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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf oxydationsbeständige Überzüge aus
Legierungen von Titan und Aluminium. Mehr im besonderen bezieht sie sich auf solche Überzüge
aus Legierungen von Titan und Aluminium, die sowohl hinsichtlich des stöchiometrischen
Verhältnisses als auch der Zugabe von Chrom und Tantal modifiziert wurden.
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Es ist bekannt, daß sich bei der Zugabe von Aluminium zu Titanmetall in immer größeren
Anteilen die Kristallform der resultierenden Titan-Aluminium-Zusammensetzung ändert. Geringe
Prozentsätze von Aluminium gehen in feste Lösung in Titan, und die Kristallform bleibt die des α-
Titans. Bei höheren Aluminium-Konzentrationen (die etwa 25 bis 35 Atom-% einschließen) bildet
sich eine intermetallische Verbindung Ti&sub3;Al. Das Ti&sub3;Al hat eine geordnete, hexagonale
Kristallform, die α-2 genannt wird. Bei noch höheren Aluminium-Konzentrationen (die den Bereich von 50
bis 60 Atom-% Aluminium einschließen) wird eine andere, intermetallische Verbindung, TiAl,
gebildet, die eine geordnete, tetragonale Kristallform aufweist, die γ genannt wird. Aus der
γ-Verbindung in der modifizierten Form gebildete Überzüge auf einem Substrat sind der Gegenstand der
vorliegenden Erfindung. Mehr im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung Strukturen aus
Titanaluminid-Legierung, die durch γ-TiAl, modifiziert durch Chrom und Tantal, überzogen sind,
wie in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen des metallischen Verbundbauteils
gemäß Ansdpruch 1 sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
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Die Legierung aus Titan und Aluminium mit einer γ-Kristallform und einem
stöchiometrischen Verhältnis von etwa 1 ist eine intermetallische Verbindung mit hohem Modul, geringer
Dichte, hoher Wärmeleitfähigkeit, einer günstigen, obwohl nicht außerordentlichen
Oxidationsbeständigkeit und einer guten Kriechbestandigkeit bzw. Warmfestigkeit.
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Die Beziehung zwischen dem Modul und der Temperatur von TaAl-Verbindungen zu
anderen Titanlegierungen und in Beziehung zu Superlegierungen auf Nickelbasis ist in Figur 5 gezeigt.
Wie aus dieser Figur deutlich wird, hat das TiAl den besten Modul der Titanlegierungen. Der
Modul von TiAl ist nicht nur bei höherer Temperatur höher, sondern die Abnahmerate des Moduls mit
zunehmender Temperatur ist für TiAl geringer als für die anderen Titanlegierungen. Darüber
hinaus behält das TiAl einen brauchbaren Modul bei Temperaturen oberhalb denen, bei denen die
anderen Titanlegierungen unbrauchbar werden. Legierungen auf der Grundlage der
intermetallischen TiAl-Verbindung sind attraktive Materialien geringen Gewichtes zum Einsatz, wo bei hohen
Temperaturen ein hoher Modul sowie ein guter, obwohl nicht außerordentlicher Schutz gegenüber
der Umgebung erforderlich ist.
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Eine der Eigenschaften von TiAl, die seine tatsachliche Anwendung für solche
Einsatzzwecke beschrankt, ist eine Sprödigkeit, die bei Raumtemperatur auftritt. Auch die Festigkeit der
intermetallischen Verbindung bei Raumtemperatur benötigt eine Verbesserung, bevor die
intermetallische TiAl-Verbindung für Anwendungen in gewissen Konstruktionskomponenten benutzt
werden kann. Verbesserungen der intermetallischen γ-TiAl-Verbindung zur Verbesserung der
Kriechbeständigkeit sowie der Duktilität und/oder Festigkeit bei Raumtemperatur sind auch sehr
erwünscht, um den Einsatz der Zusammensetzungen bei den höheren Temperaturen zu gestatten, für
die sie geeignet sind.
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Mit dem potentiellen Nutzen des Einsatzes bei geringem Gewicht und hohen Temperaturen
ist bei den einzusetzenden TiAl-Zusammensetzungen am meisten eine Kombination von Festigkeit
und Duktilität bei Raumtemperatur erwünscht. Eine Minimalduktilität in der Größenordnung von
mehr als einem Prozent ist für einige Anwendungen der Metallzusammensetzung akzeptabel, doch
sind höhere Duktilitäten sehr viel erwünschter. Eine Minimalfestigkeit für eine Zusammensetzung
muß, damit diese brauchbar ist, etwa 350 MPa (50 ksi) betragen. Materialien mit diesem
Festigkeitsniveau sind jedoch nur von begrenzter Brauchbarkeit für gewisse Anwendungen, und für
einige Anwendungen sind häufig höhere Festigkeiten bevorzugt.
