DE69316273T2

DE69316273T2 - Verfahren zur Herstellung einer Verbundwerkstoff, bestehend aus einem Matrix aus beta-Titanaluminid mit einer Dispersion von Titandiborid als Verstärkungsphase

Info

Publication number: DE69316273T2
Application number: DE69316273T
Authority: DE
Inventors: Takashi Morikawa; Hiroyuki Shamoto; Tetsuya Suganuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: JPH0625774A; JP2743720B2; EP0577116A1; US5397533A; DE69316273D1; EP0577116B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines auf TiAl basierenden Verbundstoffmaterials mit darin dispergiertem TiB&sub2;. Insbesondere ist TiB&sub2; gleichförmig in einer Matrix dispergiert, welche auf einer intermetallischen TiAl-Verbindung basiert.

2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik

Die intermetallische TiAl-Verbindung ist ein vielversprechendes Hochtemperatur-Leichtbaumaterial, da es sowohl metallische als auch keramische Eigenschaften besitzt, eine niedrige Dichte besitzt und eine ausgezeichnete spezifische Hochtemperaturfestigkeit besitzt. Die intermetallische Ti-Al-Verbindung ist jedoch in ihren Anwendungen eingeschränkt, da ihre Härte im Vergleich mit normalen Metallen und Legierungen gering ist.
Um die Härte der intermetallischen TiAl-Verbindung zu verbessern, wurde ein auf TiAl basierendes Verbundstoffmaterial entwickelt, in welchem TiB&sub2; dispergiert ist. Zum Beispiel offenbart die im August 1991 veröffentlichte JP-A- 03-193842 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundstoffmaterials, wobei das Verfahren das Mischen und Schmelzen von Pulvern einer Al-Matrix, welche darin TiB&sub2; dispergiert enthält, von Al-Metallpulvern und Ti-Metallpulvern, gefolgt von einem Verfestigen derselben umfaßt, um eine intermetallische TiAl-Verbindung zu bilden, in welcher TiB&sub2;-Teilchen dispergiert sind.
Da in der intermetallischen TiAl-Verbindung TiB&sub2;-Teilchen dispergiert sind, nimmt im allgemeinen die Härte der intermetallischen TiAl-Verbindung zu, jedoch nimmt deren Duktilität ab. Es ist daher notwendig, daß TiB&sub2;-Teilchen in der intermetallischen TiAl-Verbindung fein verteilt sind. Wenn das Verbundstoffmaterial verformt wird, wird die Matrix verformt, wobei sich Risse bilden. Wenn die in der Matrix dispergierten TiB&sub2;-Teilchen groß sind, werden die Risse durch die TiB&sub2;-Teilchen unterbrochen, und die Matrix kann nicht deformiert werden und wird gespalten oder bricht. Wenn im Gegensatz dazu die in der Matrix dispergierten TiB&sub2;-Teilchen fein sind, können sich Risse durch die Abstände zwischen den TiB&sub2;-Teilchen hindurch entwikkeln, und die Matrix kann verformt werden. Es wird folglich angenommen, daß die Verringerung der Duktilität der Matrix durch ein Feinverteilen von TiB&sub2;-Teilchen in der Matrix unterdrückt werden kann.
In dem oben erwähnten Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffmaterials, welches auf einer intermetallischen TiAl-Verbindung mit darin dispergiertem TiB&sub2; basiert, ist es jedoch schwierig, das TiB&sub2; in der intermetallischen TiAl-Verbindung fein zu dispergieren, da die TiB&sub2;-Teilchen miteinander agglomerieren, wenn die Mischung aus Al-Pulvern mit darin dispergiertem TiB&sub2;, Al-Metallpulvern und Ti-Metallpulvern geschmolzen wird.
Die Absicht der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffmaterials, welches auf einer intermetallischen TiAl-Verbindung mit darin dispergierten TiB&sub2; basiert, zur Verfügung zu stellen, in welchem das dispergierte TiB&sub2; fein ist, so daß die Verringerung der Duktilität des Materials unterdrückt wird, während die Härte des Materials zunimmt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um das obige und andere Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird ein Verfahren zur Herstellung eines auf TiAl-basierenden Verbundstoffmaterials mit darin dispergiertem TiB&sub2; zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte des Bildens einer geschmolzenen Mischung eines Ausgangsstoffes einer intermetallischen TiAl-Verbindung und eines Borides, welches weniger stabil als TiB&sub2; ist, und Kühlen und Verfestigen der geschmolzenen Mischung, um ein auf TiAl basierendes Verbundstoffmaterial auszubilden, in welchem TiB&sub2; in einer Menge von 0,3 bis 10 Vol.-% des Verbundstoffmaterials dispergiert ist.
