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DE69902245T2 - TITANALUMINID ALLOY WITH TWO PHASES - Google Patents
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DE69902245T2 - TITANALUMINID ALLOY WITH TWO PHASES - Google Patents

TITANALUMINID ALLOY WITH TWO PHASES

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DE69902245T2
DE69902245T2 DE69902245T DE69902245T DE69902245T2 DE 69902245 T2 DE69902245 T2 DE 69902245T2 DE 69902245 T DE69902245 T DE 69902245T DE 69902245 T DE69902245 T DE 69902245T DE 69902245 T2 DE69902245 T2 DE 69902245T2
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Abstract

A two phase titanium aluminide alloy having a lamellar microstructure with little intercolony structures. The alloy can include fine particles such as boride particles at colony boundaries and/or grain boundary equiaxed structures. The alloy can include alloying additions such as </= 10 at % W, Nb and/or Mo. The alloy can be free of Cr, V, Mn, Cu and/or Ni and can include, in atomic %, 45 to 55 % Ti, 40 to 50 % Al, 1 to 5 % Nb, 0.3 to 2 % W, up to 1 % Mo and 0.1 to 0.3 % B. In weight %, the alloy can include 57 to 60 % Ti, 30 to 32 % Al, 4 to 9 % Nb, up to 2 % Mo, 2 to 8 % W and 0.02 to 0.08 % B.

