DE69118459T2 - Titanaluminiden und daraus hergestellte Präzisionsgussteile - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Titanaluminid, d.h. eine intermetallische, mit der chemischen Formel TiAl bezeichnete Verbindung, die ein verbessertes Material für das Präzisionsgießen bietet. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Titanaluminid mit einer sehr guten Fluidität, wobei die daraus durch Präzisionsgießen hergestellten Erzeugnisse im gegossenen Zustand eine hohe Festigkeit haben und selbst bei geringer Dicke keine Rißbildung zeigen.
• Titanaluminid (im folgenden mit "TiAl" bezeichnet) hat aufgrund seiner im Vergleich zu Superlegierungen auf Nickelbasis höheren spezifischen Festigkeit bei hohen Temperaturen und aufgrund seiner höheren oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu Titanlegierungen Beachtung gefunden. Da TiAl außerdem noch weitere vorteilhafte Eigenschaften hat, wie beispielsweise eine geringe Dichte, eine mit steigenden Temperaturen zunehmende Festigkeit und eine hohe Kriechfestigkeit, hat man angeregt, aus diesem Material Teile von Flugzeug-Düsentriebwerken wie z.B. Propellerflügel und Turbinenschaufeln als dünne und kompliziert geformte Gußerzeugnisse durch Präzisionsgießen herzustellen.
• Andererseits hat TiAl bekanntermaßen eine geringe Duktilität bei Umgebungstemperatur und zeigt selbst bei hohen Temperaturen, bei denen sich eine ausreichende zähigkeit ergibt, eine starke Abhängigkeit von der Entformungsgeschwindigkeit. Um diese Nachteile zu überwinden, hat man die Kristallstruktur und die physikalisch-metallurgischen zusammenhänge untersucht. Beispielsweise wurden in der US-A-4 294 615 und in der JP-A-1298127 (Patent Abstracts of Japan, Band 14, Nr. 80 (C- 689) [4023] 15. Februar 1990) Verfahren zur Erhöhung der niedrigen Duktilität durch Festigung der Korngrenzen vorgeschlagen. Aus diesem Dokument ist eine leichte, hitzebeständige Legierung bekannt, die 30 bis 36 Gew% Al, 0,01 bis 0,5 Gew% B, C oder Si bzw. eine Kombination von zwei oder mehr dieser Elemente, sowie 0,1 bis 8 Gew% V enthält, wobei der Rest aus Ti besteht. Daraus ergibt sich ein Massenprozent-Anteilsverhältnis Al:Ti von 0,44 bis 0,61. Bei einer derartigen Zusammensetzung soll die Kaltduktilität der Legierung verbessert sein, ohne die außerordentlich hohe Hitzebeständigkeit des TiAl einzubüßen.
• Trotz dieser Bemühungen hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, daß präzisionsgegossene Erzeugnisse aus binärer Ti-Al- Legierung derart anfällig für eine Rißbildung sind, daß man sie nicht als industrielle Erzeugnisse bezeichnen kann. Selbst wenn man ein drittes Element, z.B. V, für das im oben genannten US-Patent eine die Duktilität verbessernde Wirkung festgestellt wurde, hinzufügt, lassen sich aus ternären Ti- Al-V-Legierungen, die das dritte Element, z.B. V, in einer größeren Menge von bis zu 1,5 Massen-% enthalten, keine Gußerzeugnisse wie z.B. Turbinenschaufeln herstellen, die völlig frei von Rißbildung sind.
• Ferner ist zwar in der oben genannten japanischen Anmeldung angegeben, daß die danach hergestellten TiAl-Gußerzeugnisse in ihrer Festigkeit denen gemäß der US-A-4 294 615 überlegen seien, doch liegt die bei Umgebungstemperatur erreichte Festigkeit in der Größenordnung von 400 MPa. Selbst bei Hinzufügen eines die Festigkeit erhöhenden Elementes wurde keine Festigkeit über 500 MPa erzielt.
• Andererseits hat man beobachtet, daß die geringe zähigkeit von TiAl abgesehen von der dem Material als intermetallische Verbindung an sich innewohnenden Sprödigkeit auch auf die grobe lamellenartige Körnung zurückgeht, die für seine Mikrostruktur charakteristisch ist. Hierbei ist zu bemerken, daß stöchiometrisches Titanaluminid, d.h. Titanaluminid mit einem Al-Gehalt von 36 Massen-%, keine lamellenartige Struktur ausbildet, jedoch hat dieses Material eine geringere Duktilität als ein TiAl mit lamellenartiger Struktur. Bei derartigen sogenannten industriellen TiAl-Legierungen, die im allgemeinen einen Al-Gehalt von 32 bis 34 Massen-% haben, da zur Beeinflussung der Eigenschaften das eine oder andere Element zugegeben wird, hält man andererseits die Ausbildung der lamellenartigen Struktur für unvermeidlich.
• Als Gegenmaßnahme wurde vorgeschlagen, B oder Y zuzufügen, um die Lamellen-Korngrenzen zu stärken. Selbst dann ist es jedoch häufig unmöglich, annehmbar niedrige Ausschußraten zu erzielen, wenn das herzustellende Produkt ein dünnes und kompliziert geformtes Gußerzeugnis ist, z.B. Turbinenschaufeln, da es aufgrund der groben lamellenartigen Körnung immer noch zur Rißbildung kommt.