Der Ausgangsstoff der intermetallischen TiAl-Verbindung kann eine intermetallische TiAl-Verbindung selbst, eine Mischung aus Ti- und Al-Metallpulvern oder eine Mischung der Verbindung und der Pulvermischung sein. Die Zusammensetzung des Ausgangsstoffes ist vorzugsweise so, daß Al in einer Menge von 31-37 Gew.-% von der Gesamtheit aus Ti und Al enthalten ist.
Das Bond sollte weniger stabil als TiB&sub2; sein. Da TiB&sub2; im allgemeinen das stabilste unter den Metallboriden ist,
können die meisten Metallboride in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Solche Boride schließen zum Beispiel ZrB&sub2;, NbB&sub2;, TaB&sub2;, MOB&sub2;, CrB, WB, VB und HfB ein.
Die Teilchengröße des zu mischenden Borids ist nicht besonders eingeschränkt, beträgt jedoch vorzugsweise weniger als 100 um, weiter vorzugsweise 30 bis 0,1 um. Wenn die Teilchengröße des Borids größer als 30 um ist, wird die Zeitdauer für die Zersetzung des Borids verlängert. Wenn sie geringer als 0,1 um ist, findet ein Verdampfen während des Schmelzschritts statt, was die Ausbeute verringert.
Die Menge an zu vermischendem Bond ist so, daß das erhaltene Verbundstoffmaterial TiB&sub2; in einer Menge von 0,3 bis 10 Vol.-%, vorzugsweise 1 bis 5 Vol.-%, bezogen auf das Verbundstoffmaterial, enthalten wird.
Wenn der Gehalt an TiB&sub2; geringer als 0,3 Vol.-% ist, ist die Härte des Verbundstoffmaterials nicht ausreichend. Wenn der Gehalt an TiB&sub2; größer als 10 Vol.-% ist, wird die Duktilität des Verbundstoffmaterials merklich verringert.
In dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffmaterials der vorliegenden Erfindung, welches auf einer intermetallischen TiAl-Verbindung mit darin dispergiertem TiB&sub2; basiert, wird zuerst eine geschmolzene Mischung des Ausgangsstoffes der intermetallischen TiAl-Verbindung und des Borides gebildet. Diese geschmolzene Mischung wird typischerweise durch Erwärmen einer Pulvermischung des Ausgangsstoffes der intermetallischen TiAl-Verbindung und des Borides auf eine Temperatur von ungefähr 1550-1750ºC gebildet. Wenn die Temperatur geringer als 1550ºC ist, ist es schwierig, eine gleichförmige Verteilung von TiB&sub2; zu erhalten. Wenn die Temperatur höher als 1750ºC ist, wird die Ausbeute an Al verringert. Alternativ dazu ist es möglich, daß der Ausgangsstoff der intermetallischen TiAl-Verbindung zuerst erwärmt wird, um einen geschmolzenen Ausgangsstoff der intermetallischen TiAl-Verbindung zu bilden, gefolgt von einem Zugeben der Borteilchen in den geschmolzenen Ausgangsstoff der metallischen TiAl-Verbindung.
Die geschmolzene Mischung wird dann auf Raumtemperatur gekühlt. Während des Kühlens wird der Ausgangsstoff der intermetallischen TiAl-Verbindung zu der intermetallischen TiAl-Verbindung, und das zugegebene Bor, welches weniger stabil als TiB&sub2; ist, reagiert mit Ti des geschmolzenen Ausgangsstoffes der intermetallischen TiAl-Verbindung, um in der intermetallischen TiAl-Verbindungsmatrix TiB&sub2; auszukristallisieren oder abzulagern.
Es wird angenommen, daß das Bond in dem geschmolzenen Ti-Al aufgelöst und verbreitet ist. Da TiB&sub2; das stabilste Bond in Gegenwart von Ti ist, reagiert Bor (B), welches durch das Auflösen und die Diffusion des Borids sehr fein vorliegt, mit Ti, um TiB&sub2; zu kristallisieren oder abzuscheiden. Diese Reaktion zur Bildung von TiB&sub2; findet gleichförmig in der geschmolzenen Masse statt, so daß feines TiB&sub2; gleichförmig in der intermetallischen TiAl-Verbindung gebildet wird.
Die Teilchengröße von TiB&sub2; in dem Verbundstoffmaterial kann so groß gemacht werden, daß sie nicht größer als 10 um, des weiteren nicht größer als 5 um ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt die Mikrostruktur des auf TiAl-basierenden Verbundstoffmaterials mit darin dispergiertem TiB&sub2; im herkömmlichen Beispiel 1 (x 100);
Fig. 2 zeigt die TiB&sub2;-Pulver, welche zur Herstellung des Verbundstoffmaterials aus Fig. 1 verwendet werden (x 100); und
Fig. 3 zeigt die Mikrostruktur des auf TiAl basierenden Verbundstoffmaterials mit darin dispergiertem TiB&sub2; in Beispiel 6 (x 100).

