DE10024343A1 - Bauteil auf Basis von gamma-TiAl-Legierungen mit Bereichen mit gradiertem Gefüge - Google Patents
Bauteil auf Basis von gamma-TiAl-Legierungen mit Bereichen mit gradiertem GefügeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein einstückig hergestelltes Bauteil aus einer intermetallischen Legierung auf Basis von gamma-TiAl mit gradiertem Gefügeübergang zwischen räumlich aneinandergrenzenden Bereichen jeweils unterschiedlicher Gefügestruktur, welches mindestens in einem Bereich ein lamellares, aus alpha¶2¶/gamma-Lamellen bestehendes Gussgefüge aufweist, und in mindestens einem weiteren Bereich ein near-gamma-Gefüge, Duplex-Gefüge oder feinlammellares Gefüge aufweist und zwischen diesen Bereichen eine Übergangszone mit gradiertem Gefüge vorhanden ist, in welcher das lamellare Gussgefüge allmählich in das andere genannte Gefüge übergeht, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Description
Die Erfindung betrifft Bauteile auf der Basis von inter
metallischen γ-TiAl-Legierungen mit einem gradierten Gefüge
übergang zwischen räumlich getrennten Bereichen mit jeweils
unterschiedlicher Gefügestruktur sowie ein Verfahren zu deren
Herstellung.
Intermetallische γ-TiAl-Legierungen haben in den vergangenen
Jahren aufgrund ihrer Kombination von einzigartigen Material
eigenschaften große Beachtung gefunden. Ihre vorteilhaften
mechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften bei ge
ringem spezifischen Gewicht empfehlen deren Einsatz in der
Luft- und Raumfahrt. Die hohe Temperatur- und Korrosions
beständigkeit macht den Werkstoff für schnell bewegliche
Bauteile in Maschinen, z. B. für Ventile in Verbrennungsmotoren
oder für Schaufeln in Gasturbinen, interessant.
Die gegenwärtig verwendeten technischen Legierungen auf der
Basis von γ-TiAl sind mehrphasig aufgebaut und enthalten neben
dem geordneten tetragonalen γ-TiAl als Hauptphase das geord
nete hexagonale α2-Ti3Al, typischerweise mit 5-15 Vol.-% An
teil. Refraktärmetalle als Legierungselemente können zur Aus
bildung einer metastabilen kubisch raumzentrierten Phase füh
ren, die entweder als β-Phase (ungeordnet) bzw. als B2-Phase
(geordnet) auftritt. Diese Legierungszusätze verbessern die
Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit. Si, B und C
dienen in geringen Mengen zur Kornfeinung des Gussgefüges.
Entsprechende C-Gehalte können zu Ausscheidungshärtungen füh
ren. Die Legierungselemente Cr, Mn und V erhöhen die Raum
temperatur-Duktilität des ansonsten sehr spröden TiAl. Die
Legierungsentwicklung hat je nach Anwendungsprofil zu einer
Reihe unterschiedlicher Legierungsvarianten geführt, die sich
allgemein durch die folgende Summenformel beschreiben lassen:
TiAl(44-48)(Cr,Mn,V)0,5-5(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)0,1-10(Si,B,C,Y)0,05-1
(Angaben in Atom-%)
TiAl-Legierungen werden üblicherweise durch mehrfaches Schmel
zen in einem Vakuum-Lichtbogenofen als Ingots hergestellt (VAR
- Vacuum Arc Remelting). Alternativ ist die Herstellung von
Legierungen auf der Basis von γ-TiAl mittels Kokillenguss aus
einem Kaltwand-Induktions- bzw. -Plasmaofen oder mittels
Inertgas-Verdüsung aus einem Kaltwandtiegel zu γ-TiAl-Pulver
und pulvermetallurgischer Weiterverarbeitung technisch reali
siert. Das über die Ingot-Route erschmolzene γ-TiAl weist üb
licherweise ein grobkörniges Gefüge auf, wobei die Körner im
wesentlichen aus γ-TiAl/α2-Ti3Al-Lamellen aufgebaut sind (s.
