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WO1999049090A1 - TiA1-BASISLEGIERUNG - Google Patents

TiA1-BASISLEGIERUNG Download PDF

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WO1999049090A1
WO1999049090A1 PCT/EP1999/001868 EP9901868W WO9949090A1 WO 1999049090 A1 WO1999049090 A1 WO 1999049090A1 EP 9901868 W EP9901868 W EP 9901868W WO 9949090 A1 WO9949090 A1 WO 9949090A1
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WO
WIPO (PCT)
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alloy
tial
tial base
base alloy
copper
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Ceased
Application number
PCT/EP1999/001868
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English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Frommeyer
Jürgen Wesemann
Sven Knippscheer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Original Assignee
Max Planck Institut fuer Eisenforschung
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 titanium aluminide with 42 to 54 at.% Al, the remainder being titanium, to which further alloying elements can be added up to 12 at.
  • the invention is based on the object of modifying a TiAl base alloy in such a way that it has better properties than conventional alloys based on it in several respects. In particular, improved castability, formability and ductility with higher strength is sought.
  • a TiAl base alloy which contains 0.1 to 5 at.% Cu, preferably 0.2 to 1 at.% Cu.
  • the alloy may contain 0.1 to 2 at.% Si, preferably 0.1 to 0.3 at.% Si, and / or 0.1 to 5 at.% Mo, preferably 0.4 to 1, 2 at.% Mo, and / or 0.1 to 5 at.% Cr, preferably 0.4 to 1.2 at.% Cr, and up to a total of 12 at.% Further alloy elements.
  • one or more of the strength-increasing elements Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr m of the alloy can be contained as "further alloy elements".
  • the invention has proven to be particularly advantageous for the following alloys: - 2 -
  • the addition of copper to TiAl provided according to the invention results in a greatly reduced grain size or a significantly finer structured casting structure compared to TiAl base alloys without the addition of copper.
  • Lamellar TiAl base alloys with copper addition also have reduced lamella spacing. These effects are reinforced by the addition of silicon.
  • the addition of copper leads to an increased strength of TiAl base alloys with increased ductility compared to comparable alloys. Arm formability is also improved. As a result, the forming of TiAl base alloys with copper addition can be carried out with lower forces or at lower temperatures than with comparable alloys.
  • At least 0.1 at% Cu is required to achieve the desired effects. More than 5 at.-o cause embrittlement and are therefore not useful. Even small amounts of the order of magnitude up to 0.2 at.% Cu improve the castability by reducing the melt viscosity and, compared to comparable alloys without the addition of Cu, result in a significantly finer structured casting structure.
  • Figure 1 shows the solidification structure of a T1AIM0S1 alloy.
  • TiAl base alloys with copper addition represented by the T ⁇ 52 Al 4 6 sCu.Sio 2 ⁇ alloy according to Figure 2
  • Figures 3 and 4 show, the grain-refining influence of the - 3 -
  • Copper additive to TiAl is also pronounced after the alloy has been annealed for 30 mm at 1400 ° C.
  • Figure 5 shows the temperature-dependent fracture upsets of modified TiAl alloys with copper addition compared to a TI 52 A1 P 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 the TiAl base alloys with copper addition leads to improved hot formability.
  • R c S ⁇ 2- alloy has, for example with upsetting boundaries between 580 MPa at room temperature and 538 MPa at 800 ° C, a higher compression strength than an already high strength T I 5 Al "M ⁇ S ⁇ 0 -? Alloy.
  • the TiAl base alloy according to the invention is suitable as a construction material for cast female parts, but also for parts which are produced by extrusion, isothermal forging and / or superplastic forming to the desired final shape.
  • Application examples are valves for internal combustion engines, piston crown segments, turbocharger rotors and components for turbines and compressors.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Physical Vapour Deposition (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine TiAl-Basislegierung mit einer Zusammensetzung des Titanaluminids mit 42 bis 54 at.-% Al, Rest Titan, der bis zu 12 at.-% bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können. Kennzeichen der Erfindung ist, dass die Legierung 0,1 bis 5 at.-% Kupfer enthält.

