DE3901979C2 - Herstellung von Gegenständen aus gamma-Titan-(TiAl)-Legierung durch Pulvermetallurgie - Google Patents

Abstract

Es sind pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Gamma-Titan-Legierungen (TiAl-Legierungen) aus einer Mischung von Pulvern offenbart, von denen die eine Art auf Al¶3¶Ti und die andere auf Ti¶3¶Al basiert. Mischungen dieser Pulver in dem geeigneten Verhältnis können preßgeformt, umgeformt und wärmebehandelt werden, um die gewünschte TiAl-Legierung zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Gegenständen aus gamma-Titan-Legierung durch Pulvermetallurgie.

Titan und seine Legierungen haben ungewöhnliche Kombinationen von niedrigen Dichten und hohen Schmelzpunkten, die zu ihrer weit verbreiteten Verwendung in Hochtechnologie-Anwendungsge­ bieten, insbesondere bei Gasturbinentriebwerken, führen.

Es sind viele Titan-Legierungen vorgeschlagen worden. Diese enthalten im allgemeinen mindestens etwa 80% Titan und als Rest weitere Zusätze, wozu beispielsweise Aluminium, Vanadium, Chrom und Zirkonium gehören. Die in weitem Umfang verwendeten Handelslegierungen dieser Art haben entweder eine alpha- oder eine beta-Struktur, die beide im wesentlichen Titan-Festlösun­ gen sind.

Es sind auch Forschungsarbeiten durchgeführt worden, deren Ziel die Verwendung verschiedener intermetallischer Verbindun­ gen auf Titanbasis war. Zu diesen gehören Al₃Ti, Ti₃Al und TiAl. Die TiAl-Zusammensetzung ist diejenige, die in bezug auf die Erfindung von Interesse ist. Sie hat einen hohen Schmelz­ punkt von etwa 1427°C (2600°F) und eine niedrige Dichte, die wegen der großen Menge des vorhandenen Aluminiums sogar niedri­ ger als die Dichte des Titans ist. Ein Nachteil von TiAl ist, daß es keine brauchbare Duktilität hat. Verschiedene Wege des Legierens sind eingeschlagen worden, um dieses Problem mit ei­ nem gewissen Erfolgsgrad zu überwinden. In der US-PS 4 294 615, die mit der vorliegenden Anmeldung eine Anmelderin gemeinsam hat, ist offenbart, daß der Zusatz einer geringen Menge von Vanadium die Duktilität von TiAl-Zusammensetzungen erhöht und daß der Zusatz einer geringen Kohlenstoffmenge die Kriech­ bruchfestigkeit solcher Materialien steigert. In der erwähnten US-PS ist auch etwas von der früheren Arbeit am TiAl-System beschrieben. Auf die US-PS 4 294 615 wird hierin Bezug genom­ men.

TiAl-Legierungen sind bisher nur mit den größten Schwierigkei­ ten formbar gewesen, weil sie intermetallische Materialien mit hoher Festigkeit, niedriger bis mäßiger Duktilität und hohem Schmelzpunkt sind. Das Formen wird aus Gründen der Duktilität gleichbleibend bei einer hohen Temperatur, im allgemeinen bei mehr als etwa 1316°C (2400°F) durchgeführt. Diese Bedingung wirft für die Herstellung von bestimmten Legierungsgestalten mit dünnem Profil, insbesondere von Blechmaterial, ein Problem auf. Blechmaterial wird durch Walzen geformt, wenn jedoch dün­ nes Blech geformt wird, ist das Wärmeentzugsvermögen der Wal­ zen derart, daß das Material zwischen den Walzen schnell sei­ ne Wärme verliert und dann Risse bildet, weil es zu kalt wird. Der naheliegende Lösungsweg würde ein Erwärmen der Walzen auf die Warmwalztemperatur sein, jedoch ist dies in Anbetracht der damit verbundenen Temperaturen unausführbar. Nach Kenntnis des Erfinders ist rißfreies TiAl-Blech mit einer Dicke von 2,54 mm und darunter noch nie erzeugt worden.

Ähnliche Schwierigkeiten kann man sich beim Formen von TiAl- Materialien in verschiedenen Gestalten mit dünnem Profil durch andere Verfahren wie z. B. durch Schmieden vorstellen.

Andere Titan-Aluminium-Verbindungen zeigen nicht den Nachteil dieses großen Mangels an Duktilität, insbesondere zeigen Al₃Ti und Ti₃Al brauchbare Duktilitäten.

