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Die Erfindung betrifft die Verbesserung von Ti-Al-Legierungen,
insbesondere Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase
die intermetallische Verbindung TiAl ist.
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Motorenteile, die unter einer Dreh- oder Hin- und Herbewegung
verwendet werden, wie z. B. Turbinenschaufeln, Heißräder von
Turboladern und Motorventile sind in neuerer Zeit mehr oder
weniger gewichtsleicht, um die Anforderungen von hoher
Leistung, wie hohe Antwort und hohe Leistung, zu erfüllen.
Hitzebeständige Materialien für die oben angegebenen Teile werden
daher anhand ihrer spezifischen Festigkeit (Festigkeit/
Dichte) anstelle ihrer absoluten Festigkeit bewertet. Es
werden Anstrengungen gemacht, um die spezifische Festigkeit
dieser Materialien zu verbessern.
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Unter diesen Umständen finden Ti-Al-Legierungen, insbesondere
Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase die
intermetallische Verbindung TiAl ist, Aufmerksamkeit. Die maximal
verwendbare Temperatur (Temperatur, bei der die
Dauerstandfestigkeit 1.000 Stunden unter einer Spannung von 2.756,6 bar
(28,1 Kgf/mm²) ist), von TiAl beträgt 800ºC, was höher ist als
diejenige einer herkömmlichen Titanlegierung (Ti-6A1-4V),
550ºC. Weiterhin ist das spezifische Gewicht von TiAl (3,8)
niedriger als dasjenige der herkömmlichen Titanlegierung (4,5)
und es kommt näher an dasjenige von Keramiken (z. B. Si&sub3;N&sub4; 3,2)
heran. TiAl hat eine Duktilität, die den Keramiken fehlt, und
seine spezifische Festigkeit ist höher als diejenige von
Nickel-Superlegierungen (z. B. Inconel 713C).
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Ti-Al-Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase TiAl
ist, haben jedoch im Vergleich zu Titanlegierungen und Nickel-
Superlegierungen eine niedrigere Duktilität, und sie weisen
den Nachteil einer schlechten plastischen Verarbeitbarkeit
auf. Es wurden zwar schon Anstrengungen zu einer Verbesserung
unternommen (so beschreibt z. B. Japanische Patentschrift 56-
4344 die Zugabe einer geeigneten Menge von V), doch haben
diese noch keine praktische Anwendung erreicht. Da weiterhin
der Schmelzpunkt der intermetallischen Verbindung TiAl über
1.500ºC hinausgeht, was höher ist als derjenige der
Nickel-Superlegierungen für Gießzwecke (gewöhnlich 1.250-1.400ºC), ist
es schwierig, durch das herkömmliche
Wachsausschmelz-Gußverfahren unter Verwendung von Keramikformen fehlerlose
Gußprodukte mit gewünschter Gestalt zu erhalten, was auf chemische
Reaktionen zwischen dem aktiven geschmolzenem Metall TiAl mit
hoher, über 1.500ºC hinausgehender Temperatur und Keramiken,
die die Formen bilden, zurückzuführen ist.
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Die US-A-3 203 794 beschreibt eine Titanlegierung, die etwa 34
bis 46% Aluminium enthält und die dadurch charakterisiert ist,
daß sie ihre Raumtemperaturhärte bei Temperaturen, die so hoch
wie etwa 1.250ºC sind, im wesentlichen beibehält, und daß sie
bei erhöhten Temperaturen von bis zu mindestens 1.050ºC hoch
oxidationsbeständig ist.
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Demgemäß ist es Aufgabe dieser Erfindung, die oben
beschriebenen Probleme zu überwinden und eine leichte, hitzebeständige
Legierung mit verbesserter Verarbeitbarkeit beim plastischen
Verarbeiten bereitzustellen, indem die Duktilität von Ti-Al-
Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase die
intermetallische Verbindung TiAl ist, erhöht wird.
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Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Duktilität
von Ti-Al-Legierungen, bei denen die Hauptbestandteilsphase
die intermetallische Verbindung TiAl ist, so zu verbessern,
daß das plastische Verarbeiten erleichtert wird. Weiterhin
soll eine leichte, hitzebeständige Legierung mit verbesserter
Verarbeitbarkeit beim plastischen Verarbeiten und beim
Formgießen bereitgestellt werden, indem die Duktilität erhöht wird
und der Schmelzpunkt der Ti-Al-Legierungen, bei denen der
Hauptbestandteil die intermetallische Verbindung TiAl ist,
erniedrigt wird.