Fig. 1). Je nach dem angewendeten Schmelzverfahren, der Legie
rungszusammensetzung und je nach Art und Geschwindigkeit des
Erstarrens der Schmelze zur festen Basislegierung und der
darauf folgenden Abkühlung lässt sich im Gussgefüge ein weites
Spektrum von mehr oder weniger homogenen kleinen und/oder
grossen Korndurchmessern, aber auch von fein oder grob lamel
larer Struktur innerhalb eines Kornes der Legierung erzielen.
Stellvertretend für diesen Stand der Technik seien die US-
Patentschriften 5 846 351, 5 823 243, 5 746 346 und
5 492 574 genannt.
Entsprechend den tatsächlich im Werkstoff erzeugten Phasen und
Gefügen lassen sich sehr unterschiedliche Kombinationen von
mechanischen Eigenschaften im Werkstoff erzielen - z. B. hin
sichtlich Duktilität, Ermüdungsfestigkeit (entsprechend der
Bruchdehnung und Zugfestigkeit), Kriechfestigkeit bei hohen
Temperaturen und Bruchzähigkeit.
Die Bandbreite an gefügebedingten mechanischen Eigenschaften
einer γ-TiAl-Legierung wird bekanntermassen über das Massiv
umformen bei Temperaturen im Bereich zwischen 900°C und 1400°C
gegenüber der von Gussgefügen wesentlich erweitert. Bei der
Massivumformung entsteht ein dynamisch rekristallisiertes
feinkörniges Gefüge. Durch Wahl der Umformtemperatur und/oder
durch nachgeschaltete Wärmebehandlungen oberhalb oder unter
halb der sogenannten α-Transus-Temperatur lassen sich die 4
grundlegenden Gefügetypen near-γ-Gefüge (globulare γ-Körner
mit α2-Phase an Korngrenzen und Triple-Punkten), Duplex-Gefüge
(globulare γ-Körner und lamellare α2/γ zu annähernd gleichen
Anteilen), nearly lamellare Gefüge (Körner aus α2/γ-Lamellen
und vereinzelt globulare γ-Körner) und fully lamellare Gefüge
(Körner aus α2/γ-Lamellen) einstellen (s. Fig. 2).
Feinkörnige near-γ- und Duplex-Gefüge besitzen eine gute
Raumtemperatur-Duktilität, eine hohe Bruchdehnung und eine
hohe Zugfestigkeit und damit eine hohe Ermüdungsfestigkeit,
gleichzeitig aber eine niedrige Kriechfestigkeit und eine
geringe Bruchzähigkeit. Demgegenüber zeigen Gefüge mit ver
gleichsweise gröberen Körnern und mit stark ausgeprägter
lamellarer Struktur eine deutlich bessere Kriechfestigkeit und
eine höhere Bruchzähigkeit, andererseits aber auch eine ge
ringere Ermüdungsfestigkeit und Bruchdehnung.
Entsprechend gross ist die Anzahl bereits erprobter Legie
rungs- und Gefüge-Ausgestaltungen von γ-TiAl und dorthin
führender Herstellungsverfahren. Dabei geht es einerseits um
die Erzielung eines möglichst optimalen Kompromisses zwischen
einzelnen, sich mit den Behandlungsschritten vielfach gegen
läufig verändernden thermomechanischen Eigenschaften im Werk
stoff und andererseits um eine Kosten-Optimierung bei der
Festlegung der einzelnen, nacheinander unverzichtbaren anzu
wendenden Behandlungsschritte.
Zur Erzeugung definierter Phasen- und Gefüge-Strukturen
mittels Werkstoffnachbehandlungen wird grundsätzlich von aus
der Schmelze erstarrten γ-Basis-TiAl-Legierungen ausgegangen.
Die Nachbehandlungen bestehen nach dem Stand der Technik
entweder in speziellen Wärmebehandlungszyklen (siehe D. Zhang,
P. Kobold, V. Güther und H. Clemens: Influence of Heat
Treatments on Colony Size and Lamellar Spacing in a Ti-46Al-
2Cr-2Mo-0,25Si-0,3B Alloy, Zeitschrift für Metallkunde, 91
(2000) 3, s. Seite 205) oder in verschiedenartigen Umform
schritten.
