DE19581384C2

DE19581384C2 - Auf einer intermetallischen Verbindung basierende Titan-Aluminium-Legierung

Info

Publication number: DE19581384C2
Application number: DE19581384T
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu Tetsui
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1995-07-06
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: DE19581384T1; US6051084A; WO1996012827A1

Description

Die Erfindung betrifft eine auf einer intermetallischen Verbindung basierende Titan-Alumi nium-Legierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Sie betrifft insbesondere Titan- Aluminium-Legierungen mit ausgezeichneter plastischer Verarbeitbarkeit und gutem Wi derstand gegen Oxidation bei hohen Temperaturen und demzufolge einer Eignung zur Ver wendung in energieerzeugenden Gasturbinen, Flugzeugmotoren und dgl.

Es ist unabdingbar, daß eine auf einer intermetallischen Verbindung basierende Titan-Alu minium-Legierung, die als Ersatz für Superlegierungen benutzt werden soll, eine höhere spezifische Festigkeit aufweist als die Superlegierungen. Darüber hinaus sollte die Legie rung, da sie eine lange Zeitspanne unter einer hohen Temperatur verwendet wird, einen gu ten Kriechwiderstand und eine hohe Oxidationsfestigkeit aufweisen.

Da intermetallische Verbindungen, und zwar nicht beschränkt auf intermetallische Titan- Aluminium-Verbindungen, im Vergleich mit üblichen metallischen Materialien eine schlechte Kaltverformbarkeit aufweisen, wurden vorab Versuche mit dem Hauptziel der Verbesserung der Kaltverformbarkeit durchgeführt. Die Zusammensetzung der intermetalli schen Titan-Aluminium-Verbindung, die bisher als am besten geeignet angesehen wurde, ist durch eine geringfügig unterstöchiometrische Aluminium-Konzentration von 48 Atom-% und einen Gehalt an zusätzlichen Komponenten, wie beispielsweise V, Mn, Cr und Nb, von etwa 2 bis 5 Atom-% gekennzeichnet.

Die bekannten Legierungen weisen eine Kaltverformbarkeit von etwa 3% oder darüber auf und sind erheblich verbessert. In dieser Hinsicht sind sie von der Praxis aus gesehen als fast zufriedenstellend zu bewerten. Ihre Hochtemperaturfestigkeit, ihr Kriechwiderstand und Oxidationswiderstand, also Eigenschaften, die für die Benutzung in Turbinenschaufeln und Turbinenrotoren benötigt werden, sind jedoch im Vergleich zu den Superlegierungen noch zu gering. Demzufolge können diese Legierungen nicht als Ersatz für diese Superlegierun gen Verwendung finden. In diesem Zusammenhang werden im folgenden noch detaillierte Daten angegeben.

Hochtemperaturfestigkeit: Die bekannten Titan-Aluminium-Legierungen haben eine Festig keit von etwa 40 N/mm² bei 800°C. Andererseits weist Inconel 713C, das eine typische Su perlegierung ist, bei 800°C eine Festigkeit von etwa 90 N/mm² auf. Somit ist Titan-Alumi nium, obgleich leichter (Titan-Aluminium hat ein spezifisches Gewicht von 3,8, Inconel 713C ein spezifisches Gewicht von 7,9), den Superlegierungen in der spezifischen Festigkeit unterlegen.

Kriechwiderstand: In Versuchen bei 800°C über 100 h zeigten die bekannten Titan-Alumi nium-Legierungen eine Kriechbruchfestigkeit von etwa 15 N/mm². Andererseits hat Inconel 713C eine Festigkeit von etwa 45 N/mm², und zwar bei denselben Versuchsbedingungen. Somit sind die bekannten Titan-Aluminium-Legierungen selbst dann schlechter als Superle gierungen, wenn der Kriechwiderstand in Einheiten der spezifischen Festigkeit ausgedruckt wird.