• Derartige dünne und kompliziert geformte Erzeugnisse wie z.B. Turbinenschaufeln und Propeller werden üblicherweise durch Präzisionsgießen hergestellt (d.h. im Wachsausschmelzverfahren oder Investmentguß), da andere Verfahren wie Formschmieden oder eine maschinelle Bearbeitung im allgemeinen äußerst schwierig sind. Hierbei ist es unumgänglich, für eine hohe Fluidität (d.h. die Fähigkeit der Schmelzmasse, jeden Winkel der Gußform oder des Hohlraumes zu füllen) des Materials zu sorgen, um eine hohe Produktionsrate einwandfreier Gußerzeugnisse bzw. annehmbar niedrige Ausschußraten zu erzielen. Bei TiAl erhöht sich jedoch unweigerlich die Ausschußrate bei der Hinzufügung einer hohen Menge eines Additivs wie Mo, V und Nb, selbst wenn dabei eine Erhöhung der Zähigkeit erzielt wird, da derartige Beimengungen zwangsläufig den Schmelzpunkt erhöhen, den Erstarrungstemperaturbereich erweitern und die latente Schmelzwärme senken, wobei alle diese Faktoren zu einer Senkung der Fluidität beitragen. Eine Erhöhung der Schmelztemperatur bedeutet insbesondere eine entsprechend stärkere Aktivierung des Ti und eine entsprechend stärkere Reaktion des Ti mit der Gußform, so daß ein fehlerfreies Gießen entsprechend erschwert wird.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein derartiges TiAl anzugeben, mit dem rißfreie präzisionsgegossene Erzeugnisse hergestellt werden können.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein derartiges TiAl anzugeben, bei dem die Rißbildung in dünnen und kompliziert geformten präzisionsgegossenen Erzeugnissen vermieden wird, indem man die Ausbildung der groben Lamellenstruktur, die im allgemeinen für TiAl charakteristisch ist, unterdrückt, wobei eine Zugfestigkeit bei Umgebungstemperatur von über 500 MPa erreicht werden soll.
• Zur Erreichung der oben genannten Ziele stellt die Erfindung ein Titanaluminid gemäß Anspruch 1 bereit.
• Ferner wird ein Verfahren zum Präzisionsgießen eines Gußerzeugnisses nach den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen.
• Vorzugsweise wird ferner die Gußform auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 400 bis 600ºC vorgeheizt.
• Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis von Untersuchungen über die Auswirkungen des Al-Gehaltes in binärem TiAl auf die Härte, die Auswirkungen des Al/Ti-Verhältnisses auf die Härte von TiAl, das 1,5 Massen-% V enthält, die Auswirkungen des Al/Ti-Verhältnisses auf den Zusammenhang zwischen V-Gehalt und Härte usw.
• Wie in Figur 3 gezeigt, ändert sich die Härte (hier angegeben als Vickershärte HV für eine Last von 5 kp) binärer Ti-Al-Legierungen sehr stark in Abhängigkeit von einer Änderung des Al-Gehaltes, obwohl der Schmelzpunkt und der Erstarrungsbereich sich nur geringfugig andern. Dies hat ganz wesentlich mit dem Präzisionsgießverfahren zu tun, bei dem das Erzeugnis durch Zertrümmern der Form unmittelbar nach dem Gießen und Abkühlen entnommen wird, jedoch betrifft es nicht die Eigenschaften, die für weichgeglühte oder isothermisch geschmiedete Blöcke und Barren ermittelt wurden.
• Im folgenden werden die Auswirkungen einer Beimengung von 1,5 Massen-% V unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben. Die gestrichelte Linie ist die aus der Figur 3 in die Figur 4 übertragene Kurve. Es ergibt sich einfach eine Verschiebung der Ausgleichlinie zur Seite mit dem höheren Verhältnis Al/Ti. Die Verwendung einer ternären Ti-Al-1,5V-Legierung beim Präzisionsgießen beispielsweise einer Turbinenschaufel schließt, wie bereits gesagt, eine Rißbildung nicht völlig aus, jedoch ist in der geringeren Häufigkeit des Auftretens von Rissen ein Vorteil zu sehen.
• Andererseits hat man festgestellt, daß dieser Vorteil der Beimengung von V erzielt werden kann, ohne daß sich dabei die Härte über Gebühr erhöht; vielmehr kann sich die Härte häufig sogar verringern. Man stellte fest, daß dieses vorteilhafte Ergebnis erzielt werden kann, indem man den V-Gehalt relativ zum Al/Ti-Verhältnis in der in der oben genannten Formel (I) angegebenen Weise steuert. Ferner wurde festgestellt, daß eine Rißbildung bei Gußerzeugnissen vermieden werden kann, wenn die Härte auf HV 300 und darunter gehalten wird.
• Der Al-Gehalt ist hier auf einen Bereich von ungefähr 33,0 bis 35,0 Massen-% festgelegt, d.h. auf einen Bereich von 0,49 bis 0,54 bezüglich des Al/Ti-Verhältnisses beim binären Ti- Al-System. Dies basiert auf den vom Erfinder durchgeführten Versuchen, die zeigen, daß sich die Vorteile einer Beimengung von V am leichtesten in diesem Bereich erzielen lassen, daß bei einem Al-Gehalt von weniger als 33% in der Legierung zu viel Ti&sub3;Al enstehen kann, das zur Rißbildung führt, und daß bei einem Al-Gehalt von über 35% eine grobe Gußstruktur entsteht, die ebenfalls zur Rißbildung führt. Hierbei sei daran erinnert, daß bei der binären Ti-Al-Legierung die Härte bei einem Al-Gehalt von 34% und darüber mit oder ohne Beimengung von V unter HV = 300 liegt, wobei jedoch trotzdem eine Rißbildung auftritt.
• Die Beimengung von V ist ebenfalls in der bereits erwähnten Formel (I) festgelegt. Diese Formel hält die in Figur 1 angegebenen Härte-Minima bei einer Toleranzspanne von ± 0,2 Massen-% ein und stellt sicher, daß keine Rißbildung auftritt.
