DE69303841T2

DE69303841T2 - Titanaluminide für Präzisionsguss und Giessmethoden mit deren Verwendung

Info

Publication number: DE69303841T2
Application number: DE69303841T
Authority: DE
Inventors: Kenji Matsuda
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-02-11
Also published as: JPH05230569A; JP3379111B2; US5839504A; DE69303841D1; EP0560070A1; EP0560070B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Titan-Aluminid, das als Material zum Präzisionsgießen verwendet wird, und insbesondere ein Titan-Aluminid, das für Turbinenteile, Kraftfahrzeugteile und dergleichen verwendet wird.
Titan-Aluminid [eine intermetallische Verbindung, die unter der chemischen Formel TiAl bekannt ist (diese Substanz wird im folgenden als TiAl bezeichnet)) zieht als fortschrittliches hitzebeständiges Leichtgewichts-Material die Aufmerksamkeit auf sich. Der Grund dafür ist, daß TiAl bei höheren Temperaturen eine hohe spezifische Festigkeit hat, die besser ist als die der auf Nickel basierenden hitzebeständigen Legierungen. Ferner hat TiAl eine höhere Hitzebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit sowie Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung als Titanlegierungen. Aufgrund dieser und weiterer erstaunlicher Eigenschaften, besteht der Bedarf, Triebwerksteile von Düsenflugzeugen, wie Blätter oder Schaufeln, aus TiAl zu fertigen.
Andrerseits ist TiAl bei Umgebungstemperatur schwer verformbar und selbst bei hohen Temperaturen (auch 700ºC oder mehr), bei denen sich ausreichende Festigkeit entwickelt, stark von der Verformungsgeschwindigkeit abhängig. Dies erschwert die Bearbeitung und Weiterverarbeitung. Daher kann TiAl bis heute nicht als Material für die praktische Verwendung eingesetzt werden. Die Lösung dieser Schwierigkeiten leistet einen wesentlichen Beitrag zur nächsten Generation von Düsenflugzeugtriebwerken und dergleichen. Daher werden Forschungen auf den Gebieten der kristallinen, strukturellen und physikalischen Metallurgie durchgeführt. Als Resultat solcher Forschungen werden z.B. in den japanischen Patentanmeldungen 61-41740, 1- 255632, 1-287243 und 1,298127 Verfahren zur Verbesserung der geringen Verformbarkeit durch Festigen der Korngrenzen und plastische Verformung durch Zwillingsverformung vorgeschlagen.
Trotz dieser Bemühungen treten jedoch während des Gießvorgangs bei Verwendung von TiAl für die Produktion dünner und komplizierter Stücke wie bespielsweise Mantelturbinenblätter Fehlguß und Risse auf.
Die Anmelderin schlägt daher in der am 23. März 1992 offengelegten Japanischen Patentanmeldung 4-88140 (oder US- Patentanmeldung 737,959 oder Europäische Patentanmeldung EP-A-0 469 525) ein neuartiges TiAl vor, das besser formbar ist. Figur 8 der zugehörigen Zeichnungen zeigt dies. Dieses TIAL hat keine grobe Lamellenstruktur (Figur 10), sondern eine Mikrostruktur (Figur 8), d.h. eine fein verteilte nadelkristalline (eigentlich schuppenartige) Ti-B-Verbindungen (TiB, Ti&sub3;B&sub4;, TiB&sub2;). Die Offenlegung 4-88140 oder die Figur 8 der zugehörigen Zeichungen stellen jedoch nicht den Stand der Technik dar.
Da die grobe Lamellenkörnung Risse verursacht, das TiAl der Figur 8 jedoch eine derartige grobe Lamellenkörnung nicht aufweist, hat letzteres hervorragende Gußeigenschaften.
Weitere Studien ergaben jedoch, daß das TiAl der Figur 8 zu viele Dispersoide aus Ti-B-Verbindungen enthält. Diese Ti-B- Verbindungen sind der Ursprung für Dauerbruch, wodurch sich die Dauerfestigkeit vermindert.