Oxidationswiderstand: In bei 800°C über 100 h durchgeführten Versuchen zeigten die be kannten Titan-Aluminium-Legierungen einen Oxidationsgewichtszuwachs von etwa 10 mg/cm². Andererseits zeigte Inconel 713C einen Oxidationsgewichtszuwachs von etwa 2 mg/cm² bei denselben Versuchsbedingungen. Somit sind die bekannten Titan-Aluminium- Legierungen bezüglich ihres Oxidationswiderstandes erheblich schlechter.

Eine auf einer intermetallischen Verbindung basierende Titan-Aluminium-Legierung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist aus der DE 42 19 470 A1 bekannt. Gegenstand dieses Dokumentes ist ein Bauteil mit einem einen ersten und einen zweiten Abschnitt ent haltenden Bauteilkörper, wobei der erste Abschnitt von einem duktilen Werkstoff gebildet ist und der zweite Abschnitt einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden Werkstoff aufweist. Jeder der beiden vorgenannten Werkstoffe enthält jeweils eine von zwei auf einem gemeinsamen Basiswerkstoff beruhende Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusam mensetzungen, welche sich voneinander durch das Vorhandensein und/oder die Menge min destens eines dem Basiswerkstoff zulegierten Dotierstoffes unterscheiden. Der Basiswerk stoff ist Titanaluminid. Der Anteil des Dotierstoffes beträgt in mindestens einer der beiden Legierungen mindestens 0,2 und höchstens 8 Atom%, wobei als Dotierstoff mindestens eines oder mehrere der Elemente B, C, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W oder Zr enthalten sind.

Die aus der DE-M 19 964, 40 b, 15-5.5.1955 bekannte Legierung schlägt eine Titan-Alu minium-Legierung mit 35 bis 45% Aluminium, Rest Titan vor, die ferner eines oder mehrere der Elemente Chrom, Nickel und Niob bis zu je 5% enthält, mit der Maßgabe, daß die Summe dieser Zusätze 20% nicht übersteigt.

Die aus EP 0 549 181 A1 bekannte Legierung besteht aus 46 bis 48 Atom-% Aluminium, 1 bis 3 Atom-% Chrom, 6 bis 14 Atom-% Niob und Titan als Rest, enthält somit jedoch kein Kobalt und/oder Nickel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche verbesserte Materialeigenschaften, insbesondere eine hohe Festigkeit, einen hohen Kriechwiderstand und einen guten Oxidationswiderstand, aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Legierung mit den Merkmalen des Patent anspruchs gelöst und besteht aus 39 bis 47 Atom-% Titan, 44 bis 47 Atom-% Aluminium, 6 bis 10 Atom-% Niob, 1 bis 3 Atom-% Chrom sowie 1 bis 3 Atom-% Kobalt und/oder Nic kel.

Zunächst wurden zu diesem Zweck verschiedene Zusatzkomponenten im Hinblick auf die Verbesserung des Oxidationswiderstandes untersucht, und es wurde festgestellt, daß der Zusatz von Niob besonders wirksam ist. Darüber hinaus wurde herausgefunden, daß zur Erzielung einer Hochtemperaturfestigkeit unter Beibehaltung einer Kaltverformbarkeit, also einer exzellenten Eigenschaft, die herkömmliche Legierungen besitzen, das Gefüge aus fei nen, lamellenartigen Körnern zusammengesetzt sein sollte, die einen Durchmesser von 10 µm oder weniger aufweisen und daß dies dadurch erreicht werden kann, daß eine feinver teilte zweite Phase, also die β-Phase, zwischen benachbarten lamellenartigen Körnern dis pergiert wird. D. h., es wurde herausgefunden, daß der Oxidationswiderstand und die Hochtemperaturfestigkeit durch Hinzufügen von Niob und Chrom als zusätzliche Kompo nenten verbessert werden können.