Die Begriffe Ti₃Al, TiAl₃ und TiAl, die hierin verwendet wer­ den, schließen in geringerer Menge vorhandene Legierungselemen­ te ein, die die Kristallstruktur der Phasen nicht in bedeuten­ dem Maße ändern. Diese Begriffe sollen auch Materialien be­ zeichnen, die im Fall von Ti₃Al und Al₃Ti bis zu etwa 10 Vol.% andere Phasen und im Fall von TiAl bis zu etwa 20 Vol.% andere Phasen enthalten. D. h., eine Struktur, die aus 85 Vol.% TiAl, 5 Vol.% Al₃Ti und 10 Vol.% Ti₃Al besteht, wird als TiAl ange­ sehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technisch durch­ führbares Verfahren zum Formen von komplizierten Gestalten und insbesondere von Gestalten mit dünnen Profilen aus TiAl-Zusam­ mensetzungen bereitzustellen.

Der Stand der Technik hat die weiten Bereiche für die TiAl-Zu­ sammensetzungen offenbart, und nach dem Stand der Technik sind verschiedene Legierungszusätze, die dieser Legierungsart aus verschiedenen Gründen, hauptsächlich zur Verbesserung der Duk­ tilität, zugesetzt werden können, ziemlich ausführlich abgehan­ delt worden. Aus US-A-4,294,615 ist z. B. der Zusatz von Vanadium bekannt. Nach bestem Wissen des Erfinders hat der Stand der Technik jedoch immer das Formen und Herstellen von TiAl-Zu­ sammensetzungen aus einem homogenen Vorformteil, einem Vorform­ teil, das seinen Ursprung als Gußprodukt aus im wesentlichen einer TiAl-Zusammensetzung hat, betrachtet.

Bisherige pulvermetallurgische Verfahren waren ebenfalls nicht zielführend. So beschreibt die EP-A-0 229 499 ein Verfahren zur Herstellung von intermetallischen Vorläuferlegierungen. Bei­ spielsweise werden reine Ti- und Al-Pulver vermischt, die ein nicht-intermetallisches Al-Ti-Komposit ergeben, wobei die Ti­ tanteilchen in der Aluminiummatrix verteilt sind. Dann wird ei­ ne Wärmebehandlung durchgeführt, so daß sich die intermetalli­ sche Struktur von Al₃Ti ergibt. Diese Vorläuferlegierung wird dann mit weiterem Aluminiumpulver vermischt und mechanisch le­ giert, wodurch sich die Endlegierung bildet.

Gemäß US-A-2,755,184 werden metallische Zusammensetzungen aus Ni₃Al durch Vermischen von NiAl und metallischem Ni, Kompaktie­ rung und Sintern der entstehenden Verbindung Ni₃Al durch Fest­ phasendiffusion von Nickel in NiAl und Erhalt der intermetalli­ schen Verbindung Ni₃Al beschrieben.

Die eingangs erwähnten Schwierigkeiten bei der Formung von Ti- Al-Legierungen blieben aber weiterhin bestehen.

Die Erfindung besteht in der Anwendung der Pulvermetallurgie auf die Bildung von TiAl-Zusammensetzungen aus einer Mischung von Ausgangspulvern, wobei eines auf Al₃Ti und das andere auf Ti₃Al basiert. Ein Fachmann kann sich leicht vorstellen, daß eine solche Mischung von Pulvern hergestellt werden kann, de­ ren Soll-Gesamtzusammensetzung innerhalb des TiAl-gamma-Phasen­ bereichs liegt.

Erfindungsgemäß wird eine solche Mischung von Pulvern gebil­ det und preßgeformt, um ein Vorformteil, eine homogene Masse mit im wesentlichen voller Dichte, zu bilden.

Das erhaltene Vorformteil hat brauchbare Duktilitäten, insbe­ sondere in dem Fall, daß die Zeit, über die es erhöhten Tempe­ raturen ausgesetzt wird, bei einem Minimum gehalten wird. Das Vorformteil kann auf eine erhöhte Temperatur erhitzt und zu einer zweckdienlichen Gestalt geformt werden, beispielsweise durch Walzen, obwohl es an die Walzen Wärme verliert bzw. ab­ gibt. Der geformte Gegenstand, der im wesentlichen eine end­ gültige Gestalt hat, wird dann bei einer erhöhten Temperatur über eine Zeit erhitzt, die ausreicht, um eine Diffusion zwi­ schen den Al₃Ti- und Ti₃Al-Bestandteilen und dadurch die Bil­ dung der gewünschten TiAl-Zusammensetzungen vonstatten gehen zu lassen. Der erhaltene Gegenstand enthält eine überwiegende TiAl-Menge und kann auf Grund der Legierungszusätze, die den Vorläuferpulvern zugesetzt worden sind, brauchbare Duktilitä­ ten haben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Mikroaufnahme eines Materials im geschmie­ deten Zustand.