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Das stöchiometrische Verhältnis von γ-TiAl-Verbindungen kann über einen Bereich
variieren, ohne daß sich die Kristallstruktur ändert. Der Aluminiumgehalt kann von etwa 50 bis etwa 60
Atom-% variieren. Die Eigenschaften von γ-TiAl-Zusammensetzungen unterliegen jedoch sehr
deutlichen Änderungen als Ergebnis von relativ geringen Änderungen von 1% oder mehr im
stöchiometrischen Verhältnis der Bestandteile Titan und Aluminium. Die Eigenschaften werden in
ähnlicher Weise durch die Zugabe relativ geringer Mengen ternärer Elemente beeiniflußt.
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Es wurde nun festgestellt, daß weitere Verbesserungen in den intermetallischen γ-TiAl-
Verbindungen, und insbesondere der Oxidationsbeständigkeit, durch Einbeziehen einer
Kombination von Zusatzelementen vorgenommen werden können, so daß die Zusammensetzung nicht nur
ein ternäres, sondern auch ein quartäres Zusatzelement enthält.
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Weiter wurde festgestellt, daß die Zusammensetzung, die das quartäre Zusatzelement
einschließt, eine einzigartig erwünschte Kombination von Eigenschaften aufweist, die eine
beträchtliche verbesserte Festigkeit, eine erwünscht hohe Duktilität, eine signifikannt verbesserte
Kriechbeständigkeit und eine bemerkenswert wertvolle Oxidationsbeständigkeit einschließen. Die
Oxidationsbestandigkeit ist tatsächlich so hoch, daß das Material als eine Überzugsschicht auf anderen
Tiatanaluminid-Legierungen geringerer Oxidationsbeständigkeit eingesetzt werden kann.
STAND DER TECHNIK
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Es gibt eine ausgedehnte Literatur über Zusammensetzungen von Titan-Aluminium,
einschließlich der intermetallischen TiAl&sub3;-Verbindung, der intermetallischen TiAl-Verbindung und der
intermetallischen Ti&sub3;Al-Verbindung. Die US-PS 4,294,615 mit dem Titel "Titanium Alloys of the
TiAl Type" enthält eine ausgedehnte Diskussion der Legierungen vom Titanaluminid-Typ,
einschließlich
der intermetallischen TiAl-Verbindung. In dieser PS ist in Spalte 1, beginnend bei Zeile
50, bei der Diskussion der Vor- und Nachteile von TiAl mit Bezug auf Ti&sub3;Al ausgefuhrt:
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"Es sollte klar sein, daß das γ-TiAl-Legierungssystem das Potential hat, leichter zu sein, da
es mehr Aluminium enthält. Laboratoriumsarbeit in den 1950er Jahren zeigte, daß Titan-
Aluminid-Legierungen das Potential fur einen Einsatz bei hoher Temperatur bis zu etwa
1.000ºC aufwiesen. Die nachfolgende, praktische Erfahrung mit solchen Legierungen war es
jedoch, daß sie zwar die erforderliche Festigkeit bei hoher Temperatur aufwiesen, doch
wenig oder keine Duktilität bei Raum- und mäßigen Temperaturen, d.h., von 20 bis 550ºC.
Materialien, die zu spröde sind, können nicht leicht hergestellt werden, und sie können auch
nicht den seltenen, aber unvermeidbaren, untergeordneten Beschädigungen beim Einsatz
ohne Reißen und nachfolgendes Versagen widerstehen. Sie sind daher keine brauchbaren
Konstruktionswerkstoffe, um andere Grundlegierungen zu ersetzen."
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Es ist bekannt, daß sich das TiAl-Legierungssystem beträchtlich von Ti&sub3;Al (sowie von
Legierungen von Ti, die feste Lösungen sind) unterscheidet, obwohl sowohl TiAl als auch Ti&sub3;Al im
Grunde geordnete, intermetallische Titan-Aluminium-Verbindungen sind. Wie in der genannten US-PS
4,294,615 in Spalte 1 unten ausgeführt:
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"Der Fachmann erkennt, daß es einen beträchtlichen Unterschied zwischen den beiden
geordneten Phasen gibt. Das Legierungs- und Umwandlungs-Verhalten von Ti&sub3;Al ähnelt dem
von Titan, da die hexagonalen Kristalistrukturen sehr ähnlich sind. Die Verbindung TiAl
hat jedoch eine tetragonale Anordnung von Atomen und somit ziemlich andere
Legierungseigenschaften. Ein solcher Unterschied wird in der früheren Literatur häufig nicht erkannt."
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Die US-PS 4,294,615 beschreibt das Legieren von TiAl mit Vanadium und Kohlenstoff, um
einige Eigenschaftsverbesserungen in der resultierenden Legierung zu erzielen. In Tabelle 2 der
'615-PS sind zwei Wolfram enthaltende TiAl-Zusammensetzungen offenbart. Die US-PS 4,294,615
offenbart TiAl-Zusammensdetzunge, die Chrom und Tantal enthalten. Es gibt daher keine
Offenbarung irgenndeiner TiAl-Zusammensetzung, die eine Kombination von Chrom und Tantal enthält.
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Eine Anzahl technischer Publikationen, die sich mit den Titan-Aluminium-Verbindungen
sowie mit Eigenschaften dieser Verbindungen befassen, sind die folgenden:
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1. E.S. Bumps, H.D. Kessler und M. Hansen, "Titanitim-Aluminium-System", Journal
of Metals, Juni 1952, Seiten 609-614, TRANSACTIONS AIME, Band 194.