Description

Bereich der ErfindungScope of the invention

Die Erfindung betrifft allgemein zweiphasige Titan- Aluminid-Legierungszusammensetzungen, die für ohmsches Erhitzen und andere Anwendungsbereiche wie Strukturanwendungen von Nutzen sind.The invention relates generally to two-phase titanium aluminide alloy compositions useful for ohmic heating and other applications such as structural applications.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Titan-Aluminid-Legierungen werden in zahlreichen Patenten und Veröffentlichungen behandelt, wie z. B. in den US-Patenten Nr. 4,842,819; 4,917,858; 5,232,661; 5,348,702; 5,350,466; 5,370,839; 5,429,796; 5,503,794; 5,634,992 und 5,746,846, den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 63- 171862; 1-259139 und 1-42539; in der europäischen Patentveröffentlichung Nr. 365174 und in Artikeln von V. R. Ryabov et al mit dem Titel "Properties of the Intermetallic Compounds of the System Iron-Aluminium", veröffentlicht in Metal Metalloved, 27, Nr. 4, 668-673, 1969; S. M. Barinov et al mit dem Titel "Deformation and Failure in Titanium Aluminide", veröffentlicht in Izvestiya Akademii Nauk SSSR Metally, Nr. 3, 164-168, 1984; W. Wunderlich et al mit dem Titel "Enhanced Plasticity by Deformation Twinning of Ti-Al- Base Alloys with Cr and Si", veröffentlicht in Z. Metallkunde, 802-808, 11/1990; T. Tsujimoto mit dem Titel "Research, Development, and Prospects of TiAl Intermetallic Compound Alloys", veröffentlicht in Titanium and Zirconium, Bd. 33, Nr. 3, 19 Seiten, 7/1985; N. Maeda mit dem Titel "High Temperature Plasticity of Intermetallic Compound TiAl", präsentiert auf der Material of 53rd Meeting of Superplasticity, 13 Seiten, 30.01.1990; N. Maeda et al mit dem Titel "Improvement in Ductility of Intermetallic Compound through Grain Super-refinement", präsentiert auf dem Autumn Symposium of the Japan Institute of Metals, 14 Seiten, 1989; S. Noda et al mit dem Titel "Mechanical Properties of TiAl Intermetallic Compound", präsentiert auf dem Autumn Symposium of the Japan Institute of Metals, 3 Seiten, 1988; H. A. Lipsitt mit dem Titel "Titanium Aluminides - An Overview", veröffentlicht in Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Bd. 39, 351- 364, 1985; P. L. Martin et al mit dem Titel "The Effects of Alloying an the Microstructure and Properties of Ti&sub3;Al and TiAl", veröffentlicht von ASM in Titanium 80, Bd. 2, 1245- 1254, 1980; S. H. Whang et al mit dem Titel "Effect of Rapid Solidification in L1&sub0; TiAl Compound Alloys" ASM Symposium Proceedings an Enhanced Properties in Structural Metals Via Rapid Solidification, Materials Week, 7 Seiten, 1986; und D. Vujic et al mit dem Titel "Effect of Rapid Solidification and Alloying Addition an Lattice Distortion and Atomic Ordering in L1&sub0; TiAl Alloys and Their Ternary Alloys", veröffentlicht in Metallurgical Transactions A, Bd. 19A, 2445-2455, 10/1988.Titanium aluminide alloys are covered in numerous patents and publications, such as U.S. Patent Nos. 4,842,819; 4,917,858; 5,232,661; 5,348,702; 5,350,466; 5,370,839; 5,429,796; 5,503,794; 5,634,992 and 5,746,846, Japanese Patent Publications Nos. 63-171862; 1-259139 and 1-42539; in European Patent Publication No. 365174 and in articles by VR Ryabov et al. entitled "Properties of the Intermetallic Compounds of the System Iron-Aluminium", published in Metal Metalloved, 27, No. 4, 668-673, 1969; SM Barinov et al. entitled "Deformation and Failure in Titanium Aluminide", published in Izvestiya Akademii Nauk SSSR Metally, No. 3, 164-168, 1984; W. Wunderlich et al. entitled "Enhanced Plasticity by Deformation Twinning of Ti-Al- Base Alloys with Cr and Si", published in Z. Metallkunde, 802-808, 11/1990; T. Tsujimoto entitled "Research, Development, and Prospects of TiAl Intermetallic Compound Alloys", published in Titanium and Zirconium, Vol. 33, No. 3, 19 pages, 7/1985; N. Maeda entitled "High Temperature Plasticity of Intermetallic Compound TiAl", presented at the Material of 53rd Meeting of Superplasticity, 13 pages, 30.01.1990; N. Maeda et al entitled "Improvement in Ductility of Intermetallic Compound through Grain Super-refinement", presented at the Autumn Symposium of the Japan Institute of Metals, 14 pages, 1989; S. Noda et al entitled "Mechanical Properties of TiAl Intermetallic Compound", presented at the Autumn Symposium of the Japan Institute of Metals, 3 pages, 1988; HA Lipsitt entitled "Titanium Aluminides - An Overview", published in Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 39, 351-364, 1985; PL Martin et al entitled "The Effects of Alloying on the Microstructure and Properties of Ti3 Al and TiAl", published by ASM in Titanium 80, Vol. 2, 1245-1254, 1980; SH Whang et al entitled "Effect of Rapid Solidification in L10 TiAl Compound Alloys" ASM Symposium Proceedings an Enhanced Properties in Structural Metals Via Rapid Solidification, Materials Week, 7 pages, 1986; and D. Vujic et al, entitled "Effect of Rapid Solidification and Alloying Addition an Lattice Distortion and Atomic Ordering in L10 TiAl Alloys and Their Ternary Alloys", published in Metallurgical Transactions A, Vol. 19A, 2445-2455, 10/1988.