Die DE-C-43 18 424 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
von Formkörpern aus γ-TiAl-Legierungen, beispielsweise auch in
Form von Ventilen und Ventiltellern für Motoren. Dazu wird
ein Gussrohling zunächst im Temperaturbereich von 1050°C bis
1300°C unter quasiisothermen Bedingungen mit hohem Umformgrad
verformt, das Teil danach abgekühlt und schliesslich bei
Temperaturen von 900°C bis 1100°C bei geringer Umformgeschwin
digkeit von 10-4 bis 10-1/s zum endabmessungsnahen Formteil
superplastisch umgeformt. Das Verfahren ist mehrschrittig und
damit technisch aufwendig.
Es werden vielfach Bauteile benötigt, und dazu gehören bei
spielsweise auch Ventile für Verbrennungsmotoren und Rotor
schaufeln für Gasturbinen, für die in einzelnen Bauteil-
Bereichen unterschiedliche, zum Teil stark unterschiedliche
Werkstoffeigenschaften gefordert werden, insbesondere auch
hinsichtlich ihrer thermomechanischen Eigenschaften. Dem wird
bisher in der Regel dadurch entsprochen, dass ein Bauteil aus
Bereichen unterschiedlicher Werkstoffe zusammengesetzt wird,
z. B. mittels kraft- und/oder materialschlüssigen Fügens. Ven
tile für Verbrennungsmotoren werden heute beispielsweise aus
für den Schaft und für den Tellerbereich unterschiedlichen
Stahlsorten hergestellt, wobei die Teile durch Reibschweissen
miteinander verbunden werden.
Gemäss AT-U-381/98 werden Tellerventile für Verbrennungskraft
maschinen aus γ-Basis-TiAl-Legierungen beschrieben, die aus
einem einstückigen, z. B. einem erschmolzenen oder durch heiss
isostatisches Pressen von Legierungspulvern hergestellten Roh
ling gefertigt sind. Das Rohteil wird mittels eines ersten
Umformvorganges einheitlich auf solche thermomechanische Werk
stoffeigenschaften gebracht, welche den späteren Anforderungen
an den Tellerbereich des Ventiles entsprechen. In einem zwei
ten Umformprozess mittels Strangpressen und gleichzeitiger
Formgebung auf Bauteil-Sollmasse, wird das bereits einmal
umgeformte Halbzeug in einer entsprechend ausgestatteten
Strangpressform und in Anwendung von auf die Werkstoffanforde
rungen angepassten Verfahrensparametern ein Teilbereich weiter
zum Schaft umgeformt. Dabei werden in diesem Teilbereich die
für einen Ventilschaft benötigten thermomechanischen Werk
stoffeigenschaften ausgebildet. Der Strangpressvorgang für das
Teil wird in einer Pressform mit konischem Übergang zwischen
Einlass- und Auslassbereich zu dem Zeitpunkt "abgebrochen",
dass ein fertiges Ventil mit zweimal umgeformtem, schlanken
Schaftbereich mit einmal umgeformtem, dicken Tellerbereich und
mit einer konusförmigen Übergangszone entsteht. Die Gefüge,
insbesondere Kornform und -grösse, zwischen Teller- und
Schaftbereich ändern sich gradiert in einer Weise, die durch
die Umformparameter der beiden Umformschritte bestimmt wird.
Dieses Verfahren umfasst ebenfalls mehrere Umformschritte und
ist daher aufwendig und teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für Bauteile aus
Legierungen auf der Basis von γ-TiAl, die im Endzustand lokale
Bereiche mit unterschiedlichen thermomechanischen Anforde
rungsprofilen besitzen und eine Übergangszone hinsichtlich der
Materialeigenschaften aufweisen sollen, ein gegenüber dem
Stand der Technik wirtschaftlicheres Fertigungsverfahren und
ein nach diesem Verfahren hergestelltes, vergleichsweise
preisgünstigeres Bauteil zu schaffen. Dabei ist es das Ziel,
die gesamte mögliche Bandbreite gefügebestimmter Eigenschafts
profile durch die Einstellung unterschiedlicher Grundgefüge in
einem Bauteil auszunutzen. Dementsprechend sollen für Bauteile
mit in einzelnen Bereichen stark unterschiedlicher Temperatur-
und Festigkeitsbeanspruchung den Anforderungen möglichst gut
angepasste Gefüge erzeugt und thermomechanische Eigenschaften
generiert werden, die denjenigen von nach bekannten Verfahren
mit mehrstufigem Umformen erhaltenen Bauteile qualitativ über
legen sind oder zumindest nicht nachstehen, wobei sich die
Bauteile aber kostengünstiger herstellen lassen sollen.