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2. H.R. Ogden, D.J. Maykuth, W.L. Finlay und R.I. Jaffee, "Mechanical Properties of
High Purity Ti-Al Alloys", Journal of Metals, Februar 1953, Seiten 267-272, TRANSACTIONS
AIME, Band 197.
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3. Joseph B. McAndrew und H.D. Kessler, "Ti-36 Pct Al as a Base for High
Temperature Alloys", Journal of Metals, Oktober 1956, Seiten 1345-1353, TRANSACTIONS AIME, Band
206.
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Diese letztgenannte Veröffentlichung offenbart auf Seite 1353 eine Zusammensetzung von
Titan-35 Gew.-% Aluminium und 7 Gew.-% Tantal. Auf einer At.-%-Skala ist dies Ti47,5Al&sub5;&sub1;Ta1,5
äquivalent. Diese Zusammensetzung soll eine Zugfestigkeit von 532,4 MPa (76.060 psi) und eine
Duktilität von etwa 1,5% haben, und sie ist weiter unten diskutiert.
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Eine Diskussion von oxidativen Einflüssen und die Wirkung von Zusätzen, einschließlich
Tantal, findet sich ab Seite 1350 des "Journal of Metals", Oktober 1956, Transactins AIME.
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4. Patrick L. Martin, Madan G. Mendiratta und Harry A. Lispitt, "Creep Deformation
of TiAl and TiAl + W Alloys", Metallurgical Transactions A, Band 14A (Oktober 1983), Seiten
2171-2174.
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5. P.L. Martin, H.A. Lispitt, N.T. Nuhfer und J.C. Williams,"The Effects of Alloying
on the Microstructure and Properties of Ti&sub3;Al and TiAl", Titanium 80 (veröffentlicht durch die
American Society of Metals, Warrendale, PA), Band 2, Seiten 1245-1254.
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6. R.A. Perkins, K.T. Chiang und G.H. Meier, "Formulation of Alumina on Ti-Al
Alloys", Scripta METALLURGICA, Band 21 (1987) Seiten 1505-1510.
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7. Tokuzo Tsujimoto, "Research, Development, and Prospects of TiAl Intermetallic
Compound Alloys", Titanium and Zirconium, Band 33, Nr.3, 159 (Juli 1985), Seiten 1-13.
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8. H.A. Lispitt, "Titanium Aluminides - An Overview", Mat. Res. Soc. Symposium
Proc., Materials Research Society, Band 39 (1985), Seiten 351-364.
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9. S.H. Whang et al., "Effect of Rapid Solidifleation in Ll&sub0;TiAl Compound Alloys", ASM
Symposium Proceedings on Enhanced Properties in Struc. Metals Via Rapid Solidification,
Materials Week (Oktober 1986), Seiten 1-7.
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10. Izvestiya Akademii Nauk SSR, Metally. Nr.3 (1984), Seiten 164-168.
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Die US-PS 4,661,316 von Hashianoto lehrt das Dotieren von TiAl mit 0,1 bis 5,0 Gew.-%
Mangan sowie das Dotieren von TiAl mit Kombinationen anderer Elemente mit Mangan. Die PS
von Hashianoto lehrt nicht das Dotieren von TiAl mit Chrom oder mit Kombinationen von
Elementen, die Chrom einschließen, und insbesondere nicht mit einer Kombination von Chrom mit Tantal.
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Die US-PS 3,203,794 von Jaffee offenbart eine TiAl-Zusammensetzung, die Silicium enthält
und eine separate TiAl-Zusammensetzung, die Chrom enthält.
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Das japanische Kokai Patent Nr. Hei (1989) 298127 beschreibt verschiedene Titanaluminid-
Zusammensetzungen, die separate Zussätze von Chrom und Niob sowie andere Zusätze enthalten.
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Die CA-PS 621884 von Jaffee offenbart in Tabelle 1 eine Zusammensetzung von TiAl, die
Chrom enthält. Jaffee offenbart in Tabelle 1 auch eine separate Zusammensetzung, die Tantal in
TiAl enthält sowie etwa 26 andere TiAl-Zusammensetzungen, die Zusätze in TiAl enthalten. Es gibt
in Jaffee's kanadischer PS keine Offenbarung irgendwelcher TiAl-Zusammensetzungen, die
Kombinationen von Elementen mit Chrom oder Kombinationen von Elementen Tantal enthalten. Es gibt
insbesondere keine Offenbarung, keinen Hinweis oder keine Anregung von
TiAl-Zusammensetzungen, die eine Kombination von Chrom und Tantal enthalten.
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Es ist eine Anzahl eigener Patente hinsichtlich Titanaluminiden herausgegeben worden.
Diese schließen die US-PSn 4,836,983; 4,842,817; 4,842,819; 4,842,820; 4,857,268; 4,879,092;
4,897,127; 4,902,474; 4,923,534 sowie die US-PS 4,842,817 von S.C. Huang und M.S.X. Gigliotti ein.
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Die US-PSn 4,842,819 und 4,842,817 betreffen separate Zusammensetzungen, die Chrom bzw.