TiAl ist ein neues leichtgewichtiges hitzebeständiges Material. Das herkömmliche TiAl ist jedoch schwierig zu verarbeiten und die Menge der mit herkömmlichem TiAl gegossenen Produkte ist gering.
Ein durch die Erfindung zu lösendes Problem besteht darin, ein TiAl bereitzustellen, das besser gegossen werden kann und höhere Oxidationsbeständigkeit aufweist, jedoch die dispergierten Ti-B-Verbindungen, die die Dauerfestigkeit vermindem, nicht enthält.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein TiAl bereitgestellt mit den Gewichtsprozenten 31,5 bis 33,5% Al, 1,5 bis 2,3% Fe, 1,5 bis 2,1% und 3,7 bis 4,8% Nb und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Anstatt Nb können 1,5 bis 2,0% V verwendet werden, wenn für ein Produkt hohe Oxidationsbeständigkeit nicht erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein Gußstück mit dem oben genannten TiAl hergestellt wird, das die Schritte umfaßt, das TiAl zu schmelzen, das geschmolzene TiAl in eine Form zu gießen und es natürlich zu kühlen.
Die Gewichtsprozente der jeweiligen Elemente des TiAl werden anhand folgender Aspekte bestimmt:
Macht Al weniger als 31,5% aus, insbesondere wenn das Verhältnis Al/Ti weniger als 0,49% beträgt, sinkt die Verformbarkeit bei Kälte (oder Umgebungstemperatur) beträchtlich. Macht Al mehr als 33,5% aus, insbesondere wenn das Verhältnis Al/Ti höher als 0,55 ist, nimmt die Bruchfestigkeit bei Umgebungstemperatur ab (Figur 2 der anliegenden Zeichnung). In Figur 2 stellt X(K1c) die Bruchfestigkeit dar und mPa [m] ist ihre Dimension.
Fe spielt bei der Erfindung eine sehr wichtige Rolle. Die Beigabe von Fe senkt den Schmelzpunkt des TiAl um etwa 30 bis 40ºC ohne einen bestehenden Fest-Flüssigbereich des TiAl stark zu vergrößern. Dadurch wird die gewünschte Fließfähigkeit während des Gießens des TiAl gewährleistet und ein einwandfreies und fehlerfreies Produkt erzielt. Insbesondere bedeutet beim Präzisionsgießen eines dünnen Gußteils wie ein Turbinenblatt ein niedriger Schmelzpunkt, daß beim Gießvorgang die gute Fließfähigkeit in der Form beibehalten wird und die Erzeugung grober Lamellenkörner durch das Vorhandensein einer Betaphase, die von Fe abhängt, selbst bei relativ schneller Abkühlung vermieden wird. Dadurch erzielt man ein Produkt mit einer feinen Gußstruktur. Wird weniger als 1,5% Fe beigefügt, ist eine ausreichende Fließfähigkeit der Schmelze nicht gewährleistet, und wird mehr als 2,3% Fe beigefügt, nimmt das Ausfällen der Beta-Phase ungewollt zu, wodurch sich die Kaltverformbarkeit verschlechtert.
Nb ist als Beta-Stabilisator (Beta-Former) bekannt, und hilft bei der Bildung weiterer Temper- und Verformpaare, die die Kaltverformbarkeit verbessern. Ferner wurde getestet, welches Element/welche Elemente zusammen mit Fe die Oxidationsbeständigkeit verbessern. Dabei wurde festgestellt, daß Nb das beste Element ist. Wird weniger als 1,5 Gewichtsprozent Nb beigefügt, verbessert sich die Kaltverformbarkeit nicht. Wird mehr als 4,8% Nb beigefügt, erzeugt die Kombination des Nb mit Fe zu viel Betaphase. Dadurch verringert sich nicht nur die Kaltverformbarkeit, sondern auch die Festigkeit bei hohen Temperaturen. Der mittlere Bereich von 2,1 bis 3,7% wird ausgeschlossen, da dieser Betrag (oder Prozentsatz) in 310 Hv (Vickers Härte) oder mehr des gegossenen Teils resultiert, wie dies in Figur 3 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Mit dieser Härte brechen dünne Präzisionsgußteile wie Turbinenblätter selbst in der Form leicht, und/oder die Bearbeitung oder (Weiterverarbeitung) der Gußteile ist schwierig.