Verfahren, mit denen TiAl-Aluminide bearbeitet werden können, um erwünschte Eigenschaften zu erzielen, werden in zahlreichen Patenten und Veröffentlichungen wie den oben erwähnten offenbart. Darüber hinaus offenbart das US-Patent Nr. 5,489,411 eine pulvermetallurgische Technik zur Herstellung von Titanaluminidfolie durch Plasmabespritzen eines aufspulbaren Streifens, Wärmebehandeln des Streifens zum Lösen von Restspannungen, Zusammenbringen der rauhen Seiten von zwei solcher Streifen und Zusammenpressen der Streifen zwischen Druckverbindungswalzen, gefolgt von Lösungsglühen, Kaltwalzen und Zwischenglühen. Das US-Patent Nr. 4,917,858 offenbart eine pulvermetallurgische Technik zur Herstellung von Titanaluminidfolie unter Verwendung von elementarem Titan, Aluminium und anderen Legierungselementen. Das US-Patent Nr. 5,634,992 offenbart ein Verfahren zur Verarbeitung eines Gammatitanaluminids durch Verfestigen eines Gussstücks und Wärmebehandeln des verfestigten Gussstücks über dem eutektischen Punkt, um Gammakörner und lamellare Kolonien von Alpha- und Gammaphase zu bilden, Wärmebehandeln unter dem eutektischen Punkt, um Gammakörner innerhalb der Koloniestruktur wachsen zu lassen, und Wärmebehandeln unter dem Alpha-Transus, um eine eventuell verbleibende Koloniestruktur umzubilden eine Struktur mit &alpha;&sub2; Streifen innerhalb von Gammakörnern. Die US-A-5 417 781 offenbart Titanaluminidartikel, die Elemente wie Chrom und/oder Mangan sowie einen relativ geringen Anteil an Wolfram enthalten.Methods by which TiAl aluminides can be processed to achieve desired properties are disclosed in numerous patents and publications such as those mentioned above. In addition, U.S. Patent No. 5,489,411 discloses a powder metallurgy technique for producing titanium aluminide foil by plasma spraying a spoolable strip, heat treating the strip to relieve residual stresses, bringing the rough sides of two such strips together, and pressing the strips together between compression bonding rolls, followed by solution annealing, cold rolling, and intermediate annealing. U.S. Patent No. 4,917,858 discloses a powder metallurgy technique for producing titanium aluminide foil using elemental titanium, aluminum, and other alloying elements. U.S. Patent No. 5,634,992 discloses a method of processing a gamma titanium aluminide by solidifying a casting and heat treating the solidified casting above the eutectic point to form gamma grains and lamellar colonies of alpha and gamma phases, heat treating below the eutectic point to grow gamma grains within the colony structure, and heat treating below the alpha transus to reform any remaining colony structure to a structure having α₂. Streaks within gamma grains. US-A-5 417 781 discloses titanium aluminide articles containing elements such as chromium and/or manganese and a relatively small amount of tungsten.

Angesichts der umfangreichen Bemühungen zur Verbesserung der Eigenschaften von Titanaluminiden besteht noch immer Bedarf an verbesserten Legierungszusammensetzungen und wirtschaftlichen Verarbeitungsmethoden.Given the extensive efforts to improve the properties of titanium aluminides, there is still a need for improved alloy compositions and economical processing methods.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die durch die Legierungszusammensetzung aus Anspruch 1 definierte Erfindung stellt eine zweiphasige Titan-Aluminium- Legierung mit lamellarer Mikrostruktur bereit, die durch die Koloniegröße gesteuert wird. Die Legierung kann in verschiedenen Formen bereitgestellt werden, wie z. B. im gegossenen, heißextrudierten, kalt- und heißverarbeiteten oder wärmebehandelten Zustand. Als ein Endprodukt kann aus der Legierung ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einem spezifischen Widerstand von 60 bis 200 u&Omega;-cm hergestellt werden. Die Legierung kann zusätzliche Elemente enthalten, die feine Partikel wie Zweitphasen- oder Boridpartikel an Koloniegrenzen liefern. Die Legierung kann gleichachsige Korngrenzenstrukturen enthalten. Die im Rahmen der Definition von Anspruch 1 beschriebenen Legierungselemente können in Atom-Prozent ausgedrückt beispielsweise bis zu 10 Atom-% W, Nb und/oder Mo enthalten. Die Legierung kann zu einer dünnen Platte mit einer Dehnstärke von mehr als 80 ksi (560 MPa), einer endgültigen Zugfestigkeit von mehr als 90 ksi (630 MPa) und/oder einer Zugdehnung von wenigstens 1,5% verarbeitet werden. Das Aluminium kann in einer Menge von 40 bis 50 Atom-%, vorzugsweise etwa 46 Atom-% vorliegen. Das Titan kann in einer Menge von wenigstens 45 Atom-%, vorzugsweise wenigstens 50 Atom-% vorliegen. Die Legierung kann beispielsweise 45 bis 55 Atom-% Ti, 40 bis 50 Atom-% Al, 1 bis 5 Atom-% Nb, 0,5 bis 2 Atom-% W und 0,1 bis 0,3 Atom-% B enthalten. Die Legierung ist frei von Cr, V, Mn und/oder Ni.The invention defined by the alloy composition of claim 1 provides a two-phase titanium-aluminum alloy with lamellar microstructure controlled by colony size. The alloy may be provided in various forms such as in the cast, hot extruded, cold and hot worked or heat treated condition. As a final product, an electrical resistance heating element having a resistivity of 60 to 200 uΩ-cm may be made from the alloy. The alloy may contain additional elements which provide fine particles such as second phase or boride particles at colony boundaries. The alloy may contain equiaxed grain boundary structures. The alloying elements described within the definition of claim 1 may contain, for example, up to 10 atomic percent W, Nb and/or Mo. The alloy can be processed into a thin plate having a tensile strength of greater than 80 ksi (560 MPa), a ultimate tensile strength of greater than 90 ksi (630 MPa), and/or a tensile elongation of at least 1.5%. The aluminum can be present in an amount of 40 to 50 atomic percent, preferably about 46 atomic percent. The titanium can be present in an amount of at least 45 atomic percent, preferably at least 50 atomic percent. For example, the alloy can contain 45 to 55 atomic percent Ti, 40 to 50 atomic percent Al, 1 to 5 atomic percent Nb, 0.5 to 2 atomic percent W, and 0.1 to 0.3 atomic percent B. The alloy is free of Cr, V, Mn and/or Ni.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Die Fig. 1a-d zeigen 200fach vergrößerte optische Mikrobilder von PMTA-TiAl-Legierungen, die bei 1400ºC heißextrudiert und 2 Stunden lang bei 1000ºC geglüht wurden. Fig. 1a zeigt die Mikrostruktur von PMTA-1, Fig. 1b zeigt die Mikrostruktur von PMTA-2, Fig. 1c zeigt die Mikrostruktur von PMTA-3 und Fig. 1d zeigt die Mikrostruktur von PMTA-4;Figures 1a-d show 200x magnification optical micrographs of PMTA-TiAl alloys hot extruded at 1400°C and annealed at 1000°C for 2 hours. Figure 1a shows the microstructure of PMTA-1, Figure 1b shows the microstructure of PMTA-2, Figure 1c shows the microstructure of PMTA-3 and Figure 1d shows the microstructure of PMTA-4;

