EP1070152B1 - TiAl-BASISLEGIERUNG - Google Patents

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EP1070152B1
EP1070152B1 EP99913284A EP99913284A EP1070152B1 EP 1070152 B1 EP1070152 B1 EP 1070152B1 EP 99913284 A EP99913284 A EP 99913284A EP 99913284 A EP99913284 A EP 99913284A EP 1070152 B1 EP1070152 B1 EP 1070152B1
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tial
atom
copper
base alloy
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Georg Frommeyer
Jürgen Wesemann
Sven Knippscheer
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium

Definitions

  • the invention relates to a TiAl base alloy with a Composition of the titanium aluminide with 42 to 54 at .-% Al, Balance titanium, which up to 12 at .-% based on TiAl further Alloy elements can be added.
  • TiAl alloys of this type are for example from JP-A-5230570, the JP-A-4235262 or JP-A-3226538 are known.
  • a TiAl alloy is used in JP-A-3226538 described in their basic composition 40 - 56.6 at .-% Al, 0.2 - 0.82 at .-% Nb, 0.35 - 4.84 at .-% Si as well further alloying elements, such as Cu, the rest Contains titanium and inevitable impurities.
  • the known alloy is said to have improved strength have improved ductility at the same time.
  • the one in JP-A-3226538 contained examples show that the state of the Technology with Al contents in the range of 42 - 54 at .-% Si contents are provided in the range of 0.35 - 4.7 at .-%. Silicon is used in this Connection has a heat-increasing effect attributed.
  • Si contents given in JP-A-3226538 Range from 1.04 - 1.20 at%.
  • the invention has for its object a TiAl base alloy to be modified in such a way that has better properties than conventional alloys on this basis. In particular will have improved castability, hot formability and Ductility aimed at higher strength.
  • the alloy according to the invention can 0.1 to 5 at .-% Mo, preferably 0.4 to 1.2 at.% Mo, and / or 0.1 - 5 at.% Cr, preferably 0.4 to 1.2 at.% Cr, and up to contain a total of 12 at .-% further alloying elements. Up to 2 at.% In total, one or more of the strength-increasing elements Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr contained in the alloy as "further alloy elements" his.
  • the addition of copper to TiAl provided according to the invention causes a greatly reduced grain size or a compared to a much finer structured cast structure TiAl base alloys without the addition of copper.
  • Lamellar TiAl base alloys with copper addition also point reduced slat spacing. These effects will be reinforced by the addition of silicon.
  • the addition of copper leads to increased strength of TiAl base alloys with comparable alloys increased ductility.
  • the Improved hot formability Forming of TiAl base alloys with copper additive can lower forces or at lower temperatures than with comparable alloys.
  • At least 0.1 at.% Cu is required to achieve the bring about the desired effects. More than 5 at .-% cause embrittlement and are therefore not meaningful. Even small quantities in the order of up to 0.2 at .-% Cu improve the castability through a Reduce melt viscosity and counteract comparable alloys without the addition of Cu fine structured cast structure.
  • Figure 1 shows the solidification structure of a TiAlMoSi alloy.
  • TiAl base alloys with copper addition represented by the Ti 52 Al 46.8 Cu 1 Si 0.2 alloy according to Figure 2
  • Figures 3 and 4 the grain-refining influence of the addition of copper to TiAl is still pronounced after the alloy has been annealed for 30 min at 1400 ° C.
  • Figure 5 shows the temperature-dependent fracture upsets of modified TiAl alloys with copper addition compared to a Ti 52 Al 48 and a TiAlMoSi alloy.
  • the strength of TiAl base alloys is significantly increased by the addition of copper to TiAl provided according to the invention.
  • the comparatively steep drop in strength at temperatures> 800 ° C for TiAl base alloys with copper addition leads to improved hot formability.
  • the Ti 52 Al 46.5 Mo 0.5 Cu 0.6 Si 0.2 alloy for example with compression limits between 580 MPa at room temperature and 538 MPa at 800 ° C, has a higher compression limit than an already high-strength Ti 52 Al 46.8 Mo 1 Si 0.2 alloy.
  • the Ti 52 Al 46.5 Mo 0.5 Cu 0.8 Si 0.2 alloy shows a significantly lower deformation resistance than the Ti 52 Al 46.8 Mo 1 Si 0.2 alloy.
  • the Ti 52 Al 46.5 Mo 0.5 Cu 0.8 Si 0.2 alloy like other alloy modifications with added copper, is characterized by improved ductility.
  • Figures 5 and 6 show that the variation of the copper content or the alloy composition enables an optimal combination of properties of strength, ductility and formability to be set.
  • the TiAl base alloy according to the invention is suitable as Construction material for investment castings, but also for Parts by extrusion, isothermal forging and / or superplastic forming to the desired one Final shape are generated.
  • Examples of applications are valves for internal combustion engines, piston crown segments, Turbocharger rotors and components for turbines and Compressor.