Der Kriechwiderstand der oben beschriebenen Legierung ist zwar besser als derjenige von bekannten Legierungen, jedoch schlechter als der von Inconel 713C, selbst wenn er in Ein heiten der spezifischen Festigkeit ausgedrückt wird. Der Grund dafür hat sich durch Beob achtung des Gefüges feststellen lassen, das nach der Kriechverformung erhalten wurde. So wurde herausgefunden, daß die Verformung des lamellenartigen Gefüges, das den größten Teil der Legierung bildet, gering ist, während die Verformung der β-Phase, die zwischen den lamellenartigen Körnern vorliegt, erheblich ist. Darüber hinaus wurde auch festgestellt, daß das Kristallgefüge der β-Phase dem B2-Gefüge, basierend auf dem b. c. c.-Gefüge ent spricht. Bekanntlich hat eine intermetallische Verbindung des B2-Gefüges im allgemeinen eine hohe Festigkeit, jedoch einen geringen Langzeitkriechverformungswiderstand, weil die Diffusionsgeschwindigkeit der Atome im Gefüge aufgrund seiner Kristallstruktur hoch ist. D. h. es wurde festgestellt, daß in der mit Zusätzen von Niob und Kobalt versehenen Titan- Aluminium-Legierung die eine zweite Phase bildende β-Phase, obgleich nur in einem gerin gen Umfang vorhanden, leicht der Kriechverformung unterliegt und damit die erwartete Er höhung der Kriechfestigkeit der gesamten Legierung verhindert.

Auf der Grundlage der oben beschriebenen Beobachtungsergebnisse wurden erfindungsge mäß unterschiedliche fünf Komponenten untersucht, um den Kriechwiderstand der β-Phase zu verbessern, und es wurde herausgefunden, daß der Zusatz von Nickel oder Kobalt oder von beiden gemeinsam effektiv ist. Darüber hinaus wurde die Ursache dafür durch eine Be trachtung des Gefüges erforscht. Somit wurde festgestellt, daß aufgrund des Zusatzes von Nickel oder Kobalt eine intermetallische Verbindungsphase des L2₁-Gefüges (im folgenden β'-Phase genannt), die analog dem B2-Gefüge und gewöhnlich als Heusler-Gefüge bekannt ist, in gleichem Umfang in der γ-Phase abgeschieden wird, so daß eine Korngröße im Be reich von Nanometer auftritt und damit in der β-Phase eine Grenzfläche ausgebildet wird, die etwa gleich der γ/γ'-Grenzfläche ist, welche bei Superlegierungen auf Nickel-Basis eine Ursache für den Kriechverformungswiderstand bildet. Die erfindungsgemäß auf einer inter metallischen Phase basierenden Titan-Aluminium-Legierungen wurden auf der Basis der oben beschriebenen Untersuchungsergebnisse entwickelt.

Im folgenden werden die Wirkungen und Gründe für die Beschränkung der verschiedenen Komponenten in der erfindungsgemäßen Legierung beschrieben.

a) Titan

Das Element Titan ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Legierungen. Wenn die Titan- Konzentration kleiner als 39 Atom-% ist, werden γ-Körner mit geringer Festigkeit erzeugt, und das Gefüge entwickelt sich analog demjenigen der bekannten Legierungen, wodurch sich eine Abnahme der Hochtemperaturfestigkeit und des Kriechwiderstandes ergibt. Wenn andererseits die Titan-Konzentration größer ist als 47 Atom-%, so ergibt sich ein größerer Anteil der groben β-Phase, und die lamellenartigen Körner nehmen sehr stark ab. Dadurch wird eine ungeeignete Komponentenproportionierung im Gefüge bewirkt, die zu einer Ab nahme der Hochtemperaturfestigkeit und des Kriechwiderstandes führt.

b) Aluminium

Aluminium bildet als Element einen wesentlichen Bestandteil der erfindungsgemäßen Legie rungen. Wenn die Aluminium-Konzentration kleiner ist als 44 Atom-%, so erhöht sich der Anteil der groben β-Phase, wodurch sich eine Verringerung der plastischen Verformbarkeit ergibt. Wenn andererseits der Aluminium-Anteil größer ist als 47 Atom-%, so entstehen γ- Körner geringer Festigkeit, und es entsteht ein unerwünschtes Gefüge analog demjenigen der bekannten Legierungen.