die Fig. 2a-d zeigen 500fach vergrößerte optische Mikrobilder von PMTA-Legierungen, die bei 1400ºC heißextrudiert und 2 Stunden lang bei 1000ºC geglüht wurden. Fig. 2a zeigt die Mikrostruktur von PMTA-1, Fig. 2b zeigt die Mikrostruktur von PMAT-2, Fig. 2c zeigt die Mikrostruktur von PMAT-3 und Fig. 2d zeigt die Mikrostruktur von PMTA-4;Figures 2a-d show 500x magnification optical micrographs of PMTA alloys hot extruded at 1400°C and annealed at 1000°C for 2 hours. Figure 2a shows the microstructure of PMTA-1, Figure 2b shows the microstructure of PMAT-2, Figure 2c shows the microstructure of PMAT-3 and Figure 2d shows the microstructure of PMTA-4;

Fig. 3 stellt Phantommusterbanden dar, die in einem rückwärts gestreuten Bild von PMTA-2 beobachtet wurden, die bei 1400ºC heißextrudiert und 2 Stunden lang bei 1000ºC geglüht wurde, wobei die ungleichmäßige Verteilung von W dargestellt wird;Fig. 3 represents phantom pattern bands observed in a backscattered image of PMTA-2 hot-extruded at 1400°C and annealed at 1000°C for 2 hours, showing the non-uniform distribution of W;

Fig. 4 stellt ein rückwärts gestreutes Bild von PMTA-2 dar, die bei 1400ºC heißextrudiert und 2 Stunden lang bei 1000ºC geglüht wurde;Fig. 4 shows a backscattered image of PMTA-2 hot extruded at 1400ºC and annealed at 1000ºC for 2 hours;

Fig. 5a ist ein 200fach vergrößertes Mikrobild von PMTA- 3, die bei 1400ºC heißextrudiert und einen Tag lang bei 1000ºC geglüht wurde, und Fig. 5b stellt die gleiche Mikrostruktur mit 500facher Vergrößerung dar;Fig. 5a is a 200x micrograph of PMTA-3 hot extruded at 1400°C and annealed at 1000°C for one day, and Fig. 5b shows the same microstructure at 500x magnification;