Tantal enthalten. Einige dieser PSn enthalten Daten betreffend die Oxidationsbeständigkeit der
Zusammensetzungen, doch sind keine so hervorragend hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit, um ihren
Einsatz als Überzüge zu gestatten, die so wirksam sind, wie die Überzüge der vorliegenden
Anmeldung.
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Hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit der Titanaluminium-Zusanmensetzungen ist
bekannt, daß Titan selbst sehr reaktionsfähig mit Sauerstoff ist. Aus dieser Reaktion resultiert die
Bildung einer sich abspaltenden Oxidhaut und die Versprödung des Metalles selbst. Es ist bekannt,
daß diese Art der Oxidation einer der Hauptfaktoren ist, der den Einsatz von Titanlegierungen bei
erhöhten Temperaturen begrenzt. Es ist bekannt, daß Schutzüberzüge, die als Sauerstoffsperren
dienen, den Einsatz von Titanlegierungen für längere Zeiten bei höheren Temperaturen erlauben
würden. Es wurde gezeigt, daß Überzüge der MCr- und MCRAlY-Arten verschiedene Substrate bei
Temperaturen bis zu etwa 850ºC schützen können. Diese Überzüge sind mit
Titanaluminid-Substraten nicht so verträglich, wie dies Titanaluminid-Shutzüberzüge sein würden. Es wird
angenommen, daß es bei Temperaturen oberhalb etwa 850ºC möglich ist, daß die Diffusion von
Überzugselementen der MCrAlY-Überzüge in die Legierungs-Substrate zu unterschiedlichen
Oberflächen-Reaktionen führen und Probleme verursachen können. Die Legierungen, die auf dem binären
Titanaluminid beruhen, haben jedoch ein Potential zum Einsatz für Flugzeugkomponenten bei
hoher Temperatur, weil sie, wie detaillierter oben erläutert, geringe Dichten haben und sie eine
beträchtliche Festigkeit und Duktilitäten bei Temperaturen bis zu etwa 1.000ºC aufweisen können.
Es ist jedoch bekannt, daß viele dieser Legierungen bei diesen höheren Temperaturen
oxidationsempfindlich sind.
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Die EP-A-0 406638 offenbart γ-TiAl-Legierungen hoher Festigkeit, hoher
Oxidationsbeständigkeit und Duktilität, die 1-3 Atom-% Chrom und 1-6 Atom-% Tantal enthalten.
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Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfmdung, Strukturen hoher Festigkeit beim
Einsatz bei hoher Temperatur, wie in Flugzeugturbinen, mit hoher Beständigkeit gegen Oxidation
zu schaffen.
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Ein andere Aufgabe ist es, ein Metallsubstrat mit einer Titangrundlage zu schaffen, deren
Oxidationsbeständigkeit der von MCrAlY-Schutzschichten angenähert ist oder diese übersteigt.
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Andere Aufgaben werden in der folgenden Beschreibung teilweise offensichtlich und sind
teilweise erläutert.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verbundbauteil, umfassend ein Metallsubstrat und
einen metallischen Schutzüberzug auf dem Substrat, wobei das Metall des Substrates ein
Titanaluminid ist, der Überzug auf dem Substrat an das Substrat gebunden ist und das Substrat vor
oxidativem Angriff bei Temperaturen bis zu 1.000ºC schützt, und der Überzug eine Zusammensetzung
gemäß dem folgenden Ausdruck aufweist:
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Ti-Al46-52Cr&sub1;&submin;&sub4;Ta&sub4;&submin;&sub8;.
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Ein bevorzugter Bereich der Bestandteile ist der gemäß dem Ausdruck:
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Ti-Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub1;&submin;&sub4;Ta&sub5;&submin;&sub7;.
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Ein bevorzugterer Bereich von Bestandteilen ist der gemäß dem Ausdruck:
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Ti-Al&sub4;&sub6;&submin;&sub5;&sub0;Cr&sub1;&submin;&sub3;Ta&sub6;.
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In diesen Ausdrücken ist Titan, ausgenommen unvermeidbare Verunreinigungen, der Rest.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung wird besser verstanden werden, wenn
Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen wird, in der zeigen:
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Figur 1 eine graphische Darstellung, bei der die Gewichtsänderung in mg/cm³ gegen die
Zeit des zyklischen Aussetzens in Stunden aufgetragen ist;
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Figuren 2,3 und 4 graphische Darstellungen, die der graphischen Darstellung von Figur 1
sehr ähnlich sind und
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Figur 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Modul und Temperatur für
eine Reihe von Legierungen veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wurde eine detaillierte Untersuchung des Oxidations-Verhaltens einer Anzahl von γ-TiAl
-Legierungen bei Temperaturen bis zu 1.000ºC ausgeführt. Bei diesen Untersuchungen wurden
eine rasche Wärmezyklen-Technik und ein entsprechendes Testverfahren benutzt. Das rasche,
zyklische Testen ist ein Verfahren, bei dem die Probe strömender Luft bei einer vorgesehenen
Temperatur, wie z.B. 850 oder 1.000ºC, ausgesetzt wird, und die Temperatur wird zyklisch bis zur
Testtemperatur 50 Minuten lang erhöht, und dann ließ man 10 Minuten lang abkühlen. Die
Luftströmung während solcher Tests hatte eine Geschwindigkeit von 300 ml/min.
