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EP0948658B1 - TiAl-LEGIERUNG UND IHRE VERWENDUNG - Google Patents

TiAl-LEGIERUNG UND IHRE VERWENDUNG Download PDF

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EP0948658B1
EP0948658B1 EP97948908A EP97948908A EP0948658B1 EP 0948658 B1 EP0948658 B1 EP 0948658B1 EP 97948908 A EP97948908 A EP 97948908A EP 97948908 A EP97948908 A EP 97948908A EP 0948658 B1 EP0948658 B1 EP 0948658B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
mpa
room temperature
alloy
yield stress
tial alloy
Prior art date
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EP97948908A
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English (en)
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EP0948658A1 (de
Inventor
Georg Dr. Frommeyer
Jürgen Dr. Wesemann
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium

Definitions

  • the invention relates to a molybdenum-containing TiAl alloy high strength with good toughness or Ductility and its use in the manufacture of semi-finished products produced by hot forming and the products from them end products to be manufactured.
  • TiAl-based alloys containing molybdenum are known.
  • Min-Chul-Kim et al. (Materials Transactions, JIM, Vol. 37, No. 5 (1996), p. 1197) an alloy of the composition Ti 51 Al 48.4 Mo 0.6 , which has a yield stress of 300 MPa at 1.4% plastic at room temperature Shows stretch.
  • an alloy of the composition Ti 50.8 Al 48.6 Mo 0.6 is known (Sumitomo Search No. 52 (1993) 74), which at room temperature reaches a yield stress of 365 MPa with a 1.2% plastic elongation.
  • JP-A-129 8 127 describes a Ti-Al alloy with 2 at to Mo and 0.2 at% Si.
  • the alloy has a yield stress of 36 kgf / mm 2 (533.16 MPa) at room temperature.
  • the object of the invention is now a TiAl alloy to create the one at room temperature Yield stress of at least 400 MPa at a plastic elongation greater than 2% and after one Thermoforming a yield stress at room temperature of reached over 700 MPa.
  • a TiAl alloy is used to achieve this object with 0.1 to 0.5 at% Si and 0.5 to 4.0 at% Mo, preferably 0.2 to 0.4 at% Si and 1 to 2 at% Mo, in particular 0.2 at% Si and 1.0 at% Mo are proposed.
  • Such a TiAl alloy has a crack toughness K IC of greater than 30 MPa in the cast state with a lamellar microstructure. m 1/2 a yield stress at room temperature of greater than 400 MPa with a plastic elongation of over 2%. Oxidation tests in air at 850 ° C showed an increase in mass of less than 5 mg / cm 3 after 500 h. In contrast, a Ti 50 Al 50 reference alloy has an increase in mass of over 13 mg / cm 3 .
  • the creep resistance was determined in comparison with a known TiAlCrSi alloy in a compression test. The creep stress (strain rate or creep speed: 10 -7 / S) of the alloy according to the invention is over 450 MPa at 800 ° C. In contrast, with the well-known, highly developed TiAl base alloy Ti 48 Al 48 Cr 2 Nb 2, the creep limit is reached at stresses of 240 MPa.
  • the alloy according to the invention advantageously as Material for the production of in the temperature range formed from 1100 to 1350 ° C, in particular extruded objects with a yield stress of at least 700 MPa at room temperature, such as connecting rods, Piston pins and rotating components, e.g. Shoveling in Low pressure turbines, axial compressors and centrifuges.
  • the invention is particularly advantageous TiAl alloy for intake and exhaust valves in Internal combustion engines.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Extrusion Of Metal (AREA)
  • Forging (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine molybdänhaltige TiAl-Legierung hoher Festigkeit mit guter Zähigkeit bzw. Duktilität und ihre Verwendung für die Herstellung von durch Warmumformung erzeugten Halbzeugen und den daraus zu fertigenden Endprodukten.
Molybdänhaltige TiAl-Basis-Legierungen sind bekannt. So beschreibt Min-Chul-Kim et al. (Materials Transactions, JIM, Vol. 37, No. 5 (1996), p. 1197)eine Legierung der Zusammensetzung Ti51Al48,4Mo0,6, die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 300 MPa bei 1,4 % plastischer Dehnung aufweist. Ferner ist eine Legierung der Zusammensetzung Ti50,8Al48,6Mo0,6 bekannt (Sumitomo Search Nr. 52 (1993) 74), die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 365 MPa bei einer 1,2 % plastischen Dehnung erreicht.