Fig. 6a zeigt die 200fach vergrößerte Mikrostruktur von PMTA-2, die bei 1400ºC heißextrudiert und 3 Tage lang bei 1000ºC geglüht wurde, und Fig. 6b stellt die gleiche Mikrostruktur bei 500facher Vergrößerung dar;Fig. 6a shows the microstructure of PMTA-2 hot-extruded at 1400°C and annealed at 1000°C for 3 days at 200x magnification, and Fig. 6b shows the same microstructure at 500x magnification;

Fig. 7a ist ein optisches Mikrobild einer TiAl-Platte (Ti-45Al-5Cr, Atom-%) im empfangenen Zustand, und Fig. 7b zeigt die gleiche Mikrostruktur nach einem 3-tägigen Glühvorgang bei 1000ºC; beide Mikrobilder sind 500fach vergrößert;Fig. 7a is an optical micrograph of an as-received TiAl plate (Ti-45Al-5Cr, atomic %) and Fig. 7b shows the same microstructure after annealing at 1000ºC for 3 days; both micrographs are magnified 500x;

Fig. 8a stellt ein Mikrobild von PMTA-6 dar, und Fig. 8b stellt ein Mikrobild von PMTA-7 dar, die beide bei 1380ºC heißextrudiert wurden (200fache Vergrößerung);Fig. 8a represents a micrograph of PMTA-6 and Fig. 8b represents a micrograph of PMTA-7, both hot-extruded at 1380°C (200x magnification);

Fig. 9a ist ein Mikrobild von PMTA-6 und Fig. 9b ist ein Mikrobild von PMTA-7, die beide bei 1365ºC heißextrudiert wurden (200fache Vergrößerung);Fig. 9a is a micrograph of PMTA-6 and Fig. 9b is a micrograph of PMTA-7, both hot extruded at 1365ºC (200x magnification);

Fig. 10 ist ein Mikrobild, das abnormales Kornwachstum bei PMTA darstellt, die bei 1380ºC heißextrudiert wurde;Fig. 10 is a micrograph showing abnormal grain growth in PMTA hot extruded at 1380ºC;

die Fig. 11a-d sind Mikrobilder von PMTA-8, die unter verschiedenen Bedingungen nach dem Heißextrudieren bei 1335ºC wärmebehandelt wurde, wobei die Wärmebehandlungen zwei Stunden bei 1000ºC (Fig. 11a), 30 Minuten bei 1340ºC (Fig. 11b), 30 Minuten bei 1320ºC (Fig. 11c) und 30 Minuten bei 1315ºC (Fig. 11d) umfassen (200fache Vergrößerung);Figures 11a-d are micrographs of PMTA-8 heat treated under various conditions after hot extrusion at 1335°C, with the heat treatments including two hours at 1000°C (Fig. 11a), 30 minutes at 1340°C (Fig. 11b), 30 minutes at 1320°C (Fig. 11c), and 30 minutes at 1315°C (Fig. 11d) (200x magnification);

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung des spezifischen Widerstands in Mikroohm gegenüber der Temperatur für die Proben 1 und 2, die aus einem Block mit einer nominellen PMTA-4-Zusammensetzung geschnitten wurden;Figure 12 is a plot of resistivity in microohms versus temperature for Samples 1 and 2 cut from a block of nominal PMTA-4 composition;

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung des Halbkugel- Gesamtemissionsgrads gegenüber der Temperatur für die Proben 1 und 2;Fig. 13 is a plot of hemisphere total emissivity versus temperature for Samples 1 and 2;

Fig. 14 ist eine graphische Darstellung des Diffusionskoeffizienten gegenüber der Temperatur für die Proben 80259-1, 80259-2 und 80259-3, die aus demselben Block wie die Proben 1 und 2 geschnitten wurden;Fig. 14 is a plot of diffusion coefficient versus temperature for samples 80259-1, 80259-2 and 80259-3 cut from the same block as samples 1 and 2;

Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der spezifischen Wärme gegenüber der Temperatur für Titanaluminid gemäß der Erfindung; undFig. 15 is a graph of specific heat versus temperature for titanium aluminide according to the invention; and