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Bei der Ausführung dieser Reihe von Tests wurde festgestellt, daß die
Oxidationsbeständigkeit durch die Anwesenheit geringer Konzentrationen ternärer und quartärer
Elemente, wie Niob, Tantal, Wolfram, Chrom und Mangan, stark beeinflußt wird.
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Es wurde festgestellt, daß bei Zugabe von Chrom allein die Wirkung auf die
Oxidationsbeständigkeit nachteilig ist, und daß diese Beständigkeit verringert wird. Es wurde auch festgestellt,
daß die Oxidationsbeständigkeit durch geringe Zugaben von Niob verbessert wird.
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Wird eine Kombination von Chrom und Niob zu einer γTiAl-Legierung hinzugegeben, wie,
z.B., Ti-48Al-2Cr-2Nb, dann werden Legierungen mit guten physikalischen Eigenschaften hergestellt,
die bis zu etwa 850ºC oxidationsbeständig sind. Eine eigene US-PS 4,879,092 betrifft diese Legierungs-
Zusammensetzung. Es wurde festgestellt, daß diese Zusammensetzung bei höheren Temperaturen eine
sich abspaltende Oxidhaut nach einer anfänglichen Induktion erzeugt.
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Es wurde auch festgestellt, daß im Bereich der γ-Titanaluminid-Legierungen mit ternären
und quartären Zusätzen eine Zusammensetzung außerordentlich einzigartig ist, die eine geringe
Menge in der Größenordnung von 2 Atom-% Chrom und eine großere Menge in der Größenordnung
von 6 Atom-% Tantal enthält. Das Oxidations-Verhalten dieser Legierungen ist sehr einzigartig und
sehr abhängig von der Menge des Tantal-Zusatzes. Es wurden umfangreiche Untersuchungen
dieser und verwandter Zusammensetzungen ausgeführt, und die vorliegende Patentanmeldung ist
ein Ergebnis dieser Untersuchungen.
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Allgemein wurde festgestellt, daß Erhöhungen der Konzentration des Chrom-Zusatzes selbst
zu verbesserter Oxidationsbeständigkeit führen, daß diese Erhöhungen jedoch auch zu einer
Abnahme in der Duktilität fähren. Chrom-Konzentrationen von 1-4 Atom-% können benutzt werden,
wenn sie mit Tantal-Zusätzen von 4-8 Atom-%, in Abhängigkeit von der Anwendung der Legierung,
gekoppelt werden.
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In älinlicher Weise ist hinsichtlich des Aluminium-Bestandteils die Oxidationsbeständigkeit
um so besser, je höher im allgemeinen der Aluminiumgehalt der hier offenbarten, neuen
Zusammensetzungen ist. Höhere Aluminium-Konzentrationen können jedoch nachteilig für die Duktilität dieser
Zusammensetzungen sein.
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Ein Hauptaufgabe von Überzugs-Anwendungen ist die Bildung eines Überzuges,der gleiche oder
sehr ähnliche Eigenschaften wie ein Titanaluminid-Substrat aufweist, auf dem der Überzug gebildet ist.
Ein Überzug, der eine Duktilität, Warmeausdehnung oder andere Eigenschaft oder Kombination von
Eigenschaften aufweist, die nahe denen eines Titanaluminid-Substrates, wie, z.B., Ti-48Al-2Cr-2Nb,
sind, ist erwünscht und wertvoll.
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Die bemerkenswerte Neuheit und Einzigartigkeit dieser Gruppe von Zusammensetzungen wird
am besten unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der die Gewichtsänderung
einer Legierungsprobe gegen die Zeit in Stunden aufgetragen ist, wahrend der die Probe dem zyklischen
Erhitzen bei der auf der graphischen Darstellung angegebenen Temperatur ausgesetzt wurde.
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In der graphischen Darstellung der Figur 1 finden sich die Testergebnisse von drei
Zusammensetzungen. Diese Zusammensetzungen wurden während einständiger Heizzyklen von bis 850ºC
getestet, wie oben beschrieben, mit strömender Luft von 300 ml/min, wie in der Erläuterung in der
Figur angegeben. Die Anzahl der Zyklen des Aussetzens, angegeben in Stunden, ist auf der
Abszisse aufgetragen, und die resultierende Gewichtsänderung der Probe in mg/cm³ ist auf der Ordinate
angegeben. Eine Gewichtszunahme von null ist auf der Ordinatenskala angegeben, und eine
horizontale Linie, die einen Bezugswert für die Gewichtszunahme null darstellt, ist auf der Figur
angegeben. Eine Probe mit der Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-3Ta wurde getestet und, wie durch die
Markierung in Figur 1 angegeben, wies sie zuerst eine relativ kurze Gewichtszunahme über die
ersten 50 Stunden des zyklischen Testens auf und dann eine sehr rasche Gewichtsabnahme, da sich
der Oxidüberzug abspaltete und von der Oberfläche der Probe trennte. Diese Testergebnisse
verließen die Darstellung bei -6 mg/cm² der Probe bei 265 Stunden des zyklischen Testens.
