DE4318424A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Legierungen auf Titan-Aluminium-Basis - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Legierungen auf Titan-Aluminium-BasisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Formkörpern aus zweiphasigen TiAl/Ti₃Al-Legierungen durch
superplastische Formgebung, die thermomechanisch
prozessiert werden und die sich durch eine modifizierte
Mikrostruktur auszeichnen.
Zweiphasige intermetallische Titan-Aluminium-Legierungen
des Typs γ-TiAl/α₂-Ti₃Al sind an sich bekannt, z. B.
Materials Science and Engineering, A152 ((1992) 166-172).
Auch ist bekannt, solchen Legierungen Chrom und Silizium
zuzusetzen, um die mechanischen Eigenschaften,
insbesondere Festigkeit und Duktilität, zu verbessern. Im
gegossenen Zustand haben diese Legierungen lamellares
Gefüge und lassen sich plastisch verformen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, das eine superplastische Formgebung
von TiAl-Basislegierungen ermöglicht und dabei keine
Verminderung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften
erfahren. Insbesondere soll die Legierung im
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600°C
Zugfestigkeiten von mindestens 700 MPa erreichen und bei
Raumtemperatur KIC-Werte von etwa 30 MPa·m1/2 erreichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein
Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Gußrohling aus einer
zweiphasigen TiAl/Ti₃Al-Legierung mit lamellar
strukturiertem Gefüge mit einer Lamellendicke
kleiner/gleich 1 µm erzeugt wird, im Temperaturbereich
von 1050 bis 1300°C mit hohem Umformgrad unter
dynamischer Rekristallisation mit Korngrößen
kleiner 5 µm verformt und im Temperaturbereich von
900 bis 1100°C bei Dehngeschwindigkeiten von 10-4 bis
10-1/s zu endabmessungsnahen Formkörpern superplastisch
umgeformt wird.
Die Erfindung betrifft die thermomechanische Behandlung
(Processing) von Formkörpern auf der Basis TiAl/Ti₃Al
durch Heißstrangpressen oder quasi-isotherme
Schmiedeumformung oberhalb der eutektoiden
Umwandlungstemperatur dieser Legierungen. Die
Legierungselemente Chrom, Niob, Mangan und Silizium
erleichtern den Übergang in den Zustand der strukturellen
Superplastizität und die daraus resultierende Nutzung der
superplastischen Formgebung. Anwendungsbeispiele für das
erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich bei der Fertigung
von Motorenteilen (z. B. Ventile, Ventilteller, Pleuel),
Turbinenteilen (Schaufeln und Scheiben).
Zentrifugenkomponenten (Rotoren, Rotorblätter usw.) und
dergleichen. Intermetallische TiAl-Basislegierungen,
vornehmlich mit Gehalten von 1,5 Gew.-% Cr oder Mn und
0,2 Gew.-% Si, zeichnen sich im thermomechanisch
prozessierten Zustand durch feinkristalline äquiaxiale
Gefüge (Korngröße 1 bis 5 µm) aus, die durch dynamische
Rekristallisation entstehen. In diesem Zustand weist die
Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 600°C
Festigkeiten bis zu 750 MPa auf. Bei 800°C werden
immerhin noch ca. 400 MPa erzielt. Die Bruchzähigkeit
dieser intermetallischen Zweiphasenlegierung ist relativ
hoch und weist bei Raumtemperatur KIC-Werte von
mindestens 28 MPa₃·m1/2 auf. Die niedrigen Dichten von
3,68 bis 3,8 g/cm³, die hohen E-Moduli von 175 GPA und
die hohe Fließspannung von 650 MPa sind der Grund für die
hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit dieses
warmfesten Werkstoffs, der vornehmlich bis zu
Temperaturen von 800°C ohne Schutzschichten und bis
1000°C und darüber hinaus mit Schutzschichten in stark
oxidierenden Atmosphären (Heißgaskorrosion) einsetzbar
ist. Der hohe m-Wert (strain rate sensitivity parameter)