Fig. 16 ist eine graphische Darstellung der Wärmeausdehnung gegenüber der Temperatur für die Proben 80259-1H, 80259-1C, 80259-2H, 80259-3H und 80259-3C, die aus demselben Block wie die Proben 1 und 2 geschnitten wurden.Fig. 16 is a plot of thermal expansion versus temperature for samples 80259-1H, 80259-1C, 80259-2H, 80259-3H and 80259-3C cut from the same block as samples 1 and 2.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten AusgestaltungenDetailed description of the preferred embodiments

Die Erfindung stellt zweiphasige TiAl-Legierungen mit thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften bereit, die für verschiedene Anwendungsbereiche wie Widerstandsheizelemente von Nutzen sind. Die Legierungen weisen nützliche mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen von bis zu 1000ºC und darüber auf. Die TiAl-Legierungen haben eine äußerst geringe Materialdichte (etwa 4,0 g/cm³), eine wünschenswerte Kombination von Zugduktilität und Festigkeit bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen, einen hohen elektrischen Widerstand und/oder können zu Plattenmaterial mit einer Dicke von < 10 Milli-Inch gefertigt werden. Dieses Plattenmaterial kann u. a. für Widerstandsheizelemente von Vorrichtungen wie Zigarettenanzünder verwendet werden. Die Platte kann zum Beispiel zu einem röhrenförmigen Heizelement geformt werden, das eine Reihe von Heizstreifen hat, die zum Anzünden von Teilen einer Zigarette individuell in einer elektrischen Rauchvorrichtung des Typs betrieben werden, der in den US-Patenten Nr. 5,591,368 und 5,530,225 offenbart ist, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen sind- Darüber hinaus können die Legierungen frei von 1 Elementen wie Cr, V, Mn und/oder Ni sein.The invention provides two-phase TiAl alloys with thermophysical and mechanical properties, which are useful for a variety of applications such as resistance heating elements. The alloys exhibit useful mechanical properties and corrosion resistance at elevated temperatures up to 1000ºC and above. The TiAl alloys have extremely low material density (about 4.0 g/cm³), a desirable combination of tensile ductility and strength at room temperature and elevated temperatures, high electrical resistivity and/or can be manufactured into sheet material with a thickness of < 10 mils. This sheet material can be used for resistance heating elements in devices such as cigarette lighters, among others. For example, the plate may be formed into a tubular heating element having a series of heating strips operated to light portions of a cigarette individually in an electric smoking device of the type disclosed in U.S. Patent Nos. 5,591,368 and 5,530,225, the disclosures of which are hereby incorporated by reference. In addition, the alloys may be free of 1 elements such as Cr, V, Mn and/or Ni.

Im Vergleich zu TiAl-Legierungen mit 1 bis 4 Atom-% Cr, V und/oder Mn zur Verbesserung der Zugduktilität bei Umgebungstemperaturen kann die Zugduktilität von dualphasigen TiAl-Legierungen mit lamellaren Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung hauptsächlich durch die Koloniegröße anstelle solcher Legierungselemente gesteuert werden. Die Erfindung stellt folglich TiAl-Legierungen mit hoher Festigkeit bereit, die frei von Cr, V, Mn und/oder Ni sein können.Compared to TiAl alloys containing 1 to 4 atomic % Cr, V and/or Mn to improve tensile ductility at ambient temperatures, the tensile ductility of dual-phase TiAl alloys with lamellar structures according to the present invention can be controlled mainly by the colony size rather than such alloying elements. The invention thus provides high-strength TiAl alloys that may be free of Cr, V, Mn and/or Ni.