• Figur 2 zeigt anhand von mikrofotografischen Aufnahmen (bei einer Vergrößerung von 200X) ein Beispiel für zwei ternäre Ti-Al-V-Legierungen und eine binäre Ti-Al-Legierung. Die Legierung in Figur 2(a) hat eine Zusammensetzung aus 65,7 Ti, 33,8 Al und 0,5 V, d.h. es handelt sich um eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ihre Mikrostruktur zeigt eine feine, die grobe lamellenartige Körnung durchbrechende Körnung. Die Härte beträgt 250 HV. Die Legierung in Figur 2(b) besteht aus 65,0 Ti und 35,0 Al. Ihre Mikrostruktur zeigt die typische grobe lamellenartige Struktur. Figur 2(c) zeigt eine ternäre Legierung wie in Figur 2(a), jedoch mit einer Zusammensetzung aus 66,0 Ti, 32,5 Al und 1,5 V. Die Struktur ist vom groben, lamellenartigen Typ wie in Figur 2(b); die Härte beträgt 376 HV.
• Aus diesen Beobachtungen zog man den Schluß, daß als wichtigste Ursache für die Rißbildung die grobe lamellenartige Struktur anzusehen ist, so daß eine einfache Beimengung von V, selbst in einer Menge von 1,5 Massen-%, eine Rißbildung bei Gußerzeugnissen, die dünner als 1 mm sind, nicht zuverlässig verhindern kann, da dann in Richtung der Dicke nur einige wenige Kristalle zur Verfügung stehen, und daß deshalb eine-Verfeinerung der Körnung und das dadurch erzielte Aufbrechen der lamellenartigen Struktur zum Erfolg führt.
• Ein Vorheizen der Gußform auf etwa 400 bis 600ºC ist eine wirksame Maßnahme, um die Ausschußrate weiter zu senken. Bei einer Dicke von 1 mm und darüber oder bei einfachen Formen ist diese Maßnahme jedoch nicht erforderlich.
• In bezug auf die Fluidität, eine Eigenschaft, die wie oben erwähnt beim Präzisionsgießen von besonderer Bedeutung ist, ist ein Al-Gehalt von unter 50 Massen-% von Nachteil, selbst wenn das Al/Ti-Verhältnis im angegebenen Bereich gehalten wird, da dann der Erstarrungstemperaturbereich, wie in Figur 5 gezeigt, bis zu 50 bis 55ºC betragen kann. Selbst bei einem TiAl mit einer Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich nur schwer einwandfreie Gußstücke mit einer Dicke von weniger als etwa 0,8 mm herstellen. Dabei ist ein Vorheizen der Gußform auf 400 bis 600ºC eine derart wirksame Maßnahme zur Erhöhung der Fluidität, daß sich sogar Gußerzeugnisse, die nur 0,3 mm dick sind, problemlos nach dem herkömmlichen zum Präzisionsgießen verwendeten Wachsausschmelzverfahren herstellen lassen.
• Figur 1 zeigt die Auswirkungen der Beimengung von V auf die Härte von Titanaluminid (Ti/Al) mit unterschiedlichem Al/Ti- Massenprozentverhältnis;
• Figur 2 zeigt eine Reihe von mikrofotografischen Aufnahmen der Mikrostruktur dreier verschiedener TiAl-Legierungen;
• Figur 3 zeigt ein Diagramm, das die Auswirkungen des Al-Gehaltes auf die Härte binärer Ti-Al-Legierungen angibt;
• Figur 4 zeigt ein Diagramm, das die Auswirkungen der Beimengung von 1,5 Massen-% V als eine Funktion des Al/Ti-Verhältnisses angibt;
• Figur 5 zeigt ein Gleichgewichtsphasendiagramm eines binären Ti-Al-Systems.
• Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Zur Demonstration eines Ausführungsbeispiels stellte man zwei Ti-Al-V-Legierungen mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung in einem Plasma-Schalenschmelzofen her und fertigte bzw. goß daraus zwei Turbinenschaufeln A und B nach dem zum Präzisionsgießen verwendeten Form-Wachsausschmelzverfahren. Die gegossenen Turbinenschaufeln A und B zeigten die in Tabelle 1 angegebenen mechanischen Eigenschaften. Tabelle 1 Schaufel Zusammensetzung (Massen-%) Festigkeit* (MPa) Zugfestigkeit 0.2%-Dehngrenze Dehnung* Rißbildung Nein Ja
• *bei Raumtemperatur
• Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Schaufel A, deren Zusammensetzung den Vorgaben gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften hat, während die Schaufel B, deren zusammensetzung nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, eine vielfache Rißbildung zeigte und durch instabilen Bruch vor Erreichen der 0,2%- Dehngrenze ausschied. Dies zeigt sich auch bei den Unterschieden in der Dehnung, bei der die Schaufel A ein mehr als dreimal so gutes Ergebnis erzielte wie die Schaufel B.
• Die in Tabelle 1 angegebenen Ergebnisse zeigen, daß es gemäß der Erfindung möglich ist, dünne und kompliziert geformte Erzeugnisse wie Räder und Turbinenschaufeln unter Verwendung des herkömmlichen Präzisionsgießens herzustellen.
• Darüber hinaus ist es möglich, Erzeugnisse noch geringerer Dicke, z.B. 0,3 mm dicke Turbinenschaufeln bei hoher Produktionsleistung nach demselben Verfahren herzustellen, wobei jedoch die Gußform auf 400 bis 600ºC vorgeheizt wird.
• Somit wurde gezeigt, daß mit dem oben genannten Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die folgenden Ziele erreicht werden können:
• (1) Herstellen von rißfreien Erzeugnissen durch Präzisionsgießen, und
• (2) Herstellen von Gußerzeugnissen sehr geringer Dicke durch Präzisionsgießen bei hoher Produktionsleistung.

