DE4318424A1

DE4318424A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Legierungen auf Titan-Aluminium-Basis

Info

Publication number: DE4318424A1
Application number: DE19934318424
Authority: DE
Inventors: Georg Prof Dr Ing Frommeyer; Markus Dipl Ing Rommerskirchen; Heinz Dipl Ing Sibum
Original assignee: Vereinigte Schmiedewerke 44793 Bochum De GmbH; VER SCHMIEDEWERKE GmbH; Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Current assignee: Vereinigte Schmiedewerke 44793 Bochum De GmbH; VER SCHMIEDEWERKE GmbH; Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: DE4318424C2

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 K_IC-Werte von etwa 30 MPa·m^1/2 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 K_IC-Werte von mindestens 28 MPa₃·m^1/2 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

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 A_o/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 K_IC von mindestens 28 MPa m^1/2 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.