichbaren Legierungen ohne Cu-Zusätze ein deutlich feiner strukturiertes Gußgefüge.
• Bild 1 zeigt die Erstarrungsstruktur einer TiAlMoSi-Legierung. Im Vergleich dazu weisen TiAl-Basislegierungen mit Kupfer- und Siliziumzusatz, repräsentiert durch die Ti₅₂Al_46.8Cu₁Si_0.2-Legierung gemäß Bild 2, ein deutlich feiner strukturiertes Erstarrungsgefüge auf. Wie die Bilder 3 und 4 belegen, ist der kornfeinende Einfluß des Kupferzusatzes zu TiAl auch noch nach dem Glühen der Legierung für 30 min bei 1400 °C ausgeprägt.
• In Bild 5 sind die temperaturabhängigen Bruchstauchungen modifizierter TiAl-Legierungen mit Kupferzusatz im Vergleich zu einer Ti₅₂Al₄₈- und einer TiAlMoSi-Legierung dargestellt. Die Festigkeit von TiAl-Basislegierungen wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatz von Kupfer und Silizium zu TiAl signifikant erhöht. Der vergleichsweise steile Festigkeitsabfall bei Temperaturen > 800 °C bei den TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz führt zu einer verbesserten Warmumformbarkeit. Die Ti₅₂A1_46.5Mo_0.5Cu_0.8Si_0.2-Legierung weist z.B. mit Stauchgrenzen zwischen 580 MPa bei Raumtemperatur und 538 MPa bei 800 °C eine höhere Stauchgrenze als eine bereits hochfeste Ti₅₂Al_46.8Mo₁Si_0.2-Legierung auf. Ab 1000 °C zeigt die Ti₅₂Al_46.5Mo_0.5Cu_0.8Si_0.2-Legierung jedoch einen deutlich geringeren Verformungswiderstand als die Ti₅₂A1_46.8Mo₁Si_0.2-Legierung. Gleichzeitig zeichnet sich die Ti₅₂Al_46.5Mo_0.5Cu_0.8Si_0.2-Legierung, wie auch andere Legierungsmodifikationen mit Kupferzusatz, durch eine verbesserte Duktilität aus.
• Die Bilder 5 und 6 belegen, daß durch die Variation des Kupfergehaltes bzw. der Legierungszusammensetzung die Einstellung einer optimalen Eigenschaftskombination aus Festigkeit, Duktilität und Umformbarkeit möglich ist.
• Aufgrund seiner besonderen verbesserten Eigenschaften eignet sich die erfindungsgemäße TiAl-Basislegierung als Konstruktionswerkstoff für Feingußteile, aber auch für Teile, die durch Strangpressen, Isothermschmieden und/oder superplastisches Umformen an die gewünschte Endform erzeugt werden. Anwendungsbeispiele sind Ventile für Verbrennungsmotoren, Kolbenbodensegmente, Turboladerrotoren und Komponenten für Turbinen und Verdichter.

Claims (3)

1. TiAl-Basislegierung mit 42 bis 54 at.-% Aluminium, Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen, der insgesamt bis 12 at.-%, bezogen auf TiAl, Legierungselemente zugesetzt sein können, wobei die TiAl-Basislegierung 0,1 bis 5 at.-% Kupfer 0,1 bis 0,3 at.-% Silizium enthält und ihr wahlweise 0,1 bis 5 at.-% Mo, 0,1 bis 5 at.-% Cr und/oder bis insgesamt 2 at.-% eines oder mehrerer der Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr zugegeben sein können
2. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0, 2 bis 1 at.-% Cu enthält.
3. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungselemente 0,4 bis 1,2 at.-% Mo und/oder 0,4 bis 1,2 at.-% Cr enthält.