c) Niob

Das Element Niob ist ein zusätzlicher Bestandteil zur Verbesserung des Oxidationswider standes. Wenn der Niob-Anteil kleiner ist als 6 Atom-%, so ist die Wirkung des Zusatzes nicht erkennbar. Wenn andererseits der Niob-Anteil größer als 10 Atom-% ist, so bewirkt eine solche extreme Menge umgekehrt eine Verringerung des Oxidationswiderstandes.

d) Chrom

Das Element Chrom hat die Funktion einer Stabilisierung der β-Phase, die eine zweite Phase bildet und auf diese Weise die lamellenartigen Körner feiner macht. Wenn der Chrom-Anteil kleiner als 1 Atom% ist, so ist die Wirkung seines Zusatzes nicht erkennbar. Wenn ande rerseits der Chrom-Anteil größer als 3 Atom-% ist, dann ist die β-Phase extrem vergrößert, und die lamellenartigen Körner werden sehr stark verkleinert. Dies bewirkt in unerwünsch ter Weise in dem Gefüge eine ungeeignete Komponentenaufteilung.

e) Nickel und Kobalt

Nickel und Kobalt haben dieselbe Wirkung und Funktion für die Stabilisierung der β'-Phase und scheiden sich im gleichen Umfang aus der β-Phase aus. Wenn die (Ni und/oder Co)- Konzentration kleiner als 1 Atom-% ist, so ist die Wirkung ihres Zusatzes nicht erkennbar. Wenn die (Ni und/oder Co)-Konzentration größer als 3 Atom-% ist, so ist die β'-Phase au ßerordentlich vergrößert und gewachsen. Dies bewirkt in unerwünschter Weise eine Ab nahme der β/β'-Grenzfläche und damit einen Rückgang des Kriechwiderstandes.

Im folgenden werden nun Beispiele erläutert, die sich auf die erfindungsgemäße Legie rungszusammensetzung beziehen.

Unter Verwendung von 99,8% reinem Titan, 99,9% reinem Aluminium, Niob, Chrom, Nickel und Kobalt als Rohmaterialien wurden Brammen der Zusammensetzungen, wie in der Tabelle gezeigt, durch Hochfrequenz-Induktionsschmelzung hergestellt. Nachdem diese Brammen einer Homogenisierungsbehandlung bei 1000°C über 50 Stunden ausgesetzt worden sind, wurden sie maschinell bearbeitet, um Spannungsproben mit einem parallelen Durchmesserteil von 5 mm und einer Maßlänge von 22 mm sowie Kriechbruchtestproben herzustellen. Darüber hinaus wurden Oxidationstestproben in den Abmessungen 20 mm × 20 mm × 2 mm hergestellt.

Die Hochtemperaturfestigkeit wurde auf der Grundlage der Zugfestigkeit bewertet. Die Testtemperatur betrug 800°C, und die anfängliche Beanspruchungsgeschwindigkeit betrug 3,8 × 10^-4/s. Der Kriechwiderstand wurde auf der Grundlage der Bruchzeit bewertet, die in einem Kriechbruchtest festgestellt wurde. Die Testtemperatur betrug 800°C und die Be lastungsspannung 196,2 N/mm². Der Oxidationswiderstand wurde auf der Grundlage der Oxidationsgewichtszunahme bewertet. Die Versuchstemperatur betrug 800°C und die Versuchszeit 500 Stunden. Alle diese Versuche bzw. Tests wurden in Luft ausgeführt.

Tabelle

Die Beispiele 301 und 302 beziehen sich auf bekannte Legierungen und zeigen die Ergeb nisse, die durch Prüfung der Legierungen erhalten wurden, welche 2 Atom-% Niob oder Chrom enthalten bei einer Aluminium-Konzentration von 48 Atom-%. Die Zugfestigkeit lag im Bereich von 372,8 N/mm², die Kriechbruchzeit lag bei 60 Stunden, und die Oxidati onsgewichtszunahme lag bei 10 mg/cm².