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Description

Die Erfindung betrifft eine TiAl-Baisilegierung mit einer Zusammensetzung des Titanaluminids mit 42 bis 54 at.-% Al, Rest Titan, der bis zu 12 at.-% bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt sein können. TiAl-Legierungen dieser Art sind beispielsweise aus der JP-A-5230570, der JP-A-4235262 oder der JP-A-3226538 bekannt.
Dabei wird in der JP-A-3226538 eine TiAl-Legierung beschrieben, die in ihrer Grundzusammensetzung 40 - 56,6 at.-% Al, 0,2 - 0,82 at.-% Nb, 0,35 - 4,84 at.-% Si sowie weitere Legierungselemente, wie beispielsweise Cu, Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Die bekannte Legierung soll eine verbesserte Festigkeit bei gleichzeitig verbesserter Duktilität besitzen. Die in JP-A-3226538 enthaltenen Beispiele zeigen, dass beim Stand der Technik bei im Bereich von 42 - 54 at.-% liegenden Al-Gehalten jeweils Si-Gehalte vorgesehen sind, die im Bereich von 0,35 - 4,7 at.-% liegen. Silizium wird in diesem Zusammenhang eine warmfestigkeitssteigernde Wirkung zugeschrieben. Bei denjenigen Beispielen, die Cu enthalten, liegen die in der JP-A-3226538 angegebenen Si-Gehalte im Bereich von 1,04 - 1,20 at.-%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine TiAl-Basislegierung derart zu modifizieren, dass sie in mehrfacher Hinsicht bessere Eigenschaften aufweist als herkömmliche Legierungen auf dieser Basis. Insbesondere wird eine verbesserte Vergießbarkeit, Warmumformbarkeit und Duktilität bei höherer Festigkeit angestrebt.
Dies Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Basislegierung gelöst. Neben den Pflichtbestandteilen an Cu und Si kann die erfindungsgemäße Legierung 0,1 bis 5 at.-% Mo, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Mo, und / oder 0,1 - 5 at.-% Cr, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Cr, sowie bis insgesamt 12 at.-% weitere Legierungselemente enthalten. Bis insgesamt 2 at.-% kann ein oder können mehrere der festigkeitssteigernden Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr in der Legierung als "weitere Legierungselemente" enthalten sein.
Als besonders vorteilhaft hat sich bei der Erfindung folgende Legierung erwiesen:
  • Ti52.3A146.5Cu1Si0.2
  • Ti52.0Al46.6Cr1Cu0.2Si0.2
  • Ti52.0Al46.6Mo1Cu0.2Si0.2
  • Ti52.0Al46.5Mo0.5Cu0.8Si0.2
    • Der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz an Kupfer zu TiAl bewirkt eine stark verringerte Korngröße bzw. ein wesentlich feiner strukturiertes Gußgefüge gegenüber TiAl-Basislegierungen ohne Kupferzusatz. Lamellare TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz weisen darüber hinaus reduzierte Lamellenabstände auf. Diese Effekte werden durch den Zusatz von Silizium noch verstärkt. Der Zusatz von Kupfer führt zu einer erhöhten Festigkeit von TiAl-Basislegierungen bei gegenüber vergleichbaren Legierungen gesteigerter Duktilität. Außerdem wird die Warmumformbarkeit verbessert. Die Umformung von TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz kann dadurch mit geringeren Kräften bzw. bei niedrigeren Temperaturen als bei vergleichbaren Legierungen durchgeführt werden.
    Mindestens 0,1 at.-% Cu ist erforderlich, um die angestrebten Wirkungen herbeizuführen. Mehr als 5 at.-% rufen eine Versprödung hervor und sind daher nicht sinnvoll. Schon geringe Mengen in der Größenordnung bis 0,2 at.-% Cu verbessern die Vergießbarkeit durch eine Verringerung der Schmelzviskosität und bewirken gegenüber vergleichbaren Legierungen ohne Cu-Zusätze ein deutlich feiner strukturiertes Gußgefüge.