von maximal 0,55 und das breite m-Wert-Maximum über der
Dehngeschwindigkeit charakterisieren die gute
superplastische Umformbarkeit dieser intermetallischen
Zweiphasenlegierung.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
die thermomechanisch prozessierten feinkörnigen
intermetallischen Legierungen TiAl(Cr, Mn, Nb, Si) mit
den koexistierenden Ti₃Al-Phasenbestandteilen und
γ-TiAl im Temperaturbereich von 900 bis 1000°C
superplastisch umformbar sind. Im Gußzustand mit
lamellarem Gefügeaufbau sind diese Legierungen aufgrund
der Überstrukturphasenbestandteile infolge der
erschwerten Umformmechanismen (gehemmte
Versetzungsbewegung/Superversetzungen in definierten
Gleitsystemen) im Temperaturbereich von 20 bis 1100°C
mit Hilfe der konventionellen Formgebungsverfahren, wie
Walzen, Schmieden, Tiefziehen und Streckziehen nicht riß- oder
bruchfrei kalt bzw. warm umformbar. Im
superplastischen Zustand ist das Korngrenzengleiten der
dominierende Umformmechanismus, allkommodiert durch
Diffusionsvorgänge (vornehmlich Ti-Gitter-Diffusion und
z. T. Korngrenzendiffusion in den koexistierenden Phasen),
was eine einschnürungsfreie Dehnung von mehreren hundert
Prozent ermöglicht. Mittels der superplastischen
Formgebung können im Temperaturbereich von 900 bis
1100°C bei relativ hohen Dehngeschwindigkeiten von
maximal 10-1/s Bauteile endabmessungsnah hergestellt
werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von hochfesten und
hochzähen Formkörpern aus zweiphasigen TiAl/Ti₃Al-
Legierungen durch Warmverformung eines Gußrohlings,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Gußrohling mit lamellar strukturiertem Gefüge mit einer
Lamellendicke kleiner/gleich 1 µm erzeugt wird, im
Temperaturbereich von 1050 bis 1300°C mit hohem
Umformgrad unter dynamischer Rekristallisation mit
Korngrößen kleiner 5 µm verformt wird und im
Temperaturbereich von 900 bis 1100°C bei
Dehngeschwindigkeiten von 10-4 bis 10-1/s zu
endabmessungsnahen Formkörpern superplastisch umgeformt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Legierung zur Kornfeinung bis 0,3% Si zugesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Legierung durch Zusatz von einem oder mehreren der
duktilisierenden Elemente Chrom, Mangan, Niob in einer
Menge von insgesamt 1 bis 5% modifiziert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
zweiphasige Basislegierung mit 12 bis 50 Vol.-% Ti₃Al,
Rest TiAl verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Gußrohling durch Strangpressen mit einem Preßverhältnis
5 Ao/A 30 im Temperaturbereich von 1100 bis 1250°C
oder durch Schmieden mit einem Umformgrad < 30% im
Temperaturbereich von 1150 bis 1300°C mit an die
Warmformgebung sich anschließender gesteuerter Abkühlung
ein feinkörniges äquiaxiales Gefüge mit superplastischen
Eigenschaften erhält.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
superplastische Umformung im Gesenk zu dem
Fertigbauteil vorgenommen wird.
7. Verwendung einer Legierung, hergestellt nach dem
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, für
Gegenstände, die bei Raumtemperatur eine
Mindestzugfestigkeit von 700 MPA, eine Bruchzähigkeit
KIC von mindestens 28 MPa m1/2 und bei 650°C eine
Zugfestigkeit von mindestens 750 MPA aufweisen müssen.
8. Verwendung einer Legierung, hergestellt nach dem
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff
für Komponenten von Motoren, wie Ventile, Ventilteller,
Federringe, Pleuel und Nockenwellen, von Zentrifugen, von
Turbinen und von rotierenden Teilen in Verdichtern.
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