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Eine Probe mit einer Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-4Ta wurde getestet, und diese
Zusammensetzung zeigte eine kontinuierliche Gewichtszunahme während etwa 300 Stunden ds zyklischen
Testens mit einer Nettozunahme von etwa 1 mg/cm² während dieser Zeitdauer. Wie aus den in
Figur 1 aufgetragenen Ergebnissen deutlich wird, stellen die mit dieser zweiten Zusammensetzung,
enthaltend 4 Atom-% Tantal, erhaltenen Ergebnisse eine bemerkenswerte und einzigartige
Verbesserung
in der Oxidationsbeständigkeit dar, verglichen mit der 2 Atom-% Tantal enthaltenden
Zusammensetzung.
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Ein dritte Probe mit einer Zusammensetzung von Ti-48Al-2Cr-6Ta wurde in ähnlicher Weise
in einem stündlichen Zyklustest bei 850ºC mit der mit 300 ml/min strömenden Luft getestet. Wie
aus der graphischen Darstellung der Figur 1 deutlich wird, nahm diese Probe für die gesamten 500
Stunden des Tests an Gewicht zu, und die Gewichtszunahme war geringer als 1 mg/cm² und näher
bei etwa 0,75 mg/cm².
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Aus den in Figur 1 aufgetragenen Daten wird somit deutlich, daß Zusammensetzungen, die 4
Atom-% Tantal oder mehr enthalten, eine einzigartige und bemerkenswerte Verbesserung
hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit aufweisen, verglichen mit der Zusammensetzung mit 2 Atom-%
Tantal oder weniger. Die Zusammensetzungen mit mindestens 6 Atom-% Tantal ergaben die
spektakulärsten Ergebnisse hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit, wie aus der graphischen Darstellung
der Figur 1 deutlich wird. Bei Werten von 8 Atom-% Tantal und mehr ist die Oxidationsbeständigkeit
nicht so günstig, wie sie es für Zusammensetzungen mit weniger als 8 Atom-% Tantal ist. Auf der
Gundlage dieser Ergebnisse wurde geschlossen, daß diese Zusammensetzungen als Schutzüberzüge
auf Titanaluminiden eingesetzt werden können, die für oxidativen Angriff bei erhöhten
Temperaturen empfindlicher sind.
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In Figur 2 ist ein Satz von Daten von Tests aufgetragen, die bei 1.000ºC in strömender Luft
unter Anwendung des raschen Heizzyklusses der ersten Experimente ausgeführt wurden. Die
Gewichtsänderung ist auf der Ordinate aufgetragen, wobei eine Gewichtszunahme von null durch
die in der Figur aufgetragene, horizontale Linie wiedergegeben wird. Der erste Test fand mit einer
Probe der Zusammensetzung Ti-48Al-4Nb statt. Wie in der graphischen Darstellung angegeben,
nahm diese Zusammensetzung zuerst etwa 1,3 mg/cm² in den ersten 25 Teststunden zu und verlor
dann mit einer raschen Geschwindigkeit Gewicht, wobei die Ergebnisse des Gewichtsverlustes bei
etwa -3 mg/cm² nach etwa 170 Teststunden die Darstellung verlassen.
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Ein zweiter Test wurde mit einer Probe einer Zusammensetzung 48Al-2Cr-4Ta ausgeführt,
und die Ergebnisse dieses Tests sind auch in der Figur veranschaulicht. Der anfänglichen
Gewichtszunahme von etwa 2,5 g/cm² während der ersten 70 Teststunden folgte eine
Gewichtsabnahme, da sich das Oxid von dr Oberfläche der Probe ablöste, und die verließ die untere Skala bei
etwa -3 mg/cm² kurz vor 400 Teststunden. Eine vierte Probe mit einer Zusammensetzung Ti-24Al-
11Nb-0,1Y wurde ebenfalls getestet und deren Ergebnisse in der graphischen Darstellung der Figur
2 aufgetragen. Diese Zusammensetzung gewann zuerst etwa 3,5 mg/cm² der Probe während der
ersten etwa 135 Teststunden, und dieser Zunahme folgte ein außerordentlich rascher
Gewichtsverlust, wobei die Kurve bei mehr als 3 mg/cm² Gewichtsverlust bei weniger als 200 Teststunden die
Darstellung verließ.
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Die dritte getestete Probe war eine mit einer Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-6Ta. Aus der
Darstellung wird auch deutlich, daß diese Probe während der gesamten 500-stündigen Testzeit eine
Gewichtszunahme aufwies, und die Probe nach etwa 500 Teststunden etwa 3,6 mg/cm² der Probe
an Gewicht gewonnen hatte. Es ist daher aus der Darstellung der Figur 2 deutlich, daß die
Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-6Ta eine einzigartige und bemerkenswerte Probe hinsichtlich der
Oxidationsbeständigkeit war. Die Tatsache, daß die Probe weiter Gewicht zunahm und während der
gesamten 500 Teststunden bei 1.000ºC kein Gewicht verlor zeigt, daß das auf der Probe gebildete
Oxid kein Oxid war, das sich von der Oberfläche der Probe abspaltete und trennte. Es ist diese
Eigenschaft des Oxids, das sich auf der Titanalumnid-Probe bildet, die 2 Atom-% Chrom und 6
Atom-% Tantal enthält, die den gesamten Unterschied im Schutzcharakter des
Legierungs-Substrates ausmacht.