Wird 0,18 bis 0,35% B beigefügt (japanische Patentanmeldung 4-88140) wird die schuppenartige Ti-B-Verbindung dispergiert. Dies ist der Grund oder der Ausgangspunkt für Dauerbruch. Bei der Erfindung wird B daher auf 0,07 bis 0,12% reduziert. Diese Menge an B verhindert das Ausfällen der Ti-B-Verbindung und gewährleistet eine angemessene Fließfähigkeit Wird weniger als 0,07% B beigefügt, ist eine ausreichende festigende Wirkung der Korngrenzen nicht zu erwarten, und die Mikrostruktur wird instabil. Wird mehr als 0,12% B beigefügt, erhält man die zuvor erwähnte Dispersion der Ti-B-Verbindungen.
Ist eine hohe Oxidationsbeständigkeit nicht erforderlich, so können anstatt 1,5 bis 2,0% Nb 1,5 bis 2,0% V verwendet werden.
Das Verhältnis Al/Ti des AlTi beträgt vorzugsweise 0,49 bis 0,55%.
Figur 1 zeigt schematisch ein Gußteil (Produkt), wobei das erfindungsgemäße TiAl zum Präzisionsgießen verwendet wird;
Figur 2 ist ein Diagramm, das die mechanischen Eigenschaften von TiAl (dotiert mit Fe, Nb, B) im Gießzustand zeigt;
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Härte von TiAl (dotiert mit Fe, Nb, B) im Gießzustand zeigt;
Figur 4 zeigt eine Fotografie (X200) der Mikrostruktur des aus dem erfindungsgemäßen TiAl gefertigten Gußteils;
Figur 5 zeigt eine Fotografie (X1000) der Mikrostruktur mit der Betaphase (weiße Bereiche), wenn dem TiAl Fe beigefügt wird;
Figur 6 zeigt eine Fotografie (X1000) der Mikrostruktur mit der Betaphase (weiße Bereiche), wenn dem TiAl bei höherer Abkühlgeschwindigkeit Fe beigefügt wird;
Figur 7 ist eine schematische Ansicht eines Gußteils, für das TiAl der japanischen Patentanmeldung 4-88140 zum Präzisionsgießen verwendet wird;
Figur 8 ist eine Fotografie (X400), die die Mikrostruktur des TiAl der Figur 7 zeigt;
Figur 9 zeigt ein Gußstück, für das herkömmliches TiAl, dessen Gußfähigkeit nicht verbessert ist, zum Präzisionsgießen verwendet wird;
Figur 10 ist ein Diagramm (X400), das die grobe Lamellenstruktur des TiAl (Ti mit 34,5 Gewichtsprozent Al) zeigt&sub1; dessen Gußfähigkeit nicht verbessert ist.
Im folgenden werden vorzugsweise Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Das TiAl eines Ausführungsbeispiels enthält die Gewichtsprozent 31,5 bis 33,5% Al, 1,5 bis 2,0% Fe, 1,5 bis 4,8% Nb (unter Ausschluß von 2,1 bis 3,7%) und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Das TiAl eines alternativen Ausführungsbeispiels enthält die Gewichtsprozent 31,5 bis 33,5% Al, 1,8 bis 2,3% Fe, 1,5 bis 2,0% V und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Ti und unvermeidbare Verunreingungen sind.
Der Schmelzpunkt des TiAl, das als Material für Präzionsgießen verwendet wird, liegt bei ungefähr 1480ºC. Dieser Wert ist um 30 bis 40ºC niedriger (1520&sup0;c) als der des Titan-Aluminids mit 34,5% Gewichtsprozenten Al. Dieses TiAl wird bei einer Temperatur von 1500ºC oder mehr, beispielsweise 1550ºC, geschmolzen und zur Herstellung eines Mantelturbinenblattes mit einer bekannten Gießtechnik in eine Form gegossen. Die Temperatur der Form wird auf etwa 400 bis 600ºC erhöht. Die Schmelze kühlt in der Form natürlich ab. Die Abkühlgeschwindigkeit ist derart, daß die Temperatur des gegossenen TiAl nach etwa 20 Minuten 800 bis 1000ºC beträgt. Da die Schmelze in die auf etwa 400 bis 600ºC vorgewärmte Form gegossen wird, festigt sie sich nicht sofort und behält vor der Festigung eine angemessene Fließfähigkeit bei. Dies ermöglicht einwandfreies Prazisionsgießen.
Die Figur 1 zeigt ein Mantelturbinenblatt 1, das aus dem erfindungsgemäßen TiAl gefertigt ist. Diese Abbildung ist eine Fotografie eines tatsächlich in einem Versuch gefertigten Turbinenblattes.