Fig. 2 zeigt eine Mikroaufnahme eines Materials im gewalzten Zustand.

Fig. 3 zeigt eine Mikroaufnahme eines homogenisierten Mate­ rials.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden aus einem Vorform­ teil, das aus Al₃Ti-Pulver und Ti₃Al-Pulver besteht, die in ei­ nem derartigen Verhältnis eingesetzt werden, daß durch nachfol­ gende Diffusionswärmebehandlung TiAl gebildet werden kann, Ge­ stalten aus dem schwer zu formenden TiAl-Material geformt.

Der Erfinder hat Pulver verwendet, das durch Rotationszerstäu­ bung erzeugt wird, die auch eine außerordentlich hohe Abküh­ lungsgeschwindigkeit aus der Flüssigkeit liefert. Die Abküh­ lungsgeschwindigkeit (und übrigens auch die in hohem Maße sphä­ rische Pulvergeometrie) ist jedoch für den Erfolg der Erfin­ dung nicht wesentlich. Der Erfinder nimmt an, daß durch andere Verfahren gebildete Pulver im Rahmen der Erfindung von demsel­ ben Nutzen sind.

Der Erfinder nimmt an, daß ein Bereich von etwa 0,42 mm bis 0,125 mm (lichte Maschenweite, entsprechend -40 bis -120 mesh der US-Standard-Siebreihe) ein vorteilhafter Bereich von Pul­ verteilchengrößen für die Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren ist. Pulver, deren Teilchengrößen in diesem Bereich liegen, sollten aus einer Al₃Ti-Zusammensetzung und aus einer Ti₃Al-Zusammensetzung gebildet werden. Legierungszusätze, die erwünscht sein können, um die Duktilität oder andere Legie­ rungseigenschaften zu verbessern, können einer der Legierungs­ arten oder beiden Legierungsarten zugesetzt werden.

Das Verhältnis der Pulver, das erforderlich ist, um die ge­ wünschte TiAl-Zusammensetzung zu erreichen, hängt in gewissem Grade von den Legierungszusätzen ab, die zugesetzt worden sein können. Die gamma-Legierungen basieren zwar auf einer interme­ tallischen Verbindung, haben jedoch einen ziemlich weiten Zu­ sammensetzungsbereich von etwa 35 Masse% bis etwa 45 Masse% Aluminium (in Abwesenheit anderer Legierungselemente). Dem Fachmann wird die Bestimmung des Verhältnisses von Ti₃Al-Mate­ rial und TiAl₃-Material, das erforderlich ist, um die gewünsch­ te Zusammensetzung innerhalb des gamma-Bereichs zu erzielen, keine Schwierigkeiten bereiten. Die geeignete Mischung von Pul­ vern kann in einen Blechbehälter, einen Ummantelungsbehälter, der beispielsweise aus nichtrostendem Stahl hergestellt sein kann, eingebracht werden, und kann bei einer Temperatur von 871°C bis 1093°C (1600°F bis 2000°F), z. B. bei 982°C (1800°F), bei einem Druck von 138 bis 276 MPa (20 bis 40 ksi), z. B. 207 MPa (30 ksi), über eine Zeit von etwa 0,5 h bis etwa 10 h ver­ dichtet werden. Dadurch wird ein Pulverpreßling erzeugt, des­ sen Dichte mindestens 95% der theoretischen Dichte beträgt.

Der Ummantelungsbehälter kann dann entweder durch mechanische oder durch chemische Mittel entfernt werden. Der Preßling kann dann zu einer Zwischengestalt geschmiedet oder extrudiert wer­ den. Das Schmieden oder Extrudieren kann bei einer Temperatur von etwa 927°C bis etwa 1149°C (etwa 1700°F bis etwa 2100°F) durchgeführt werden. Eine typische Verformungsgeschwindigkeit würde 0,1 cm/(cm.min) betragen.