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Eine fünfte Probe hatte eine Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-8Ta. Aus der Auftragung der
Daten, die mit dieser Probe erhalten wurden, wird deutlich, daß sie weniger gunstige Oxidations-
Eigenschaften aufwies als Ti-48Al-2Cr-6Ta, daß jedoch ihre Oxidationsbeständigkeit recht hoch und
vergleichbar denen für die Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-4Ta waren.
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Als nächstes wird auf Figur 3 sowie die Kurven von Ergebnissen Bezug genommen, erhalten
beim Testen von drei unterschiedlich dotierten Titanaluminid-Proben bei 1.000ºC unter Anwendung
rascher Zyklen und strömender Luft, wie oben beschrieben.
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Die erste Probe war eine Legierung mit einer Zusammensetzung Ti-48Al-8Nb. Diese Probe
wurde während der raschen zyklischen Heiztests getestet und die erhaltenen Ergebnisse sind in
der Figur aufgetragen. Die Probe nahm zuerst etwa 2 mg/cm² während der ersten 200 Teststunden
zu, und sie verlor dann kontinuierlich Gewicht aufgrund des Abspaltens, bis der Test bei etwa -20
mg/cm² bei etwa 760 Teststunden aus der Darstellung lief.
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Die zweite Probe wies die Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-2Nb auf. Auch diese Probe gewann
etwa 2 mg/cm² der Oberfläche währnd der ersten 100 Teststunden und verlor dann während der
nächsten 640 Teststunden Gewicht und verließ die Darstellung bei etwa -20 mg/cm².
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Die Probe einer der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung, enthaltend Ti-48Al-2Cr-
6Ta, wurde getestet und gewann ebenfalls 2 mg/cm² der Probe während der ersten 100 Teststunden
an Gewicht. Anders als die beiden anderen Proben nahm diese Probe während der nächsten 900
Teststunden weiter an Gewicht zu, so daß das Endgewicht der Probe eine Zunahme von etwa 4
mg/cm² während der gesamten 1.000 Teststunden bei 1.000ºC in strömender Luft während des
raschen zyklischen Heiztests repräsentierte. Dieser Test war im wesentlichen eine Fortsetzung des
Tests der gleichen Zusammensetzung, wie er unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben ist. Es
wird wiederum eine bemerkenswerte, einzigartige und neue Beständigkeit gegenüber Oxidation
von der Titanaluminid-Zusammensetzung gezeigt, die die 2 Atom-% Chrom und 6 Atom-% Tantal
enthält.
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In der nächsten Figur 4 wurde eine Anstrengung unternommen, durch eine Testreihe die
Oxidationsbeständigkeit des nicht überzogenen Titanaluminids, enthaltend 2 Atom-% Chrom und 6
Atom-% Tantal, in der Figur als CF163 identifiziert, mit Überzügen einer Anzahl anderer
konventioneller, oxidationsbeständiger Materialien auf einem Substrat aus Ti-48Al-2Cr-6Ta, das in der Figur
ebenfalls als CF163 identifiziert ist, zu vergleichen.
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Das erste getestete Material war ein NiCrAlγ-Überzug auf dem Ti-48Al-2Cr-6Ta-Substrat.
Die Zusammensetzung von NiCrAlY ist ein gut bekanntes und eingeführtes, oxidationsbeständiges
Überzugsmaterial, das zum Überziehen verschiedener Substrat-Materialien eingesetzt wird, die
höherer Temperatur und hoher Spannung ausgesetzt sind. In diesem speziellen Falle betrug die
Temperatur, auf die die getestete Probe erhitzt wurde, 815ºC unter Anwendung des Verfahrens zum
raschen zyklischen Testen, das oben beschrieben ist. Wie bei allen anderen in dieser Anmeldung
erläuterten Tests ließ man Luft mit 300 ml/min über die Probe strömen. Das Ergebnis des Tests ist
in Figur 4 aufgetragen. Die NiCrAlY-Daten sind durch die Punkte in der mittleren Kurve zwischen
der obersten und der untersten Kurve der Darstellung repräsentiert.
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Das nächste Überzugsmaterial, das gemäß dieser Reihe von Tests untersucht wurde, war
das FeCrAlY-Überzugsmaterial, das in der graphischen Darstellung durch das vertikale Dreieck
repräsentiert ist. Wie aus Figur 4 deutlich wird, sind die bei diesem Test erhaltenen Daten im
wesentlichen entlang der gleichen mittleren Kurve aufgetragen, wie die oben diskutierten NiCrAlY-
Daten.