Diese Aufgabe wird durch ein einstückig hergestelltes Bauteil
aus einer intermetallischen Legierung auf Basis von γ-TiAl mit
gradiertem Gefügeübergang zwischen räumlich aneinandergrenzen
den Bereichen jeweils unterschiedlicher Gefügestruktur gelöst,
welches mindestens in einem Bereich ein lamellares, aus α2/γ-
Lamellen bestehendes Gefüge aufweist und in mindestens einem
weiteren Bereich ein near-γ-Gefüge, Duplex-Gefüge oder fein
lamellares Gefüge aufweist, wobei zwischen diesen Bereichen
eine Übergangszone mit gradiertem Gefüge vorhanden ist, in
welcher das lamellare Gussgefüge allmählich in das andere ge
nannte Gefüge übergeht.
Dabei ist das lamellare, aus α2/γ-Lamellen bestehende Gussge
füge vorzugsweise durch gerichtetes Erstarren einer erschmol
zenen Legierung hergestellt worden. Das near-γ-Gefüge, Duplex-
Gefüge oder fein-lamellare Gefüge ist vorzugsweise in dem min
destens einen weiteren Bereich durch Massivumformung und ge
gebenenfalls durch eine Nachbehandlung aus dem Gussgefüge her
gestellt worden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Her
stellung von solchen Bauteilen, wobei in einem ersten Schritt
auf übliche Weise eine geeignete TiAl-Schmelze hergestellt
wird, in einem zweiten Schritt die TiAl-Schmelze durch gerichtetes
Erstarren in ein Halbzeug überführt wird, das ein lamel
lares, aus α2/γ-TiAl-Lamellen bestehendes Gussgefüge aufweist,
und in einem dritten Schritt in einem Teilbereich oder in
Teilbereichen des Halbzeugs das lamellare, aus α2/γ-TiAl-
Lamellen bestehende Gussgefüge durch Massivumformung in einem
Temperaturbereich von 900°C bis 1400°C in ein near-y-Gefüge,
Duplex-Gefüge oder feinlamellares Gefüge überführt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird aus der TiAl-
Schmelze mittels Strangguss ein porenfreies, zylinderförmiges
Halbzeug hergestellt, welches anschliessend durch Strangpres
sen eines Stabbereiches massiv umgeformt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird aus der
TiAl-Schmelze mittels Schleuderguss ein zylinderförmiges
Halbzeug lunkerfrei hergestellt, welches anschliessend durch
Strangpressen eines Stabbereiches massiv umgeformt wird.
Mit der Erfindung können in ein und demselben Bauteil Bereiche
hoher Zugfestigkeit, Duktilität und Ermüdungsfestigkeit mit
Bereichen hoher Bruchzähigkeit und hoher Kriechbeständigkeit
realisiert werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten
Bauteile besteht darin, daß über die Auswahl der Fertigungs
schritte im Vergleich zum Stand der Technik eine erhebliche
Einsparung bei den Fertigungskosten erzielt werden kann. Der
wirtschaftliche Vorteil ergibt sich aus der technischen Er
kenntnis, dass bei derartigen Bauteilen auf ein mehrfaches
Umformen des Halbzeugs mit Gussgefüge verzichtet werden kann.