Zum Vergleich des erfindungsgemäßen Turbinenblattes 1 mit den Turbinenblättern aus anderen Titan-Aluminiden stehen ein Turbinenblatt 2 (Figur 7) aus dem TiAl der japanischen Patentanmeldung 4-88140 desselben Erfinders und Anmelders bereit, sowie ein Turbinenblatt 3 (Figur 9) aus einem TiAl, dessen Gußfähigkeit nicht verbessert ist. Die Turbinenblätter der Figuren 7 und 9 sind wie das Turbinenblatt der Figur 1 Abbildungen von Fotograf ien der tatsächlichen Turbinenblätter, die versuchsweise hergestellt wurden.
Obwohl zur Herstellung der Turbinenblätter der Figuren 1, 7 und 9 die gleiche Gießtechnik angewendet wird, haben die Turbinenblätter 1 und 2 der Figuren 1 und 7 eine sehr gute Form, wogegen die Fließfähigkeit des TiAl der Figur 9 nicht zufriedenstellend ist und das Turbinenblatt 3 der Figur 9 ungeeignet erscheint.
Das erfindungsgemäße Titan-Aluminid ist eine Verbesserung des TiAl der japanischen Patentanmeldung 4-88140. Genauer gesagt wurde das erfindungsgemäße Titan-Aluminid bei der Verbesserung des TiAl der japanischen Patentanmeldung 4-88140 für die praktische Anwendung entwickelt. 31,5 bis 33,5 Gewichtsprozent Al werden beigefügt, um die Verformbarkeit und die Bruchfestigkeit bei Umgebungstemperatur in angemessenem Grad beizubehalten, ohne dabei die Gußfähigkeit zu verschlechtern. Dies liegt vorrangig an der Beigabe von Fe. Genauer gesagt fällt die Betaphase (weiße Bereiche in der Fotografie) um die Gammakörner aus, wie dies in der Fotografie der Figur 5 zu sehen ist, und die groben Lamellenstrukturen sind nicht zu sehen. Ist die Abkühlgeschwindigkeit relativ hoch, wenn z.B. die Schmelze mit 1500ºC beispielsweise in 20 Minuten auf ungefähr 800 bis 1000ºC abkühlt, fällt eine fein dispergierte Betaphase aus. Wie aus Figur 6 hervorgeht, verhindert die dispergierte Betaphase das Wachstum von Gammakörnern und der groben Lamellenstruktur, die durch die Umwandlung von Alpha in Gamma + Alpha2 (α T γ + α&sub2;) verursacht wird. Das Resultat ist eine feine Gußstruktur, wie dies in Figur 4 gezeigt ist. Die Festigkeit des TiAl im gegossenen Zustand ist verbessert und Risse werden vermieden.
Zur Festigung der Korngrenzen, Stabilisierung der Mikrostruktur und Vermeidung von Dispersion schuppenartiger Ti-B-Verbindungen, die die Dauerfestigkeit verschlechtern würden, werden 0,07 bis 0,12 Gewichtsprozent B beigefügt.
Zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit wird die Kombinationswirkung verschiedener Elemente mit Fe getestet. Dabei stellt sich heraus, daß ein gewisser Anteil Nb und Fe die Oxidationsbeständigkeit in höherem Maße verbessert als nur Mo oder eine Kombination aus Nb und Cr. Hierzu ist zu bemerken, daß V anstatt 1,5 bis 2,0% Nb verwendet werden kann, wenn die Oxidationsbeständigkeit nicht unbedingt erforderlich ist.
Wie zuvor beschrieben, hat TiAl eine hervorragende Fließfähigkeit sowie hohe Festigkeit und relativ hohe Verformbarkeit im gegossenen Zustand. Ferner haben die Gußteile aus dem erfindungsgemäßen TiAl keine Risse, selbst wenn sie eine dünne und komplizierte Konfiguration haben. Somit erhöht sich die Menge einwandfreier Gußstücke. Die Verarbeitung der Gußstücke wird somit leichter und die Kosten reduzieren sich. Die vorliegende Erfindung stellt ein Titan-Aluminid bereit, das tatsächlich industriell verwendet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie oben beschrieben die Fließfähigkeit des TiAl verbessert, die Dispersion der schuppenartigen Ti-B-Verbindungen, die die Dauerfestigkeit verschlechtern, vermieden und die Oxidationsbeständigkeit verbessert.