    Bild 1 zeigt die Erstarrungsstruktur einer TiAlMoSi-Legierung. Im Vergleich dazu weisen TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz, repräsentiert durch die Ti52Al46.8Cu1Si0.2-Legierung gemäß Bild 2, ein deutlich feiner strukturiertes Erstarrungsgefüge auf. Wie die Bilder 3 und 4 belegen, ist der kornfeinende Einfluß des Kupferzusatzes zu TiAl auch noch nach dem Glühen der Legierung für 30 min bei 1400 °C ausgeprägt.
    In Bild 5 sind die temperaturabhängigen Bruchstauchungen modifizierter TiAl-Legierungen mit Kupferzusatz im Vergleich zu einer Ti52Al48- und einer TiAlMoSi-Legierung dargestellt. Die Festigkeit von TiAl-Basislegierungen wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatz von Kupfer zu TiAl signifikant erhöht. Der vergleichsweise steile Festigkeitsabfall bei Temperaturen > 800 °C bei den TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz führt zu einer verbesserten Warmumformbarkeit. Die Ti52Al46.5Mo0.5Cu0.6Si0.2-Legierung weist z.B. mit Stauchgrenzen zwischen 580 MPa bei Raumtemperatur und 538 MPa bei 800 °C eine höhere Stauchgrenze als eine bereits hochfeste Ti52Al46.8Mo1Si0.2-Legierung auf. Ab 1000 °C zeigt die Ti52Al46.5Mo0.5Cu0.8Si0.2-Legierung jedoch einen deutlich geringeren Verformungswiderstand als die Ti52Al46.8Mo1Si0.2-Legierung. Gleichzeitig zeichnet sich die Ti52Al46.5Mo0.5Cu0.8Si0.2-Legierung, wie auch andere Legierungsmodifikationen mit Kupferzusatz, durch eine verbesserte Duktilität aus.
    Die Bilder 5 und 6 belegen, daß durch die Variation des Kupfergehaltes bzw. der Legierungszusammensetzung die Einstellung einer optimalen Eigenschaftskombination aus Festigkeit, Duktilität und Umformbarkeit möglich ist.
    Aufgrund seiner besonderen verbesserten Eigenschaften eignet sich die erfindungsgemäße TiAl-Basislegierung als Konstruktionswerkstoff für Feingußteile, aber auch für Teile, die durch Strangpressen, Isothermschmieden und/oder superplastisches Umformen an die gewünschte Endform erzeugt werden. Anwendungsbeispiele sind Ventile für Verbrennungsmotoren, Kolbenbodensegmente, Turboladerrotoren und Komponenten für Turbinen und Verdichter.

    Claims (3)

    1. TiAl-Basislegierung mit 42 bis 54 at.-% Aluminium, der insgesamt bis 12 at.-%, bezogen auf TiAl, Legierungselemente zugesetzt sein können, Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die TiAl-Basislegierung als Legierungselemente
      0,1 bis 5 at.-% Kupfer
      0,1 bis 0,3 at.-% Silizium
      enthält und ihr wahlweise
      0,1 bis 5 at.-% Mo,
      0,1 bis 5 at.-% Cr und / oder
      bis insgesamt 2 at.-% eines oder mehrerer der
      Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr
      zugegeben sein können.
    2. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,2 bis 1 at.-% Cu enthält.
    3. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungselemente 0,4 bis 1,2 at.-% Mo und/oder 0,4 bis 1,2 at.-% Cr enthält.
    EP99913284A 1998-03-21 1999-03-20 TiAl-BASISLEGIERUNG Expired - Lifetime EP1070152B1 (de)

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    DE19812444 1998-03-21
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    EP1070152A1 EP1070152A1 (de) 2001-01-24
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    AT (1) ATE260996T1 (de)
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