Es sollte wieder darauf hingewiesen werden, daß, während beide Ausgangspulver aus Materialien bestehen, die eine annehmbare Duktilität haben, die Ausgangspulver nach dem Preßformen durch Diffusion reagieren, um eine viel festere und viel weniger duk­ tile TiAl-Struktur zu bilden. Die Verarbeitung sollte infolge­ dessen rechtzeitig und bei einer möglichst niedrigen Tempera­ tur, soweit diese mit der Erzielung der gewünschten Ergebnisse vereinbar ist, durchgeführt werden. Dadurch wird die Bildung von TiAl während der Verarbeitung auf ein Mindestmaß verrin­ gert und die mögliche störende Einwirkung von TiAl auf die ver­ formende Verarbeitung verhindert bzw. gehemmt.

Ein Hauptprodukt, auf das die Erfindung abzielt, ist dünnes Blechmaterial, das beispielsweise bei der Herstellung von Wa­ ben verwendet werden könnte. Das Zwischenprodukt, das durch Schmieden oder Extrudieren erzeugt wird, wird wieder in einen Ummantelungsbehälter eingebracht, jedoch in diesem Fall in ei­ ne festere Legierung wie z. B. Niob. Die Wahl der Legierung für den Ummantelungsbehälter wird in diesem Fall durch den Wunsch vorgeschrieben, einen Ummantelungsbehälter bereitzustellen, der bei der gewählten Temperatur einen ähnlichen Verformungswi­ derstand zeigt wie das Vorformteil. Zwischen dem Vorformteil und dem Ummantelungsbehälter kann Yttriumoxid verwendet werden, um eine Diffusion und/oder eine Verbindung zwischen dem Umman­ telungsbehälter und dem Vorformteil auf ein Mindestmaß zu ver­ ringern. Das Material, das in den Ummantelungsbehälter einge­ bracht worden ist, kann dann bei einer erhöhten Temperatur zwi­ schen 1093°C und 1316°C (2000°F und 2400°F) zu der gewünschten Dicke warmgewalzt werden, und der Ummantelungsbehälter kann dann entfernt werden.

Das warmgewalzte Material wird dann wärmebehandelt, um zur Bildung der gamma-TiAl-Struktur eine vollständige Diffusions­ wechselwirkung zwischen dem Ti₃Al-Bestandteil und dem Al₃Ti- Bestandteil zu fördern. Die Zeitdauer und die Temperatur die­ ser Diffusionswärmebehandlung hängen bis zu einem gewissen Gra­ de von den angewandten Anfangspulvergrößen ab. Größere Pulver­ größen liefern ein Material mit längeren Diffusionswegen und einer geringeren Grenzfläche und benötigen mehr Zeit und/oder eine höhere Temperatur. Zeiten von etwa 2 bis 20 h bei 1204°C bis 1371°C (2200°F bis 2500°F) sind für den vorteilhaften Pul­ vergrößenbereich typisch.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.

Beispiel

100 g Al/25 Atom% Titan [Korngröße: -0,149 mm (-100 mesh)] wur­ den mit 194 g Ti/24 Atom% Aluminium/11 Atom% Niob [Korngröße: -0,30 mm (-50 mesh)] vermischt. Das Mischen wurde etwa 2 h lang in einem V-Mischer durchgeführt. Das gemischte Pulver wur­ de dann in einen Ummantelungsbehälter aus nichtrostendem Stahl eingebracht und in einem im Bereich von 13,3 mPa (0,0001 Torr) liegenden Vakuum vakuumwarmgepreßt. Das Pulver wird zuerst 1 h lang bei einer Temperatur von 927°C (1700°F) ausgleichge­ glüht und dann 2 h lang bei 927°C (1700°F) bei einem Druck von 207 MPa (30 ksi) verfestigt. Der erhaltene Preßling hatte ei­ nen Durchmesser von etwa 38,1 mm und eine Länge von 101,6 mm.

Der Ummantelungsbehälter wurde durch mechanische Mittel ent­ fernt. Der Preßling wurde dann in einer 500-t-Vakuumpresse ge­ schmiedet. Der Preßling wurde 1 h lang bei 1010°C (1850°F) aus­ gleichgeglüht, bevor er bei 1010°C (1850°F) mit einer Verfor­ mungsgeschwindigkeit von 0,1 cm/(cm.min) unter Anwendung von Molybdängesenken bzw. -formwerkzeugen geschmiedet wurde. Die erhaltene Scheibe war etwa 6,35 mm dick und hatte ein Feinge­ füge, das in Fig. 1 gezeigt ist.

