DE4203869C2

DE4203869C2 - Hochbelastbare, beschichtete Bauteile aus einem Werkstoff, der aus der intermetallischen Phase Titan-Aluminid besteht

Info

Publication number: DE4203869C2
Application number: DE4203869A
Authority: DE
Inventors: Eggert Dipl Ing Tank; Wolfgang Dr In Kleinekathoefer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-02-11
Filing date: 1992-02-11
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: DE4203869A1; GB2264079B; GB2264079A; US5281484A; JPH0756077B2; JPH06212455A; GB9302473D0

Description

Die Erfindung betrifft hochbelastbare, beschichtete Bauteile aus einem Werkstoff, der aus der intermetallischen Phase Titan-Aluminid besteht, gemäß dem Oberbegriff des 1. Patentan spruches.

In letzter Zeit haben Werkstoffe auf der Basis der inter metallischen Phase TiAl (Titan-Aluminid mit einem Gehalt von 44 bis 48 Atomprozenten an Aluminium) wegen ihrer guten tech nischen Eigenschaften immer mehr an Bedeutung erlangt als be wegte Bauteile für z. B. Kolbenmotoren oder Gasturbinen. Im Vergleich mit Titanlegierungen besitzen TiAl-Werkstoffe vor allem ein geringeres Gewicht, eine höhere Kriechfestigkeit, einen guten Wärmedehnwert und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Da die Streckgrenze von rund 300 MPa bei Arbeitstemperaturen bis etwa 700°C nicht wesentlich absinkt, besitzen somit die TiAl- Werkstoffe gewichtsbezogen die gleiche spezifische Festigkeit wie bekannte Nickel-Superlegierungen. Daher sind prinzipiell Bauteile aus TiAl-Werkstoffen für alle Einsatzzwecke geeignet, bei denen Arbeitstemperaturen bis etwa 700°C auftreten und bei denen das Bauteil ein geringes Gewicht besitzen soll.

Nachteilig ist bei den TiAl-Werkstoffen, daß sie eine geringe Beständigkeit gegen Oxidation und gegen den Verschleiß bei Reibungsvorgängen besitzen. In der Praxis hat man bereits versucht, den Nachteil der geringen Oxidationsbeständigkeit durch Zulegierung von Niob zu den TiAl-Werkstoffen zu verbes sern, damit ist jedoch die Beständigkeit von z. B. Nickel-Su perlegierungen nicht erreicht worden. Außerdem bringt das Zu legieren von Niob eine Verteuerung des TiAl-Werkstoffes mit sich. Um die Beständigkeit gegen Verschleiß zu erhöhen, ist es bekannt, harte Partikel, z. B. aus Titan-Diborid in einen Werk stoff einzubringen. Die Werkstoffe müssen dazu auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt werden; dies ist tech nisch aufwendig und teuer. Außerdem sind bei dieser Herstel lungsweise die Hartstoffpartikel im gesamten Werkstoff bzw. in dem Bauteil vorhanden und nicht nur an den Oberflächen des Bauteiles, bei denen die Verschleißbeständigkeit erhöht werden soll. Auch wird eine nachfolgende z. B. spanabhebende Bearbei tung von mit Hartstoffpartikeln durchsetzten Werkstoffen deut lich verschlechtert.

Eine Metallbeschichtung des TiAl-Werkstoffes an den gefährdeten Oberflächenstellen mittels galvanischer Verfahren oder durch ein Metallaufsprühverfahren, z. B. Plasmaspritzverfahren, bringt in der Praxis meistens geringen Erfolg wegen der zu geringen Haftung des Metallbelages auf dem Grundwerkstoff, so daß sich die Metallbeläge bei hoher Beanspruchung häufig abschälen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochbelastbare, be schichtete Bauteile aus einem Werkstoff, der aus einer intermetallischen Phase Titan-Aluminid mit einem Gehalt von 44 bis 48 At-% am Aluminium besteht, zu schaffen, deren Oberflächen beschichtung gegen Oxidation und Verschleiß eine größere Be ständigkeit und eine bessere Haftung am Grundwerkstoff als be kannte Beschichtungen besitzt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeich nenden Merkmalen des 1. Patentanspruches gelöst.