In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 das lamellare Gussgefüge eines VAR-TiAl-Ingots,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Phasendiagramm TiAl, wobei
die schräg verlaufende Linie zwischen α und α + γ der
α-Transus ist, der sich stark mit dem Al-Gehalt ändert,
und wobei eine Wärmebehandlung eines durch Um
formung dynamisch rekristallisierten Werkstoffes ober
halb des Transus zu einem fully lamellaren, unterhalb
in Abhängigkeit von der Temperatur zu einem nearly
lamellaren, Duplex- oder globularen near-γ-Gefüge
führt,
Fig. 3 das Schema der Erschmelzung von homogenem TiAl-Halb
zeug gemäß A. L. Dowson et al., Microstructure and
Chemical Homogeneity of Plasma - Arc Cold-Hearth
Melted Ti-48Al-2Mn-2Nb Gamma Titanium Aluminide,
Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, R. Wagner
and M. Yamaguchi, The Minerals, Metais & Materials
Society, 1995,
Fig. 4 eine metallografische Gefügeaufnahme des Tellerbe
reiches eines erfindungsgemäss hergestellten Ven
tiles, wobei die Aufnahme im Teller das grobkörnige
lamellare Gussgefüge aus α2/γ-Lamellen zeigt und zu
sehen ist, dass diese Struktur im konischen Teil des
Tellers kontinuierlich in einen Bereich mit fein
körnigem, in der Aufnahme als solches nicht mehr auf
lösbares near-γ-Gefüge übergeht,
Fig. 5 eine lichtmikroskopische Aufnahme des lamellaren
Gussgefüges im Tellerzentrum in höherer Vergrösse
rung, und
Fig. 6 eine lichtmikroskopische Aufnahme des globularen
umgeformten Gefüges im Schaftbereich in höherer
Vergrösserung.
Zum einen erlaubt bereits das weiter unten näher beschriebene,
erfindungsgemässe, spezielle Gussverfahren selbst unvorher
gesehe vorteilhafte Materialeigenschaften bei vergleichsweise
grosser und damit individuell auf die jeweilige Werkstoffan
forderung angepasster Variationsbreite von Eigenschaftskombi
nationen. Zum anderen lässt sich aus einem Halbzeug mit
solcherart eingestelltem Gussgefüge durch Massivumformen ein
dynamisch rekristallisiertes Gefüge mit von den Eigenschaften
des Gusshalbzeugs stark abweichenden thermomechanischen Eigen
schaften erzielen. Die Eigenschaften des dynamisch rekristal
lisierten Gefüges sind durch Anpassung der Verfahrensparameter
ebenfalls variierbar.
Beide Verfahren, das spezielle Schmelz- und Gussverfahren
sowie der anschliessende Umformprozess, ergänzen sich in einer
nicht vorhergesehenen Art und Weise. In Summe lassen sich
danach Werkstoffeigenschaften und Kombinationen von Werkstoff
eigenschaften mittels eines einstufigen Umformprozesses in
einer Bandbreite innerhalb eines einzigen Bauteils erzielen,
die bisher auch mit mehrstufigen Umformprozessen nicht reali
siert werden konnten. Diese Erkenntnis bezieht sich auf lokal
stark unterschiedlich beanspruchte Bauteile und solche techni
schen Anwendungsfälle, in denen sich γ-TiAl grundsätzlich als
Werkstoff anbietet.
Die Werkstoffbezeichnung "intermetallische γ-TiAl-Legierung"
umfasst ein weites Feld von Einzellegierungen. Ein wesent
licher Legierungsbereich ist durch die Summenformel
TiAl(44-48)(Cr,Mn,V)0,5-5(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)0,1-10(Si,B,C,Y)0,05-1
(Angaben in Atom-%)
abgedeckt.
Daneben gehören zu dieser Werkstoffgruppe auch orthorhombische
Titan-Aluminid-Basislegierungen, z. B. mit einer typischen
Legierungs-Zusammensetzung Ti-25Al-20Nb (Atom-%). Ihr ver
gleichsweise höheres spezifisches Gewicht macht diese Gruppe
für diejenigen Anwendungsfälle weniger interessant, bei denen
Bauteile schnellen und oszillierenden Bewegungsabläufen ausge
setzt sind, wie es zum Beispiel bei Ventilen in Verbrennungs
kraftmotoren der Fall ist.
Die erfindungsgemäss einstellbaren Gefüge aus den eingangs
beschriebenen Phasen und Grundgefügen ergeben sich als Folge
der erfindungsgemässen Verfahrensschritte, nach denen ent
sprechende Bauteile hergestellt werden.