Description

- 1 -
TiAl-Bas1s1egierung
Die Erfindung betrifft eine TiAl-Basislegierung mit einer Zusammensetzung des Titanaluminids mit 42 bis 54 at.-% AI, Rest Titan, der bis zu 12 at.-° bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine TiAl- Basislegierung derart zu modifizieren, daß sie m mehrfacher Hinsicht bessere Eigenschaften aufweist als herkömmliche Legierungen auf dieser Basis. Insbesondere wird eine verbesserte Vergießbarkeit, armumformbarkeit und Duktilitat bei höherer Festigkeit angestrebt.
Zur Losung dieser Aufgabe wird erfmdungsgemaß eine TiAl- Basislegierung vorgeschlagen, die 0,1 bis 5 at.-% Cu, vorzugsweise 0,2 bis 1 at.-% Cu, enthalt. Zusätzlich kann die Legierung 0,1 bis 2 at.-% Si, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 at.-% Si, und/oder 0,1 bis 5 at.-% Mo, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 at.-% Mo, und/oder 0,1 bis 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 m der Legierung als "weitere Legierungselemente" enthalten sein.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Erfindung bei folgenden Legierungen erwiesen: - 2 -
Tι52.3A146.5CulSι0.2 Tι52.0A146.6CrlCu0.2Sι0.2 Tι52.0A146.6MolCu0.2Sι0.2 Tι52.0A146.5Mo0.5Cu0.8Sι0.2
Der erfmdungsgemaß vorgesehene Zusatz an Kupfer zu TiAl bewirkt eine stark verringerte Korngroße bzw. ein wesentlich feiner strukturiertes Gußgefuge gegenüber TiAl-Basislegierungen ohne Kupferzusatz. Lamellare TiAl- Basislegierungen mit Kupferzusatz weisen darüber hinaus reduzierte Lamellenabstande auf. Diese Effekte werden durch den Zusatz von Silizium noch verstärkt. Der Zusatz von Kupfer fuhrt zu einer erhöhten Festigkeit von TiAl- Basislegierungen bei gegenüber vergleichbaren Legierungen gesteigerter Duktilitat. Außerdem wird die armumformbarkeit 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 herbeizufuhren. Mehr als 5 at.-o rufen eine Versprodung hervor und sind daher nicht sinnvoll. Schon geringe Mengen m der Größenordnung bis 0,2 at.-% Cu verbessern die Vergießbarkeit durch eine Verringerung der Schmelzviskositat und bewirken gegenüber vergleichbaren Legierungen ohne Cu-Zusatze ein deutlich feiner strukturiertes Gußgefuge.
Bild 1 zeigt die Erstarrungsstruktur einer T1AIM0S1- Legierung. Im Vergleich dazu weisen TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz, repräsentiert durch die Tι52Al46 sCu.Sio 2 ~ Legierung gemäß Bild 2, ein deutlich feiner strukturiertes Erstarrungsgefuge auf. Wie die Bilder 3 und 4 belegen, ist der kornfeinende Einfluß des - 3 -
Kupferzusatzes zu TiAl auch noch nach dem Glühen der Legierung für 30 mm bei 1400 °C ausgeprägt.
In Bild 5 sind die temperaturabhangigen Bruchstauchungen modifizierter TiAl-Legierungen mit Kupferzusatz im Vergleich zu einer TI52A1 P- und einer TiAlMoSi-Legierung dargestellt. Die Festigkeit von TiAl-Basislegierungen wird durch den erf dungsgemaß vorgesehenen Zusatz von Kupfer zu TiAl signifikant erhöht. Der vergleichsweise steile Festigkeitsabfall bei Temperaturen > 800 °C bei den TiAl-Basislegierungen mit Kupferzusatz fuhrt zu einer verbesserten Warmu formbarkeit . Die Tι5-Al,b -Mo .Cu. RSιc 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 Tι5?Al „MθιSι0 -- Legierung auf. Ab 1000 °C zeigt die Tι52Al b DMo .Cut 8Sι0 2- Legierung ηedoch einen deutlich geringeren Verformungswiderstand als die Tι52Al4„ 8MθιSι0 ^-Legierung. Gleichzeitig zeichnet sich die Tι57Al,0 MO0 SCU „SI0 I~ Legierung, wie auch andere Legierungsmodifikationen mit Kupferzusatz, durch eine verbesserte Duktilitat aus. Die Bilder 5 und 6 belegen, daß durch die Variation des Kupfergehaltes bzw. der Legierungszusammensetzung die Einstellung einer optimalen Eigenschaftskombination aus Festigkeit, Duktilitat und Umformbarkeit möglich ist.
Aufgrund seiner besonderen verbesserten Eigenschaften eignet sich die erfmdungsgemaße TiAl-Basislegierung als Konstruktionswerkstoff für Femgußteile, aber auch für Teile, die durch Strangpressen, Isothermschmieden und/oder superplastisch.es Umformen an die gewünschte Endform erzeugt werden. Anwendungsbeispiele sind Ventile für Verbrennungsmotoren, Kolbenbodensegmente, Turboladerrotoren und Komponenten für Turbinen und Verdichter.

Claims

- 4 -Patentansprüche
1. TiAl-Basislegierung mit 42 bis 54 at.-% Aluminium, Rest Titan und unvermeidbare Verunreinigungen, der insgesamt bis 12 at.-%, bezogen auf TiAl weitere Legierungselemente zugesetzt werden können, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß, sie 0,1 bis 5 at.-% Kupfer enthält.
2. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie 0,2 bis 1 at.-% Cu enthält.
3. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie als weiteres Legierungselement 0,1 bis 2 at.-% Si enthält.
4. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie als weiteres Legierungselement 0, 1 bis 0,3 at.-% Si enthält.
5. TiAl-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie als weitere Legierungselemente 0,1 bis 5 at.-% Mo und/oder 0,1 bis
5 at.-% Cr enthält. - 5 -
6. TiAl-Basislegierung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie als weitere Legierungselemente 0,4 bis 1,2 at.-% Mo und/oder 0,4 bis 1,2 at.-°o Cr enthalt.
7. TiAl-Basislegierung nch einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie als weitere Legierungselemente oder als weiteres Legierungselement bis insgesamt
2 at.-% eines oder mehrere der Elemente Nb, Mn, V, B, W, Ti, Ta, Zr enthalt.
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