Es wurde in überraschender Weise gefunden, daß die erfindungs gemäß beschichteten Oberflächen von Bauteilen aus Titan- Aluminid sowohl gegen Oxidation als auch gegen einen Verschleiß eine wesentlich größere Beständigkeit besitzen als die nicht behandelten Oberflächen des Werkstoffes. Die beschichteten Bauteile weisen eine Oxidationsbeständigkeit bis zu Tempera turen von etwa 900°C auf und auch die Verschleißbeständigkeit bei einer tribologischen Beanspruchung wird wesentlich verbes sert. Dies betrifft sowohl den Einsatzbereich von Bauteilen bis zu einer Temperatur von etwa 200°C bei Gleitvorgängen unter Einwirkung von Schmierstoffen, z. B. Motorenöl, als auch den Einsatzbereich bei höheren Temperaturen bis etwa 700°C. Für diese Einsatzzwecke werden bisher Bauteile aus konventionellen Werkstoffen eingesetzt, die als Verschleißschutz Oberflächen schichten und Panzerungen aus besonderen Hartlegierungen, wie Stellite oder Triballoy-Legierungen haben.

Erfindungsgemäß sind zumindest die Oberflächenpartien der Bau teile, die im Betrieb besonders heißkorrosionsgefährdet und/ oder verschleißgefährdet sind, mit einer im Vakuum aufgelöteten Schicht aus einer Nickelbasislegierung versehen.

Das Auflöten der Legierung auf den Werkstoff im Vakuum erfolgt nach bekannten Technologien. Um ein gutes Auflöten der Legie rung zu gewährleisten, hat es sich herausgestellt, Legierungen einzusetzen mit einem Schmelzpunkt unter 1180°C. Bei Nickel basislegierungen mit einem höheren Schmelzpunkt werden beim Auflöten im Vakuum infolge eines sehr heftig ablaufenden Reak tionsablaufes zwischen dem Werkstoff und der Legierung keine an dem Werkstoff gut anhaftende Lotbeschichtungen erhalten.

Bei dem Einsatz der beschichteten Bauteile in der Praxis hat sich ergeben, daß eine Beschichtungsstärke von 0,1 bis 0,4 mm ausreichend ist, um die Bauteile bzw. die ausgewählten Oberflächenpartien der Bauteile gegen Oxidation und Verschleiß zu schützen. Es können daher normale, einfach zu handhabende Lötfolien verwendet werden und an genau zu bearbeitenden Flä chen steht auch noch ein gewisses Schleif-Aufmaß zur Verfügung.

Die Nickelbasislegierungen, aus denen die Lötfolien bestehen, sind ebenfalls handelsüblich und bekannt. Vorzugsweise sind Lötfolien zu verwenden, die neben Nickel als Hauptbestandteil 1 bis 19 Gew.-% Chrom, 1 bis 3,5 Gew.-% Bor, 1 bis 10 Gew.-% Si lizium, 1 bis 11 Gew.-% Phosphor und 0,1 bis 0,7 Gew.-% Kohlen stoff enthalten. Um die Beständigkeit der aufgelöteten Schicht gegen Oxidation und Verschleiß noch zu verbessern, können der Nickelbasislegierung noch 1 bis 35 Gew.-% Mangan und 1 bis 12 Gew.-% Wolfram zugesetzt sein.

In bevorzugter Weise wurde eine Nickelbasislegierung als Löt folie eingesetzt, die neben dem Hauptbestandteil Nickel 6,5 Gew.-% Chrom, 4,5 Gew.-% Silizium, 3 Gew.-% Bor und 2,5 Gew.-% Eisen enthält (in Deutschland unter der Marken-Bezeichnung L-NiCr7Si5Fe3B3/L-Ni2 bzw. in den USA unter der Norm-Bezeichnung ASTM/AWS B-Ni2 bekannt). Der Schmelzpunkt dieser Legierung liegt bei etwa 1000°C.

Als besonders geeignet als Lötfolie haben sich auch Nickelba sislegierungen mit 13 Gew.-% Chrom und 10 Gew.-% Phosphor (Schmelzpunkt 890°C) bzw. mit nur 11 Gew.-% Phosphor (Schmelzpunkt 875°C), (Marken- bzw. Normbezeichnungen L-Nicr13P10 und L-NiP11 bzw. B-Ni7 und N-Ni6), erwiesen.

In vorteilhafter Weise, vor allem um die Verschleißbeständig keit bei den gebildeten Schichten auf dem Werkstoff zu erhöhen, kann den Nickelbasislegierungen noch Wolframcarbid oder ein an derer Hartstoff oder eine Hartlegierung zugesetzt werden, in einer Menge von 10 bis 20 Vol.-% mit einer Korngröße von etwa 10-50 µm.