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Die Erfindung stellt eine Ti-Al-Legierung bereit, die aus Al:
28-38%, Ni: 0,05-3,0% und Si: 0,05-3,0% und zum Rest aus Ti
unter schmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
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Die Erfindung stellt weiterhin eine Ti-Al-Legierung bereit,
die aus Al: 28-38%, einer oder zwei Komponenten von Ni: 0,05-
3,0% und Si: 0,05-3,0% und weiterhin B: 0,005-0,30%, Rest Ti
unter schmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
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Bei den obigen Legierungszusammensetzungen ist es, wenn eine
bessere Duktilität bei niedriger Temperatur angestrebt wird,
erforderlich, einen niedrigen Al-Gehalt auszuwählen. Wenn die
Duktilität bei höherer Temperatur wichtiger ist, dann ist es
zweckmäßig, einen Al-Gehalt von 32% oder mehr auszuwählen. Es
wird bevorzugt, daß die Mengen der Verunreinigungen in dem
folgenden Bereich liegen: C: bis zu 0,2%, O: bis zu 0,3% und
N: bis zu 0,3%, wobei O + N: bis zu 0,4%.
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Als Maßnahme zur Herstellung der gewünschten
Konstruktionsteile mit den erfindungsgemäßen Ti-Al-Legierungen kann ,ein
Gießen sowie ein Schmieden angewendet werden.
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Die Auswahl der oben beschriebenen Zusammensetzung der
erfindungsgemäßen Ti-Al-Legierungen baut sich aus den
folgenden Gründen auf:
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Al; 28-38%
Die stöchometrische Zusammensetzung der intermetallischen
Verbindung TiAl (Gammaphase) ist Al: 36%, und der Bereich, in
der Ti-Al in den binären Legierungen in einer einzigen Phase
existieren kann, ist Al: 34-42%. Wenn jedoch der Anteil von Al
über 38% hinausgeht, dann nimmt die Duktilität ab, was im
Gegensatz zu der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe steht.
Daher wird 38% als Obergrenze ausgewählt. Wenn andererseits
die Zusammensetzung an Ti reich ist, oder wenn der Anteil von
Al weniger als 34% beträgt, dann wird Ti&sub3;Al (Alpha&sub2;-Phase),
gebildet. Diese Verbindung erhöht die Duktilität der Legierung
bei niedriger Temperatur, und daher wird, wenn eine gute
Kaltduktilität gewünscht wird, ein Gehalt an Al im Bereich von 28-
34% empfohlen. Diese Verbindung ist weiterhin, wenn ihr Gehalt
gering ist, dazu geeignet, die Hochtemperaturduktilität zu
verbessern. Jedoch ist Ti&sub3;Al als solches brüchig, und die
Legierung verliert Duktilität, wenn die Menge davon zunimmt.
Wenn daher eine gute Heißverarbeitbarkeit erforderlich ist,
ist ein Bereich des Al-Gehalts von 32-38% bevorzugt. Weiterhin
erniedrigt Al den Schmelzpunkt der Legierung, wie Bor, Nickel
und Silicium, wie untenstehend zum Ausdruck gebracht.
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B: 0,005-0,3%
Bor erhöht die Duktilität, indem die Korngrenze der TiAl-
Verbindung verfestigt wird, und es trägt auch zu einer
Verbesserung der Festigkeit durch Kornverfeinerung bei. Dieser
Effekt kann durch Zugabe einer Menge, die so klein wie 0,005%
ist, erhalten werden. Wenn andererseits die Menge zunimmt,
dann induziert Bor die Bildung von spröden Boriden, wodurch
die Duktilität vermindert wird. Daher wird 0,3% als Obergrenze
ausgewählt. Weiterhin ist Bor, wie Nickel und Silicium, wie
untenstehend zum Ausdruck gebracht, dazu wirksam, den
Schmelzpunkt der erfindungsgemäßen Legierungen zu erniedrigen:
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Ni: 0,05-3,0%, Si: 0,05-3,0%
Sowohl Nickel als auch Silicium lösen sich in der TiAl-Phase
auf, und sie erhöhen die Duktilität. Dieser Effekt ist bei
Gehalten, die so gering wie 0,05% sind, wahrnehmbar.
Andererseits sind die Mengen von Nickel und Silicium, die in der
TiAl-Phase aufgelöst werden-können, auf 3,0% begrenzt, und
eine überschüssige Zugabe führt zu einer Verminderung der
Duktilität. Somit werden die Obergrenzen dieser Elemente auf 3,0%
festgelegt. Nickel und Silicium erniedrigen die
Schmelztemperatur der erfindungsgemäßen Legierung.
