EP0948658B1

EP0948658B1 - TiAl ALLOY AND ITS USE

Info

Publication number: EP0948658B1
Application number: EP97948908A
Authority: EP
Inventors: Georg Dr. Frommeyer; Jürgen Dr. Wesemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-09
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2003-09-17
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: DE19748874C2; ES2207755T3; EP0948658A1; ATE250148T1; WO1998021375A1; DE19748874A1

Abstract

The invention relates to a TiAl alloy with 0.1 to 0.5 at % Si and 0.5 to 0.4 at % Mo as well as the use of said alloy as material for the production of semi-finished products hot shaped in temperatures ranging from 1,100 to 1,350 DEG C, specially extruded semi-finished products and of final products resulting therefrom with a yield stress of at least 700 MPa at ambient temperature, specially of admission and exhaust valves for combustion engines.

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.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.

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 Ti₅₁Al_48,4Mo_0,6, die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 300 MPa bei 1,4 % plastischer Dehnung aufweist. Ferner ist eine Legierung der Zusammensetzung Ti_50,8Al_48,6Mo_0,6 bekannt (Sumitomo Search Nr. 52 (1993) 74), die bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 365 MPa bei einer 1,2 % plastischen Dehnung erreicht.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. Furthermore, 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 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.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.

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.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.

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. According to the invention, 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.

Eine solche TiAl-Legierung hat im Gußzustand mit lamellarer Mikrostruktur eine Rißzähigkeit K_IC von größer 30 MPa . m^1/2 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.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.

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.By hot forming, especially extrusion, in Temperature range from 1100 to 1350 ° C is a Microduplex structure adjusted that extreme up to 1000 ° C can achieve high strength. This is in conflict to the previous expert opinion, according to one coarse-grained casting structure compared to a thermomechanical processed fine-grained structure a larger one High temperature strength - yield strength and tensile strength attributed has been. Depending on the degree of deformation, the Yield stress in the extruded state with fine-grained equiaxial structure 700 to 800 MPa at room temperature, 380 to 600 MPa at 800 ° C and up to 180 MPa at 1000 ° C. The yield stresses are therefore significantly higher than the previously known TiAl alloys in extruded Condition that is only 600 MPa at room temperature and Reach 400 MPa at 760 ° C.

Bei Raumtemperatur werden plastische Dehnungen von 2,3 bis 3,4 % erreicht, 6 bis 13 % bei 700 °C und bis 91 % bei 800 °C. At room temperature, plastic strains of 2.3 to 3.4% reached, 6 to 13% at 700 ° C and up to 91% at 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.Suitable due to its aforementioned range of properties 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.

Claims

Process for the manufacture of structural parts subject to high thermal and/or mechanical stress such as engine components moving by rotation or oscillation,

in which a TiAl alloy which

contains (in atom %) 0.1 - 0.5 % Si and 0.5 - 4.0 % Mo and

exhibits a yield stress in the cast state at room temperature of more than 400 MPa with a plastic strain of more than 2 %,
is hot formed, in particular extruded, within the temperature range of 1100 - 1350 °C

such that, in the hot formed state, it has a yield stress of more than 700 MPa at room temperature and a yield stress of 380 - 600 MPa at a temperature of 800 °C.
Process according to claim 1 characterised in that the TiAl alloy contains
0.2 - 0.4 at% Si and
1.0 - 2.0 at% Mo.
Process according to claim 1 characterised in that the TiAl alloy contains
0.2 at% Si and
1.0 at% Mo.
Process according to one of the preceding claims characterised in that the structural components are used at room temperature or at low temperatures.