Über die Zusammensetzung der beim Auflöten der Legierungen auf dem Werkstoff erhaltenen Schichten können keine genauen Angaben gemacht werden. Wahrscheinlich sind sowohl vor allem oxidationsbeständige Phasen aus z. B. NiAl und Ni₃Al in den Schichten vorhanden als auch vor allem verschleißfeste Phasen aus z. B. Chrom- und Titansiliziden und/oder Chrom- und Titan boriden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen noch näher erläutert.

Beispiel 1

Aus einem Gußblock von Titan-Aluminid mit 45 Atom-% Aluminium und 3 Atom-% Chrom wurde eine Platte mit den Abmessungen 100×35×7 mm funkenerosiv herausgetrennt und allseitig über schliffen. Auf der Oberfläche der Platte wurde eine 0,2 mm dicke, selbstklebende Folie eines Lotes einer Nickelbasisle gierung mit 7 Gew.-% Chrom, 5 Gew.-% Silizium, 3 Gew.-% Eisen und 3 Gew.-% Bor (Handelsbezeichnung Nicrobraze LM; in den USA ASTM/AWS B-Ni2) aufgebracht. Die Folie bestand zu 95,4 Gew.-% aus kugeligem Lotpulver mit einer Korngröße von 5 bis 35 µm Durchmesser und zu 4,6 Gew.-% aus einem plastifizierenden, or ganischen Bindemittel. Die auf die Platte aufgeklebte Folie wurde in einem Vakuum-Lötofen bei einer Temperatur von 1050°C während eines Zeitraumes von 5 Minuten aufgeschmolzen. Die Schmelze des Lotes verbreitete sich auf der Platte in einer sehr dünnen Schicht und etwa nur 2 mm über die ursprüngliche Foliengröße hinaus. Auf der folienbedeckten Fläche der Platte entstand eine gleichmäßige, metallisch-kristallinisch glänzende Schicht mit einer Beschichtungsstärke von 0,18 mm. Ein metallographischer Schliff zeigte, daß die neu entstandene Oberflächenschicht aus insgesamt sechs Schichten aufgebaut war. Während der Werkstoff aus TiAl eine Härte von rund 300 HV 0,2 besitzt, ergaben Härtemessungen bei der gebildeten Oberflä chenschicht in den einzelnen Schichten Härtewerte bis 750 HV 0,2.

Mit der beschichteten Platte wurden Versuche bezüglich der Be ständigkeit gegen den Sauerstoff der Luft durchgeführt. Dazu wurde ein Kammerofen auf 950°C aufgeheizt, die Platte hineinge legt und für 23 Stunden dort belassen. Nach der Entnahme wurde die Platte an der Luft bei Raumtemperatur eine Stunde lang auf 20°C abgekühlt. Danach wurde die Platte nochmals dreimal dem vorher beschriebenen Aufheiz- und Abkühlungsvorgang unterwor fen. Am Ende des vierten Zyklus zeigte die beschichtete Ober fläche der Platte-lediglich eine olivgrüne Verfärbung. An der nichtbeschichteten Oberfläche der Platte waren buntgefärbte Zunderschichten von etwa 0,6 mm Dicke unregelmäßig abgeplatzt.

Entsprechend in gleicher Weise verlaufende Versuche wurden mit Nickelbasislegierungen mit 13 Gew.-% Chrom und 10 Gew.-% Phos phor und mit einem alleinigen Zusatz von 11% Phosphor durch geführt. Die beiden Nickelbasislegierungen hatten Schmelzpunkte von 890 bzw. 875°C. Nach der Versuchsdurchführung ergaben sich entsprechende Ergebnisse wie bei der ersten Versuchdurchführung. Die gebildete Oberflächenbeschichtung mit dem Nickel-Phosphor-Lot war dabei nicht so stabil wie die Beschichtung mit dem Nickel-Chrom-Phospor-Lot; sie war dennoch zunderbeständiger als der TiAl-Werkstoff selbst.