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C: bis zu 0,2%
Kohlenstoff bildet Titankarbid TiC, das die Festigkeit der
Legierung verbessert, doch vermindert Kohlenstoff die
Duktilität der Legierung. Daher wird 0,2% als Obergrenze ausgewählt.
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O: bis zu 0,3%, N: bis zu 0,3%, vorzugsweise bis zu 0,2%,
wobei
O + N: bis zu 0,4%
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Sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff werden in TiAl aufgelöst
und verfestigen es. Sie vermindern jedoch die Duktilität der
Legierung, und daher werden die oben angegebenen Obergrenzen
aufgrund dieses Gesichtspunkts festgelegt. Wenn für die
Legierung eine bessere Festigkeit gewünscht wird, dann sind die
Verunreinigungen ziemlich gut geeignet, und es wird daher eine
positive Zugabe im oben angegebenen Bereich bevorzugt. Wenn
andererseits die Legierung eine höhere Duktilität haben
sollte, dann müssen die Mengen dieser Verunreinigungen so
klein wie möglich sein.
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Erfindungsgemäß wird die Duktilität von Ti-Al-Legierungen mit
hoher Hitzebeständigkeit und hoher spezifischer Festigkeit
verbessert, und somit wird die Verarbeitbarkeit beim
plastischen Verarbeiten verbessert. Die verringerten Schmelzpunkte
der Legierungen resultieren in einer höheren Gießbarkeit, und
sie erleichtern den Präzisionsguß. Daher können in einfacher
Weise verschiedene mechanische Teile von drehenden oder hin-
und hergehenden Systemen wie Turbinen von
Luftfahrtdüsenmotoren und technische Gasturbinen, Einlaß- und Auspuffventile,
Schwenkarme, Verbindungsstäbe und Heißblätter von Turboladern
für Motorrad- und Automobilmotoren durch Schmieden oder Gießen
hergestellt werden.
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Die leichtere Verarbeitbarkeit führt auch zu einer
Verminderung der Probleme der Verläßlichkeit der Produkte, die auf
Verarbeitungsschwierigkeiten des Materials zurückzuführen
sind.
Beispiel
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Ti-Al-Legierungen mit der in Tabelle 1 gezeigten
Zusammensetzung wurden hergestellt. Das Schmelzen erfolgte unter einer
Argongasatmosphäre durch einen Plasmabogen in einem
Pfannenofen mit einem wassergekühlten Kupfertiegel. Die Läufe Nr. 1-7
sind Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, während die
Läufe Nr. 8 und 9 Vergleichsbeispiele sind.
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Probekörper, die aus Gußbarren der Legierung herausgeschnitten
worden waren, wurden Zugfestigkeitstests bei 900ºC
unterworfen. Weiterhin wurden die Schmelzpunkte (Liquidus und Solidus)
durch Differentialthermoanalyse gemessen.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Aus Tabelle 4 wird
ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine
erhöhte Duktilität und erniedrigte Schmelzpunkte haben.
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Die Legierung Nr. 5 wurde einem 30%igen und 50%igen Stauchen
bei 1.150 C unterworfen. Selbst im Falle eines Stauchens von
50% trat auf dem Probekörper kein Riß auf.
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Unter Verwendung der Legierungen Nr. 5 und 7 und von
Keramikformen, die durch ein Wachsausschmelzverfahren hergestellt
worden waren, wurden Heißräder für Turbolader gegossen. Auf
den Turbinen der Heißräder, die aus der Kontrollegierung Nr. 7
gegossen worden waren, wurden Fehler beobachtet, die auf eine
chemische Umsetzung zwischen der Form und dem geschmolzenen
TiAl zurückzuführen waren. Daher wurde kein gesundes Produkt
erhalten. Andererseits waren die Heißräder, die aus der
erfindungsgemäßen Legierung Nr. 5 hergestellt worden waren, gesunde
Produkte ohne Fehler.
Tabelle 1 Legierungszusammensetzung (Gew.%, Rest Ti)
Nr. erfindungsgemäß Kontrolle
Tabelle 2
Zugeigenschaften Schmelzpunkt Nr. Zugfestigkt. bar (Kgf/mm²) Dehnung % Flächenverminderung % Liquidus ºC Solidus ºC erfindungsgemäß Kontrolle