Die bisher beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer γ-
TiAl-Legierung aus der Schmelze bzw. eines Schmelz-Guss-Roh
lings ergeben inhomogen ausgebildete Phasen und Gefüge
strukturen innerhalb des Rohlings, die allein schon eine
Homogenisierung durch Heissisostatisches Pressen (HIP)
und/oder einer Hochtemperaturglühung oder Umformung erfor
derlich machten. Demgegenüber hat sich das erfindungsgemässe
Stranggussverfahren aus einem Kaltwandtiegel und Blockabzug
des geeigneten Halbzeugs hervorragend gut bewährt, um dem
Bauteil die geforderten Werkstoffeigenschaften für die Anwen
dungen zu geben, bei denen es auf Hochttemperatur-Kriech
festigkeit und hohe Bruchzähigkeit, dagegen weniger auf
Ermüdungsfestigkeit und Bruchdehnung ankommt. Mit der
Schmelzausbringung über Strangguss lässt sich in einem weiten
Umfang ein Eigenschaftsprofil einstellen, wie es für das
fertige Bauteil im nicht weiter umgeformten Bauteilbereich
gefordert ist, z. B. das Profil des Tellerteils in einem Ventil
für Verbrennungsmotoren. Je kleiner der Durchmesser des
stranggegossenen Halbzeugs gewählt werden kann, um so kleinere
lamellare Koloniegrössen und Lamellenabstände mit noch höherer
Bruchzähigkeit und Kriechfestigkeit lassen sich erzeugen.
Das Halbzeug in Form des Guss-Rohlings wird erfindungsgemäss
anschliessend im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1400°C
durch Strangpressen oder mittels eines äquivalenten Umformver
fahrens massiv umgeformt und dabei in eine Form gebracht, die
auf die Maße des Endproduktes abgestimmt ist. Zur Erzielung
eines gradierten Gefüges werden die Stangen nur über einen
Teil Ihrer Gesamtlänge in einer Strangpressmatrize solcher
Profilmaße stranggepresst, die zumindest näherungsweise den
Endabmessungen des Bauteiles im umgeformten Bereich entspre
chen, z. B. Abmessungen eines Ventils für Verbrennungsmotoren
mit konischem Übergang zwischen Schaft- und Tellerbereich,
d. h. die Strangpressform besitzt einen sich konisch verjüngen
den Querschnitt zwischen Einlassbereich zum Auslassbereich.
Das Halbzeug wird im sich konisch verjüngenden Matrizenbereich
zunehmend stärker umgeformt und damit kontinuierlich vom Ge
fügezustand des Gussgefüges in den durch Strangpressen erziel
ten rekristallisierten Gefügezustand überführt. Das bereits
vorliegende Erfahrungswissen macht es dem Fachmann möglich,
mittels entsprechender Umformparameter innerhalb material
bedingter Grenzen bestimmte thermomechanische Eigenschaften
des Werkstoffes gezielt zu verändern und auf besondere
Anforderungen hin zu optimieren.
Bevorzugte Bauteile gemäss Erfindung sind Ventile für Ver
brennungskraftmaschinen. Dies gilt insbesondere für sich
abzeichnende zukünftige Einsatzfälle. Während man bisher
Motorventile üblicherweise über eine Nockenwelle steuert und
dazu als Werkstoff verschiedene Stahlsorten einsetzt, geht die
laufende Entwicklung in Richtung elektromagnetischer oder
pneumatischer Einzelventilsteuerung. Dafür werden aber Leicht
ventile benötigt, die über eine ausreichende Festigkeit und
Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, im Extremfall
bis zu 850°C im Tellerbereich, verfügen müssen.
Ventile werden im Schaftbereich bei eher mäßigen Temperaturen
durch starke Wechselbelastungen (Ermüdung) beansprucht. Ent
sprechend hoch sind dort die Anforderungen an den Werkstoff
hinsichtlich Festigkeit und Duktilität. Wie weiter oben be
reits beschrieben wurde, werden bei erfindungsgemässen Bau
teilen aus intermetallischen γ-TiAl-Legierungen diese lokal
unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften in hervor
ragender Weise erreicht.
Weitere, besonders geeignete Bauteile sind Schaufeln von
Gasturbinen, bei denen im Fusspunkt der Schaufel andere
thermomechanische Eigenschaften gefordert sind als im Umfangs
bereich der Schaufel.
Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels für
Ventile für Verbrennungskraftmaschinen im Detail beschrieben.
Es wird eine TiAl-Ausgangslegierung der Zusammensetzung
Ti-46Al-8,5Nb-(1-3)(Ta,Si,B,C,Y) (Angaben in Atom-%) auf
schmelzmetallurgischem Wege zu einem Stangenmaterial mit
einem Durchmesser von 40 mm hergestellt, der näherungsweise
dem Durchmesser eines Ventiltellers entspricht. Die Herstel
lung der Legierung erfolgt durch Mischen von Titan-Schwamm,
Al-Granalien und einer Vielstoff-Vorlegierung AlNbTaSißYC, in
der die Atomverhältnisse zwischen den Legierungselementen Nb,
Ta, Si, B, C und Y denen in der TiAl-Endlegierung entsprechen.
Aus der Materialmischung wird ein stabiler Stab gepresst, der
als Abschmelzelektrode in einem Vakuum-Lichtbogenofen einge
setzt und zu einem Primär-Ingot umgeschmolzen wird. Der
Primär-Ingot weist eine inhomogene Legierungszusammensetzung
auf und wird deshalb in einem Plasma-Ofen (cold hearth) in
einem skull aus arteigenem Material, das sich in einem wasser
gekühlten Kupfertiegel befindet, erneut aufgeschmolzen und
homogenisiert. Über eine mit einem Plasmabrenner beheizte
Rinne fliesst das Schmelzgut in eine Strangabzugseinrichtung,
an dessen oberem Ende eine dritte Homogenisierung in der
schmelzflüssigen Phase mittels eines Kaltwand-Induktions
tiegels erfolgt. Die schmelzflüssige TiAl-Legierung wird nach
unten als Block bzw. Stab abgezogen, wobei das Material poren
frei gerichtet erstarrt. Das in Verfahren ist schematisch in
Fig. 3 dargestellt und ist von A. L. Dowson et al. in
Microstructure and Chemical Homogeneity of Plasma - Arc Cold-
Hearth Melted Ti-48Al-2Mn-2Nb Gamma Titanium Aluminide, Gamma
Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, R. Wagner and M.
Yamaguchi, The Minerals, Metals & Materials Society, 1995,
beschrieben worden.
Im Gegensatz zu diesem in der genannten Literaturstelle be
schriebenen Verfahren bei dem die Kaltwand-Induktionsspule
lediglich für einen Rühreffekt in der Schmelze sorgen soll,
wird in der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausgestaltung die
Spule so dimensioniert, dass die Energie für das vollständige
Aufschmelzen der sich in der Spule befindlichen Legierung
ausreicht. Das so gewonnene Halbzeug weist eine lamellare
Gussstruktur mit Koloniegrössen der Lamellenpakete zwischen
100 µm und 500 µm, aber gleichzeitig eine hervorragende
Materialhomogenität auf. Die einzelnen so als Halbzeug ge
wonnenen Stangen werden in zylindrische Segmente geteilt,
unter Schutzgas auf eine für das Umformen bestimmte Temperatur
von 1200°C gebracht und im Schutzgas durch Fliesspressen in
ein geheiztes Gesenk mit Ventilform ausgepresst. Das Umform
verhältnis im Schaftbereich beträgt ca. 15 : 1 und nimmt vom
Telleransatz in Verlängerung des Schaftes bis zum Tellerende
hin kontinuierlich bis zu einer Nullumformung ab. Im umge
formten Bereich wird durch die bei diesem Prozess auftretende
dynamische Rekristallisation und der gegebenen Prozesstempera
tur ein feinkörniges near-γ-Gefüge erzeugt, während im Teller
bereich das lamellare Gussgefüge erhalten bleibt. Das so aus
gepresste Bauteil wird anschliessend innerhalb von 30 Minuten
auf eine Temperatur oberhalb der Spröd-Duktil-Übergangstempe
ratur abgekühlt, bei dieser Temperatur ca. 60 Minuten belassen
und dann durch normale Abkühlung auf Raumtemperatur gebracht.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend ausge
führte Beispiel beschränkt, vielmehr umfasst die Erfindung
auch Bauteile für andere, nicht genannte Anwendungen, bei
denen ein entsprechender Gefügeaufbau anwendungsbedingt ge
fordert oder von Vorteil ist. Der Werkstoff γ-Basis-TiAl-
Legierung ist nicht auf die explizit genannten Legierungs
zusammensetzungen beschränkt.