Beispiel 2

Mit diesem Versuch sollte die Verbesserung der Beständigkeit gegen den Verschleiß durch Reibung mittels der erfindungsge mäßen Beschichtung der TiAl-Werkstoffe untersucht werden. Aus einem Gußblock von Titan-Aluminid mit 45 Atom-% Al und 3 Atom-% Cr wurden 10 Ventil-Federteller spanabhebend herausgearbeitet. Im Motor übertragen die Ventil-Federteller die Federkräfte, welche die Gaswechselventile schließen, auf die Schäfte der Ventile. Diese Federkraft beträgt etwa 900 N, wobei gegen die Kräfte der Feder die Ventile von zugehörigen Nocken geöffnet werden müs sen. Zwischen der Ventil-Feder und dem Ventil-Federteller kommt es durch Relativbewegungen zu großen tribologischen Beanspru chungen, weshalb beide aus sehr harten Stählen hergestellt werden bzw. auch mit harten Oberflächenschichten versehen sind.

Auf fünf Federteller wurden auf den ringförmigen Federauflage flächen ausgestanzte Ringe aus einer 0,2 mm dicken, selbstkle benden Folie eines Lotes einer Zusammensetzung gemäß Beispiel 1 aufgebracht und nach der dort angegebenen Verfahrensweise aufgelötet. An weiteren fünf Federtellern wurde keine entsprechende Folie aufgelötet. Die zehn Federteller wurden dann in einem Motor - neben weiteren 14 Federtellern, serienmäßig aus Stahl gefertigt - eingebaut und der Motor mit folgendem Prüfprogramm gefahren:
10 Stunden 1 000 Umdrehungen/min
50 Stunden 2 000 Umdrehungen/min
50 Stunden 4 000 Umdrehungen/min
50 Stunden 6 000 Umdrehungen/min.

Dieses Prüfprogramm wurde insgesamt fünf Zyklen lang, also 800 Stunden lang gefahren. Nach dem Ausbau der Federteller aus dem Motor waren die beschichteten Teller völlig unverändert. An den Feder-Auflageflächen und auch bei den zugehörigen Ventilfedern war ein Verschleiß nicht festzustellen. Bei den nicht be schichteten Federtellern war bei den Feder-Auflageflächen ein Materialabtrag von etwa 0,35 mm festzustellen. Bei den Federn war ein Materialabtrag nicht festzustellen, sie wiesen jedoch Freßspuren auf.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Bauteile aus Titan-Aluminid-Werkstoff mit einer Be schichtung erhalten werden, die sowohl eine hohe Verschleiß beständigkeit als auch eine hohe Heißkorrosionsbeständigkeit besitzen. Die Beschichtung ist in einem technisch einfachen Verfahren durch Vakuumlöten auf den Werkstoff aufzubringen und ist auf diesem gut haftbar. Es wird eine gleichmäßige Schicht auf dem Werkstoff erhalten, die nicht sprödbrüchig oder rissig ist.

Claims

1. Hochbelastbare, beschichtete Bauteile aus einem Werkstoff, der aus der intermetallischen Phase Titan-Aluminid mit einem Gehalt von 44 bis 48 At-% an Aluminium besteht, insbesondere für Kolbenmotoren, Gasturbinen oder Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile zumindest an ihren beim Betrieb heißkorrosions gefährdeten und/oder verschleißgefährdeten Oberflächenpartien mit einer im Vakuum aufgelöteten Folie aus einer lötbaren Nickelbasislegierung beschichtet sind, deren Schmelzpunkt unter 1180°C liegt und die beim Löten eine metallische Hartstoffle gierung und/oder eine harte intermetallische Phase mit dem Titan-Aluminid bildet.

2. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung eine Schichtdicke von 0,1 bis 0,4 mm besitzt.

3. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung aus Nickel als Haupt bestandteil und
1 bis 19 Gew.-% Chrom,
1 bis 3,5 Gew.-% Bor,
1 bis 10 Gew.-% Silizium,
1 bis 11 Gew.-% Phosphor und
0,1 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff besteht.

4. Bauteile nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung zusätzlich noch 1 bis 35 Gew.-% Mangan und 1 bis 12 Gew.-% Wolfram enthält.

5. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung aus Nickel als Haupt bestandteil und
6,5 Gew.-% Chrom,
3,0 Gew.-% Bor,
4,5 Gew.-% Silizium und
2,5 Gew.-% Eisen besteht.

6. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung aus Nickel als Haupt bestandteil und 13 Gew.-% Chrom und 10 Gew.-% Phosphor besteht.

7. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung neben Nickel als Hauptbestandteil 11 Gew.-% Phosphor enthält.

8. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus der Nickelbasislegierung zusätzlich 10 bis 20 Vol.-% an Hartstoff oder einer metallischen Hartlegierung, ins besondere Wolframcarbid, in einer Korngröße von 10 bis 50 µm enthält.