Beispiel 1

Es wurde eine Mischung aus Ti-Schwamm und einem Al-Barren in einem Gewichtsverhältnis von Al/(Ti+Al) von 0,34 mit ZrB&sub2;-Pulvern mit einer mittleren Teilchengröße von 3 um in einer auf dem Volumen des gesamten Ti-Al basierenden Menge von 3 Vol.-% vermischt. Die auf diese Weise erhaltene Mischung wurde in einen wassergekühlten Kupfertiegel in einem Lichtbogenofen gefüllt und während 10 Minuten in einer Argonatmosphäre auf einer Temperatur zwischen 1550ºC und 1750ºC gehalten, gefolgt von einem Kühlen im Tiegel, um einen knopfförmigen Barren aus einer intermetallischen TiAl- Verbindungsmatrix, welche 2,52 Vol.-% an darin dispergiertem TiB&sub2; enthält, herzustellen.

Beispiele 2-8

Die Verfahren von Beispiel 1 wurden wiederholt, jedoch wurden die mittlere Teilchengröße und die Menge des mit der Ti-Schwamm/Al-Barren-Mischung zu vermischenden Borids wie in Tabelle 1 aufgezeigt variiert. Es wurden die knopfförmigen Barren aus einer intermetallischen TiAl-Verbindungsinatrix, welche TiB&sub2;-Teilchen darin dispergiert enthält, in einer wie in Tabelle 1 aufgezeigten Menge hergestellt.

Vergleichsbeispiel 1

Die Verfahren aus Beispiel 1 wurden wiederholt, wobei jedoch die Mischung aus einem Ti-Schwamm und einem Al-Barren in einem Gewichtsverhältnis Al/(Ti+Al) von 0,34 mit CrB-Pulvern mit einer mittleren Teilchengröße von 30 um in einer auf dem Volumen aus Ti-Al basierenden Menge von 0,2 Vol.-% vermischt wurde, um dadurch einen knopfförmigen Barren aus einer intermetallischen TiAl-Verbindungsmatrix, welche 0,15 Vol.-% an darin dispergierten TiB&sub2;-Teilchen enthält, herzustellen.

Vergleichsbeispiel 2

Die Verfahren aus Vergleichsbeispiel 1 wurden wiederholt, wobei jedoch die mit dem Ti-Al vermischten CrB-Pulver auf 15 Vol.-% verändert wurden.
Es wurde somit ein knopfförmiger Barren aus einer intermetallischen Ti-Al-Verbindungsmatrix, welche TiB&sub2;-Teilchen in einer Menge von 11,4 Vol.-% enthält, erhalten.

Herkömmliches Beispiel 1

Die Verfahren aus Beispiel 1 wurden wiederholt, wobei jedoch das Bond auf TiB&sub2;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 7 um verändert wurde.
Auf diese Weise wurde ein knopfförmiger Barren aus einer intermetallischen TiAl-Verbindungsmatrix erhalten, welche 2,5 Vol.-% an darin dispergierten TiB&sub2;-Teilchen enthielt.