Ein Walz-Vorformteil wurde hergestellt, indem aus dieser Schei­ be eine rechteckige Gestalt ausgeschnitten und auf einen aus der Nioblegierung C103 hergestellten, flachen Bilderrahmen-Um­ mantelungsbehälter aufgelegt wurde. Vor dem Einbringen der Scheibe in den Hohlraum des Ummantelungsbehälters wurden alle Innenflächen mit Yttriumoxid beschichtet, um eine Reaktion zwi­ schen den Titan-Werkstoffen und dem Niob-Ummantelungsbehälter zu verhindern. Die Ummantelungsbehälteranordnung wurde entlang den Nähten WIG-geschweißt und wurde an der Vorderkante zum Un­ terstützen des Anfangswalzschrittes schräg abgeschnitten.

Das Walzen wurde auf einer üblichen Walzstraße bei einer Tem­ peratur von 1204°C (2200°F) durchgeführt, d. h., bei einer re­ lativ niedrigen Temperatur, die gewählt wurde, um eine weitere Umwandlung des Ausgangsmaterials in festeres TiAl-Material zu verhindern. Das Material wurde zuerst 20 min lang ausgleichge­ glüht und dann unter Anwendung eines Stichprogramms mit Zwi­ schen-Wiedererwärmungsvorgängen gewalzt. Es wurde ein aggres­ sives Walzprogramm angewendet, das aufgrund des Wunsches ge­ wählt wurde, die TiAl-Bildung bis zu dem möglichen Grade zu hemmen. Eine nach diesem Schritt durchgeführte Röntgenbeugungs­ analyse des gewalzten Materials zeigte, daß es noch nicht voll­ ständig in die gamma-Struktur übergegangen war. Das Walzen war trotz der großen Stichabnahme, die angewandt wurde, ein voll­ ständiger Erfolg. Die erzielte Enddicke betrug etwa 1,78 mm (0,07 inch). Es handelt sich, soweit es dem Erfinder bekannt ist, um das dünnste Blech mit der Gesamtzusammensetzung TiAl, das jemals mit Erfolg hergestellt worden ist. Fig. 2 zeigt das Feingefüge des Bleches im gewalzten Zustand.

Dieses gewalzte Blech wurde dann 10 h lang bei 1316°C (2400°F) einer Diffusionsbehandlung im Vakuum unterzogen, und zwar in dem Bestreben, die Ausgangsmaterialien vollständig in das TiAl- Material umzuwandeln. Titanblech von handelsüblicher Reinheit wurde verwendet, um das Walzgut zu umschließen und dadurch vor der Absorption von Sauerstoff zu schützen. Nach dem Homogeni­ sieren wurde eine Röntgenbeugungsanalyse durchgeführt, um zu bestätigen, daß sich der größte Teil des Materials in die gam­ ma-Struktur umgewandelt hatte. Das Feingefüge des homogenisier­ ten Bleches ist in Fig. 3 gezeigt. Die Lamellenstruktur ist typisch für diejenige, die in gamma-Feingefügen beobachtet wird. Die alphazwei-Phase, Ti₃Al, wurde ebenfalls durch Rönt­ genanalyse gefunden. Dies ist nicht überraschend, weil die ge­ wählte Soll-Gesamtzusammensetzung in geringem Maße titanreich ist, wodurch ermöglicht wird, daß im Gleichgewicht etwas alpha­ zwei-Phase vorhanden ist. Eine solche titanreiche gamma-Legie­ rung wird im allgemeinen als noch schwerer herstellbar angese­ hen als eine vollständig reine TiAl-Struktur.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus gamma- (TiAl)-Titan-Legierung durch Pulvermetallurgie, das die folgen­ den Schritte umfaßt:

• a) Preßformen einer Mischung aus Al₃Ti-Pulver und Ti₃Al-Pulver, deren Gesamtzusammensetzung innerhalb des TiAl-Phasenbereichs liegt, zu einem Vorformteil,
• b) Warmumformen des Vorformteils zu einer endgültigen Gestalt und
• c) Homogenisieren des warmumgeformten Gegenstandes unter Bedin­ gungen, die die Interdiffusion und die TiAl-Bildung beschleuni­ gen.

2. Preßgeformter Vorläufer, dessen Gesamtzusammensetzung die­ jenige von TiAl ist und der im wesentlichen aus einem Preßling besteht, der aus Ti₃Al-Pulver und TiAl₃-Pulver gebildet ist.

3. Rißfreies Blechmaterial, dessen Dicke weniger als etwa 2,54 mm beträgt und dessen Gesamtzusammensetzung TiAl ist.