Claims (12)
1. Einstückig hergestelltes Bauteil aus einer intermetalli
schen Legierung auf Basis von γ-TiAl mit gradiertem Ge
fügeübergang zwischen räumlich aneinandergrenzenden Berei
chen jeweils unterschiedlicher Gefügestruktur, dadurch
gekennzeichnet, dass es, mindestens in einem Bereich ein
lamellares, aus α2/γ-Lamellen bestehendes Gussgefüge
aufweist, und in mindestens einen weiteren Bereich ein
near-γ-Gefüge, Duplex-Gefüge oder feinlamellares Gefüge
aufweist und zwischen diesen Bereichen eine Übergangszone
mit gradiertem Gefüge vorhanden ist, in welcher das
lamellare Gussgefüge allmählich in das andere genannte
Gefüge übergeht.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
lamellare, aus α2/γ-Lamellen bestehende Gussgefüge durch
gerichtetes Erstarren einer erschmolzenen Legierung her
gestellt worden ist.
3. Bauteil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass das near-γ-Gefüge, Duplex-Gefüge oder fein
lamellare Gefüge in dem mindestens einen weiteren Bereich
durch Massivumformung und gegebenenfalls einer Nachbehand
lung aus dem Gussgefüge hergestellt worden ist.
4. Bauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, dass es ein zylinderförmiges, mittels Stranggusses in
Stabform porenfrei aus, der Schmelze gewonnenes Halbzeug
ist, welches anschließend durch Strangpressen eines Stab
bereiches massiv umgeformt ist.
5. Bauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, dass es ein zylinderförmiges, mittels Schleudergusses
lunkerfrei aus der Schmelze gewonnenes Halbzeug ist, wel
ches anschliessend durch Strangpressen eines Stabbereiches
massiv umgeformt ist.
6. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, dass die Legierung der Summenformel
TiAl(44-48)(Cr,Mn,V)0,5-5(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)0,1-10(Si,B,C,Y)0,05-1
entspricht, ausgedrückt in Atom-%.
TiAl(44-48)(Cr,Mn,V)0,5-5(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)0,1-10(Si,B,C,Y)0,05-1
entspricht, ausgedrückt in Atom-%.
7. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ventil für Ver
brennungsmotoren ist.
8. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt auf
übliche Weise eine geeignete TiAl-Schmelze hergestellt
wird, in einem zweiten Schritt die TiAl-Schmelze durch
gerichtetes Erstarren in ein Halbzeug überführt wird, das
ein lamellares, aus α2/γ-TiAl-Lamellen bestehendes Guss
gefüge aufweist, und in einem dritten Schritt in einem
Teilbereich oder in Teilbereichen des Halbzeugs das
lamellare, aus α2/γ-TiAl-Lamellen bestehende Gussgefüge
durch Massivumformung in einem Temperaturbereich von 900°C
bis 1400°C in ein near-γ-Gefüge, Duplex-Gefüge oder fein
lamellares Gefüge überführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
aus der TiAl-Schmelze mittels Strangguss ein porenfreies,
zylinderförmiges Halbzeug hergestellt wird, welches
anschliessend durch Strangpressen eines Stabbereiches
massiv umgeformt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
aus der TiAl-Schmelze mittels Schleuderguss ein zylin
derförmiges Halbzeug lunkerfrei hergestellt wird, welches
anschliessend durch Strangpressen eines Stabbereiches
massiv umgeformt wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die TiAl-Legierung der
Summenformel
TiAl(44-48)(Cr,Mn,V)0,5-5(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)0,1-10(Si,B,C,Y)0,05-1
entspricht, ausgedrückt in Atom-%.
TiAl(44-48)(Cr,Mn,V)0,5-5(Zr,Cu,Nb,Ta,Mo,W,Ni)0,1-10(Si,B,C,Y)0,05-1
entspricht, ausgedrückt in Atom-%.
2. Verfahren nach mindestens einem dere Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil für Verbrennungs
motoren hergestellt wird.
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