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Die nächste getestete Überzugsprobe war ein CoCrWFeNi-Überzug, und die für diese Probe
erhaltenen und aufgetragenen Daten sind durch die umgekehrten Dreiecke repräsentiert. Wie aus
Figur 4 deutlich wird, folgt auch die Reihe der umgekehrten Dreiecke wieder der mittleren Kurve
der Figur. Bei jedem dieser drei Tests betrug die Gewichtszunahme über die 1.000 Stunden des
Tests etwa 1,2 mg/cm².
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Der vierte Test dieser Reihe wurde mit einer Überzugs-Zusammensetzung aus Ni-50Cr
ausgeführt, die auf die CF163-Grundlage aus Ti-48Al-2Cr-6Ta aufgebracht wurde. Die
Datenpunkte aus ausgefüllten Quadraten, die für diese Probe aufgetragen sind, erscheinen als die oberste der
drei aufgetragenen Kurven der Figur 4. Das Nickelchromid zeigte eine Gewichtszunahme, die die
der drei oben erläuterten Proben überstieg. Das Endniveau der Gewichtszunahme der Probe war
nicht sehr verschieden von der der anderen Proben, und ein Wert von etwa 1,3 mg/cm² wurde für
diese Probe beobachtet, nachdem die 1.000 Stunden der raschen zyklischen Erhitzung
abgeschlossen waren.
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Die Daten der nächsten getesteten Probe sind in Figur 4 durch unausgefüllte Quadrate
wiedergegeben. Diese Probe, ebenfalls als CF163 identifiziert, ist die Probe des Ti-48Al-2Cr-6Ta-
Materials, das ein nicht überzogenes Substratmaterial war. Wie aus Figur 4 deutlich wird, betrug
die Gewichtszunahme für diese Probe weniger als die Hälfte der Gewichtszunahme für die anderen
vier Proben. Die Gewichtszunahme nach 1.000 Stunden des Testens bei 815ºC unter Awendung
strömender Luft mit 300 ml/min und unter Anwendung des einstündigen, raschen zyklischen
Erhitzens betrug etwa 0,4 mg/cm².
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Die für die fünf Proben aufgetragenen Daten, die in dieser Testreihe erhalten wurden,
zeigen, daß die nicht überzogene γ-Titanaluminid-Legierung mit 48 Atom-% Aluminium, 2 Atom-%
Chrom und 6 Atom-% Tantal ein bemerkenswert hohes Niveau der Oxidationsbeständigkeit für ein
Substratmaterial aufweist. Es muß realisiert werden, daß jedes der anderen Materialien dieser
Reihe
im wesentlichen ein Überzugsmaterial ist, so daß das Substratmaterial aus Ti-48Al-2Cr-6Ta mit
Überzugsmaterialien verglichen wird. Einer der kritischsten, deutlichen Unterschiede zwischen
einem nicht überzogenen Substratmaterial und einem überzogenen Material ist, daß das
Substratmaterial genügend physikalische und andere Eigenschalten aufweist, um seinen Einsatz als ein
Baumaterial an sich zu gestatten. Dies steht im Gegensatz zu Substratmaterialien, die als
Baumaterialien eingesetzt werden, aber mit einem Überzugsmaterial, wie dem NiCrAlY- oder FeCrAlY-
Material überzogen werden müssen, die Eigenschaften zum Einsatz als Überzüge aufweisen, aber
selbst angemessene, physikalische Eigenschaften haben, um als Baumaterialien eingesetzt zu
werden. Das Ti-48Al-2Cr-6Ta-Material ist daher einzigartig sowohl dahingehend, daß es eine
bemerkenswerte Oxidationsbeständigkeit aufweist, die in den oben erläuterten, vier graphischen
Darstellungen gezeigt wird, daß es aber auch ein Material ist, das selbst als ein Substrat dient oder.
selbst als ein Baumaterial in den Gegenständen dienen kann, die in ein Strahltriebwerk eingebaut
werden.
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Wegen der einzigartigen Eigenschaften, die das Ti-48Al-2Cr-6Ta-Material hinsichtlich
physikalischer Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit zeigt, ist es möglich, dieses Material als
ein Überzugs-Material zu benutzen. Dies trifft insbesondere für Substrat-Material zu, wie die
γ-Titanaluminide, von denen dieses Material ein Teil ist. Es besteht daher die Situation, bei der das
Ti-48Al-2Cr-6Ta-Material auf ein γ-Titanaluminid als ein schützender, oxidationsbeständiger Überzug
für das γ-Titanaluminid-Material aufgebracht werden kann, und dieses Überziehen kann durch
Plasmaspritzen oder durch eine Anzahl anderer Mittel erfolgen.
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Ein Test der Oxidationsbeständigkeit, ausgeführt an einer Probe aus Ti-48Al-2Cr-8Ta zeigte,
daß die Oxidationsbeständigkeit nicht so hoch ist wie die von Ti-48Al2Cr-6Ta. Das Ti-48Al-2Cr-8Ta-
Material hatte jedoch eine sehr hervorragende Oxidationsbeständigkeit, die es geeignet macht zum
Einsatz bei vielen Anwendungen ähnlich denen des Ti-48Al-2Cr-4Ta-Materials, bei denen die
außerordentliche Oxidationsbeständigkeit des Ti-48Al-2Cr-6Ta-Materials nicht erforderlich ist.