Claims

1. Verfahren zum Präzisionsgießen eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:

(A) Vorbereiten eines Titan-Aluminids mit den Gewichtsprozenten 31,5 bis 33.5% Al, 1,5 bis 2,3% Fe, 1,5 bis 4,8% (unter Ausschluß von 2,1 bis 3,7) Nb und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen sind;

(B) Schmelzen des Titan-Aluminids;

(C) Gießen der Schmelze in die Form; und

(D) natürliches Abkühlen der Schmelze in einer Form.

2. Verfahren zum Präzisionsgießen eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:

(A) Vorbereiten eines Titan-Aluminids mit den Gewichtsprozenten 31,5 bis 33.5% Al, 1,5 bis 2,3% Fe, 1,5 bis 2,0% V und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen sind;

(B) Schmelzen des Titan-Aluminids;

(C) Gießen der Schmelze in die Form; und

(D) natürliches Abkühlen der Schmelze in einer Form.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (B) das Erwärmen des Titan-Aluminids auf 1500ºC oder mehr umfaßt, und der Schritt (D) so ausgeführt wird, daß die Schmelztemperatur in ungefähr 20 Minuten auf etwa 800 bis 1000ºC gesenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner den Schritt umfaßt, bei dem die Form vor dem Schritt (C) auf etwa 400 bis 600ºC vorgewärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (D) so ausgeführt wird, daß sich eine Beta-Phase um ein Gammateilchen niederschlägt und keine groben Lamellenteilchen erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine Form zum Gießen eines dünnen Gegenstandes komplexer Form ist.

7. Ein Titan-Aluminid zum Präzisionsgießen, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan-Aluminid die Gewichtsprozente hat: 31,5 bis 33,5% Al; 1,5 bis 2,3% Fe; 1,5 bis 4,8% (unter Ausschluß von 2.1 bis 3,7) Nb; und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen sind.

8. Ein Titan-Aluminid zum Präzisionsgießen, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan-Aluminid die Gewichtsprozente hat: 31,5 bis 33,5% Al; 1,5 bis 2,3% Fe; 1,5 bis 2,0% V; und 0,07 bis 0,12% B, wobei der Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen sind.

9. Das Titan-Aluminid nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Aluminium/Titan 0,49 bis 0,55 beträgt.