JP-A- 129 8 127 beschreiht eine Ti-Al-Legierung mit 2 at to Mo und 0.2 at %Si. Die legierung weist Lei Raum temperatur eine Flieβspannung van 36 kgf/mm2 (533,16 MPa) auf.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine TiAl-Legierung zu schaffen, die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von mindestens 400 MPa bei einer plastischen Dehnung von größer als 2 % und nach einer Warmverformung eine Fließspannung bei Raumtemperatur von über 700 MPa erreicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine TiAl-Legierung mit 0,1 bis 0,5 at% Si und 0,5 bis 4,0 at% Mo, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 at% Si und 1 bis 2 at% Mo, insbesondere 0,2 at% Si und 1,0 at% Mo vorgeschlagen.
Eine solche TiAl-Legierung hat im Gußzustand mit lamellarer Mikrostruktur eine Rißzähigkeit KIC von größer 30 MPa . m1/2 eine Fließspannung bei Raumtemperatur von größer 400 MPa bei einer plastischen Dehnung von über 2 %. Oxidationsversuche an Luft bei 850 °C ergaben eine Massenzunahme von weniger als 5 mg/cm3 nach 500 h. Demgegenüber hat eine Ti50Al50-Referenzlegierung eine Massenzunahme von über 13 mg/cm3. Die Kriechfestigkeit wurde im Vergleich zu einer bekannten TiAlCrSi-Legierung im Druckversuch ermittelt. Die Kriechspannung (Dehnrate bzw. Kriechgeschwindigkeit: 10-7/S) der erfindungsgemäßen Legierung beträgt bei 800 °C über 450 MPa. Dagegen ist bei der bekannten hochentwickelten TiAl-Basis-Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 die Kriechgrenze bereits bei Spannungen von 240 MPa erreicht.
Durch Warmumformen, insbesondere Strangpressen, im Temperaturbereich von 1100 bis 1350 °C wird ein Mikroduplex-Gefüge eingestellt, das bis 1000 °C extrem hohe Festigkeiten erzielen läßt. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Fachmeinung, gemäß der einem grobkörnigen Gußgefüge gegenüber einem thermomechanisch prozessierten feinkörnigen Gefüge eine größere Hochtemperaturfestigkeit -Streckgrenze und Zugfestigkeitzugeschrieben wurde. Je nach Umformgrad beträgt die Fließspannung im stranggepreßten Zustand bei feinkörnigem äquiaxialen Gefüge 700 bis 800 MPa bei Raumtemperatur, 380 bis 600 MPa bei 800 °C und bis zu 180 MPa bei 1000 °C. Die Fließspannungen sind somit deutlich höher als die bisher bekannter TiAl-Legierungen im stranggepreßten Zustand, die nur 600 MPa bei Raumtemperatur und 400 MPa bei 760 °C erreichen.
Bei Raumtemperatur werden plastische Dehnungen von 2,3 bis 3,4 % erreicht, 6 bis 13 % bei 700 °C und bis 91 % bei 800 °C.
Aufgrund ihres vorgenannten Eigenschaftsspektrums eignet sich die erfindungsgemäße Legierung mit Vorteil als Werkstoff für die Herstellung von im Temperaturbereich von 1100 bis 1350 °C umgeformten, insbesondere stranggepreßten Gegenständen mit einer Fließspannung von mindestens 700 MPa bei Raumtemperatur, wie Pleuel, Kolbenbolzen und rotierende Bauteile, z.B. Schaufeln in Niederdruckturbinen, Axialverdichtern und Zentrifugen. Besonders vorteilhaft eignet sich die erfindungsgemäße TiAl-Legierung für Ein- und Auslaßventile in Verbrennungsmotoren.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Herstellen von thermisch und / oder mechanisch hoch belasteten Bauteilen, wie rotierend oder oszillierend bewegten Motorbauteilen,
    bei dem eine TiAl-Legierung, die
    (in Atom-%) 0,1 - 0,5 % Si sowie 0,5 - 4,0 % Mo enthält und
    im Gußzustand bei Raumtemperatur eine Fließspannung von mehr als 400 MPa bei einer plastischen Dehnung von mehr als 2% aufweist,
    im Temperaturbereich von 1100 - 1350 °C warmverformt, insbesondere stranggepreßt wird,
    so daß sie im warmverformten Zustand bei Raumtemperatur eine Fließspannung von mehr als 700 MPa und bei einer Temperatur von 800 °C eine Fließspannung von 380 - 600 MPa besitzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß TiAl-Legierung
       0,2 - 0,4 at-% Si und
       1,0 - 2,0 at-% Mo
    enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß TiAl-Legierung
       0,2 at-% Si und
       1,0 at-% Mo
    enthält.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile bei Raumtemperatur oder tiefen Temperaturen eingesetzt werden.
EP97948908A 1996-11-09 1997-11-10 TiAl-LEGIERUNG UND IHRE VERWENDUNG Expired - Lifetime EP0948658B1 (de)

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