Claims (3)

1. Titanaluminid umfassend:

a) eine binäre Ti-Al-Legierung, die Ti und Al in einem Al zu Ti-Massen%-Anteilsverhältnis von 0,49 bis 0,54 enthält;

b) V definiert durch folgende Formel:

V = (14,3 x Al/Ti - 6,69) ± 0,2, (I)

worin V in Massen-% angegeben ist und Al und Ti den jeweiligen Anteil in dem binären Ti-Al-System in Massen-% betreffen; und

c) unvermeidliche Verunreinigungen als Rest.

2. Verfahren zum Präzisionsgießen eines Gegenstandes umfassend folgende Schritte:

(A) Vorbereitung eines Titanaluminids, enthaltend

a) eine binäre Ti-Al-Legierung, die Ti und Al in einem Al zu Ti-Massen%-Anteilsverhältnis von 0,49 bis 0,54 enthält; und

b) V definiert durch folgende Formel:

V = (14,3 x Al/Ti - 6,69) ± 0,2, (II)

worin V in Massen-% angegeben ist und Al und Ti den jeweiligen Anteil in dem binären Ti-Al-System in Massen-% betreffen; und

c) unvermeidliche Verunreinigungen als Rest; und

(C) Gießen des im Schritt (A) vorbereiteten Titanaluminids in die Gußform.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte umfaßt:

(B) Vorheizen einer Gußfrom auf eine Temperatur in einem Bereich von circa 400 bis 600ºC, bevor

(C) das im Schritt (A) vorbereitete Titanaluminid in die im Schritt (B) vorgeheizte Gußform gegossen wird.