Die Beispiele 303 bis 320 beziehen sich auf erfindungsgemäße Legierungen. Die Zugfestig keit betrug 470,9 N/mm² oder darüber. Die Kriechbruchzeit betrug 445 Stunden oder mehr und die Oxidationsgewichtszunahme betrug 3,0 mg/cm² oder weniger. Diese Legierungen waren den bekannten Legierungen in allen Eigenschaften überlegen.

Die Beispiele 321 und 322 zeigen die Ergebnisse, die durch Versuche mit Legierungen er halten wurden, welche eine Titan-Konzentration außerhalb des erfindungsgemäßen Berei ches aufwiesen. Die Zugfestigkeit und die Kriechbruchzeit waren im Vergleich zu den be kannten Legierungen besser, doch schlechter im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Le gierungen. Die Oxidationsgewichtszunahme war im wesentlichen gleich derjenigen, die bei den erfindungsgemäßen Legierungen beobachtet wurde.

Die Beispiele 323 und 324 zeigen die Ergebnisse, die durch Versuche mit Legierungen er halten wurden, welche eine Aluminium-Konzentration außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches aufwiesen. Die Zugfestigkeit und die Kriechbruchzeit waren im Vergleich zu den bekannten Legierungen besser, jedoch im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungen schlechter. Die Oxidationsgewichtszunahme war im wesentlichen gleich derjenigen, die bei den erfindungsgemäßen Legierungen beobachtet wurde.

Die Beispiele 325 und 326 zeigen die Ergebnisse, die durch Versuche mit Legierungen er halten wurden, welche eine Niob-Konzentration aufwiesen, die außerhalb des erfindungs gemäßen Bereiches lag. Die Zugfestigkeit und die Kriechbruchzeit waren im wesentlichen gleich denjenigen der erfindungsgemäßen Legierungen. Die Oxidationsgewichtszunahme war im Vergleich zu den bekannten Legierungen besser, jedoch schlechter im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungen.

Die Beispiele 327 und 328 zeigen die Ergebnisse, die durch Versuche mit Legierungen er halten wurden, welche eine Chrom-Konzentration aufwiesen, die außerhalb des erfindungs gemäßen Bereiches lag. Die Zugfestigkeit und die Kriechbruchzeit waren im Vergleich zu den bekannten Legierungen besser, jedoch schlechter im Vergleich zu den erfindungsgemä ßen Legierungen. Die Oxidationsgewichtszunahme war im wesentlichen gleich derjenigen der erfindungsgemäßen Legierungen.

Die Beispiele 329 bis 332 zeigen die Ergebnisse, die erhalten wurden durch Versuche mit Legierungen, welche eine (Nickel + Kobalt)-Konzentration aufwiesen, die außerhalb des er findungsgemäßen Bereiches lag. Die Zugfestigkeit und die Kriechbruchzeit waren im we sentlichen gleich denjenigen der erfindungsgemäßen Legierungen. Die Oxidationsgewichts zunahme war im Vergleich zu den bekannten Legierungen besser, jedoch schlechter im Ver gleich zu den erfindungsgemäßen Legierungen.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie oben im Detail beschrieben, können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Legierungszu sammensetzung Titan-Aluminium-Legierungen auf Basis einer intermetallischen Verbindung hoher Festigkeit, guten Kriechwiderstands und guten Oxidationswiderstands geschaffen werden, die demzufolge geeignet sind für Teile, die lange Zeitspannen bei einer hohen Um gebungstemperatur benutzt werden und bei denen die Hauptspannung eine Zentrifugalspan nung ist, d. h. also für Teile, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit, einen guten Kriechwiderstand (ausgedrückt in Einheiten der spezifischen Festigkeit) und einen guten Oxidationswiderstand als Materialeigenschaften erfordern.

Claims

Auf einer intermetallischen Verbindung basierende Titan-Aluminium-Legierung, enthaltend Niob und Chrom,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierung aus
39 bis 47 Atom-% Titan,
44 bis 47 Atom-% Aluminium,
6 bis 10 Atom-% Niob,
1 bis 3 Atom-% Chrom sowie
1 bis 3 Atom-% Kobalt und/oder Nickel
besteht.