Herkömmliches Beispiel 2

Es wurde eine Mischung aus einem Ti-Schwamm und einem Al-Barren in einem Gewichtsverhältnis von Al/(Al+Ti) von 0,34 mit B-Pulvern vermischt, und in Übereinstimmung mit den Verfahren aus Beispiel 1 wurde ein knopfförmige Barren aus einer intermetallischen TiAl-Verbindungsmatrix erhalten, welche 2,4 Vol.-% an darin dispergierten TiB&sub2;-Teilchen enthielt.

Herkömmliches Beispiel 3

Es wurden ein Ti-Schwamm und ein Al-Barren in einem Gewichtsverhältnis von Al/(Ti+Al) von 0,34 vermischt und in einen wassergekühlten Kupfertiegel in einem Lichtbogenofen gefüllt, in welchem die Mischung während 10 Minuten in einer Argon-Atmosphäre auf einer Temperatur von 1600-1700ºC gehalten und dann in dem Tiegel gekühlt wurde, um einen knopfförmigen Barren aus einer intermetallischen TiAl-Verbindung zu erhalten.

Auswertung

Es wurden Teststücke aus den knopfförmigen Barren der Beispiele 1 bis 8, der Vergleichsbeispiele 1 und 2 und der herkömmlichen Beispiele 1 bis 3 geschnitten und einer Vickers-Härteprüfung und einer Biegeprüfung unterzogen. Die erhaltene Härte, Dehnung und Biegefestigkeit der Teststücke sind in Tabelle 1 aufgezeigt.
TiB&sub2; wurde durch Röntgenbeugung identifiziert. Der Volumenanteil an TiB&sub2; wurde durch eine Bildanalyse der Mikrostruktur des Verbundstoffs bestimmt. Tabelle 1
Wenn die Teststücke der herkömmlichen Beispiele 1 und 2, in welchen die TiB&sub2;-Teilchen in einer intermetallischen TiAl-Verbindungsmatrix dispergiert wurden, mit dem Teststück des herkömmlichen Beispiels 3 aus einer intermetallischen TiAl-Verbindung verglichen werden, sind die Teststücke der herkömmlichen Beispiele 1 und 2 hinsichtlich ihrer Härte besser, jedoch hinsichtlich ihrer Dehnung und Biegefestigkeit schlechter. Es wird angenommen, daß die obigen Ergebnisse dadurch verursacht werden, daß die in dem Verbundstoffmaterial dispergierten TiB&sub2;-Teilchen nicht fein sind. Um dies zu bestätigen, wurden die Mikrostrukturen der Teststücke der herkömmlichen Beispiele 1 und 2 untersucht. Fig. 1 zeigt die Mikrostruktur des Teststücks aus dem herkömmlichen Beispiel 1, aufgenommen mit einem Mikroskop bei einer Vergrößerung von 100. Fig. 2 zeigt die Mikrostruktur des TiB&sub2;-Pulvers, welches zur Herstellung des Teststücks des herkömmlichen Beispiels 1 verwendet wurde, bei einer Vergrößerung von 100. Aus diesen Mikrostrukturen wird offensichtlich, daß die Teilchengröße der TiB&sub2;-Teilchen in dem Verbundstoffmaterial im herkömmlichen Beispiel 1 von der Teilchengröße von 7 um der ursprünglichen wie vermischten TiB&sub2;-Teilchen zunahm. Bei den TiB&sub2;-Teilchen im herkömmlichen Beispiel 2 wurde eine ähnliche Teilchengrößenzunahme gefunden. Man nimmt an, daß der Grund für die Zunahme der TiB&sub2;-Teilchengröße von der Agglomerisation der TiB&sub2;-Teilchen herrührt.
Die auf TiAl basierenden Verbundstoffmaterialien mit darin dispergiertem TiB&sub2; der Beispiele 1 bis 8, d.h. hergestellt gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, besaßen eine verbesserte Dehnung und Biegefestigkeit im Vergleich mit den Teststücken der herkömmlichen Beispiele 1 bis 2, welche mit denen des herkömmlichen Beispiels 3 vergleichbar sind, und besaßen ebenfalls eine ausgezeichnete Härte. Man nimmt an, daß der Grund für die verbesserte Dehnung und Biegefestigkeit in den Beispielen sich darauf begründet, daß die Teilchengröße der TiB&sub2;-Teilchen feiner ist. In der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß das Bond in dem geschmolzenen Ti-Al aufgelöst und verteilt wird, das aus dem zersetzten Bond freigesetzte freie Bor mit Ti in dem geschmolzenen Ti-Al reagiert, um TiB&sub2; zu bilden, welches das stabilste Bond in Gegenwart von Ti ist, und somit feines TiB&sub2; auskristallisiert oder abgeschieden wird.
Es wurde die Mikrostruktur der Teststücke der Beispiele untersucht. Fig. 3 zeigt die Mikrostruktur des Teststücks aus Beispiel 6, aufgenommen mit einem Mikroskop bei einer Vergrößerung von 100. Es ist ersichtlich, daß die Teilchengröße der TiB&sub2;-Teilchen von einer Submikrongröße bis zu wenigen Mikrometern reicht, das heißt sehr fein ist. In anderen Beispielen wurden Teilchengrößen der TiB&sub2;-Teilchen im Bereich von Submikrometer bis zu wenigen Mikrometern gefunden.
Man nimmt an, daß die von B verschiedenen Elemente wie Zr, Nb, Ta, MO und Co, welche das Bond bilden, in der intermetallischen TiAl-Verbindung feststoffgelöst werden und zur Verbesserung der Dehnung und Härte des TiAl-Verbundstoffmaterials beitragen.
Aus dem Vergleichsbeispiel 1 ist ersichtlich, daß, wenn der Gehalt des in dem Verbundstoffmaterial dispergierten TiB&sub2; weniger als 0,3 Vol.-% beträgt, eine verbesserte Härte, d.h. ein gewünschter Effekt des Dispergierens der TiB&sub2;-Teilchen, nicht erhalten werden kann. Aus Vergleichsbeispiel 2 ist ersichtlich, daß, wenn der Gehalt der TiB&sub2;- Teilchen mehr als 10 Vol.-% beträgt, die Härte des Verbundstoffmaterials verbessert ist, jedoch die Dehnung und Biegefestigkeit des Verbundstoffmaterials merklich verschlechtert sind. Es wird angenommen daß der Grund für die merkliche Verschlechterung der Dehnung und Biegefestigkeit des Verbundstoffmaterials davon herrührt, daß ein Teil der Borteilchen nicht aufgelöst werden kann und als große Teilchen verbleibt.
Es ist folglich ersichtlich, daß der TiB&sub2;-Gehalt des auf TiAl basierenden Verbundstoffmaterials mit darin dispergiertem TiB&sub2; der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von 0,3 bis 10 Vol.-% sein sollte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines auf TiAl basierenden Verbundstoffmaterials mit darin dispergiertem TiB&sub2;, welches die folgenden Schritte umfaßt:

Ausbilden einer geschmolzenen Mischung eines Ausgangsstoffes einer intermetallischen TiAl-Verbindung und eines Borides, welches weniger stabil als TiB&sub2; ist, und

Kühlen und Verfestigen der geschmolzenen Mischung, um ein auf TiAl basierendes Verbundstoffmaterial auszubilden, in welchem TiB&sub2; in einer Menge von 0,3 bis 10 Vol.-% des Verbundstoffmaterials dispergiert ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bond mindestens eines ist, ausgewählt aus der aus ZrB&sub2;, NbB&sub2;, TaB&sub2;, MOB&sub2;, CrB, WB, VB und HfB bestehenden Gruppe.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Bond eine mittlere Teilchengröße von 100 bis 0,1 um besitzt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Ausgangsstoff einer intermetallischen TiAl-Verbindung eine Mischung aus Ti- und Al-Metallteilchen ist, wobei die Al-Metallteilchen in einer Menge von 31 bis 37 Gew. -% der Gesamtheit der Ti- und Al-Metallteilchen vorhanden sind.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Ausgangsstoff einer intermetallischen TiAl-Verbindung eine intermetallische TiAl-Verbindung enthält.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bond in einer solchen Menge zugegeben wird, daß das erhaltene auf TiAl basierende Verbundstoffmaterial 1 bis 5 Vol.-% des dispergierten TiB&sub2; enthält.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Mischung auf eine Temperatur von 1550ºC bis 1750ºC erwärmt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das in dem auf TiAl basierenden Verbundstoffmaterial dispergierte TiB&sub2; eine Teilchengröße von weniger als 10 um besitzt.