In Tabelle 1 sind die nominellen Zusammensetzungen von untersuchten Legierungen aufgeführt, wobei die Grundlegierung 46,5 Atom-% Al und als Rest Ti enthält. Es wurden geringe Mengen an Legierungszusätzen zugegeben, um die Auswirkungen auf mechanische und metallurgische Eigenschaften der zweiphasigen TiAl-Legierungen zu untersuchen. Nb wurde in Mengen von bis zu 4% auf mögliche Auswirkungen auf die Oxidationsbeständigkeit untersucht, W wurde in Mengen von bis zu 1,0% auf Auswirkungen auf Mikrostrukturstabilität und Kriechfestigkeit untersucht, und Mo wurde in Mengen von bis zu 0,5% auf Auswirkungen auf die Heißfertigung untersucht. Bor wurde in Mengen von bis zu 0,18% zur Veredelung lamellarer Strukturen in den dualphasigen TiAl-Legierungen zugegeben.Table 1 lists the nominal compositions of alloys investigated, with the base alloy containing 46.5 atomic % Al and the balance Ti. Small amounts of alloying additives were added to investigate the effects on mechanical and metallurgical properties of the two-phase TiAl alloys. Nb was added in Amounts up to 4% were investigated for possible effects on oxidation resistance, W was investigated in amounts up to 1.0% for effects on microstructural stability and creep resistance, and Mo was investigated in amounts up to 0.5% for effects on hot fabrication. Boron was added in amounts up to 0.18% to refine lamellar structures in the dual-phase TiAl alloys.

Acht Legierungen mit der Bezeichnung PMTA-1 bis 9, die die in Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzungen aufwiesen, wurden durch Lichtbogenschmelzen und Tropfgießen in eine Kupferform mit einem Durchmesser von 1" und einer Länge von 5" unter Verwendung technisch reiner Metalle hergestellt. Alle Legierungen wurden erfolgreich ohne Gießfehler gegossen. Sieben Legierungsblöcke (PMTA-1 bis 4 und 6-9) wurden dann in Mo-Dosen gegeben und bei 1335 bis 1400ºC mit einem Formänderungsverhältnis von 5 : 1 bis 6 : 1 heißextrudiert. Die Extrusionsbedingungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Kühlgeschwindigkeit nach dem Extrudieren wurde durch Luftkühlen und Abschrecken der extrudierten Stäbe in Wasser über einen kurzen Zeitraum gesteuert. Die bei 1365 bis 1400ºC extrudierten Legierungsstäbe hatten eine unregelmäßige Form, wohingegen die bei 1335ºC heißextrudierten PMTA-8 eine weit glattere Oberfläche ohne Oberflächenunregelmäßigkeiten aufwiesen. Es wurden jedoch in keinem der heißextrudierten Legierungsstäbe Risse entdeckt.Eight alloys, designated PMTA-1 through 9, having the compositions listed in Table 1, were prepared by arc melting and drip casting into a 1" diameter by 5" long copper mold using commercially pure metals. All alloys were successfully cast with no casting defects. Seven alloy ingots (PMTA-1 through 4 and 6-9) were then placed in Mo cans and hot extruded at 1335 to 1400ºC with a strain ratio of 5:1 to 6:1. The extrusion conditions are listed in Table 2. The cooling rate after extrusion was controlled by air cooling and quenching the extruded rods in water for a short period of time. The alloy rods extruded at 1365 to 1400ºC had an irregular shape, whereas the PMTA-8 hot-extruded at 1335ºC had a much smoother surface with no surface irregularities. However, no cracks were detected in any of the hot-extruded alloy rods.

Die Mikrostrukturen der Legierungen wurden im gegossenen und wärmebehandelten Zustand (in Tabelle 2 aufgeführt) durch optische Metallographie- und Elektronensupersondenanalysen untersucht. Im gegossenen Zustand wiesen alle Legierungen eine lamellare Struktur mit einem gewissen Grad an Entmischung und Trichterbildung auf. Fig. 1 und 2 stellen optische Mikrobilder mit einer jeweils 200- und 500fachen Vergrößerung für die heißextrudierten Legierungen PMTA-1 bis 4 dar, die 2 Stunden lang bei 1000ºC entspannt wurden. Alle Legierungen wiesen vollständige lamellare Strukturen mit einer geringen Menge an gleichachsigen Kornstrukturen an Koloniegrenzen auf. Es wurden einige feine Partikel an Koloniegrenzen beobachtet, die durch Elektronenmikrosondenanalysen als Boride identifiziert wurden. Bei den Mikrostrukturmerkmalen gibt es auch keinen offensichtlichen Unterschied unter diesen vier PMTA- Legierungen.The microstructures of the alloys were examined by optical metallography and electron superposition analysis in the as-cast and heat-treated conditions (listed in Table 2). In the as-cast condition, all alloys exhibited a lamellar structure with some degree of segregation and funneling. Figs. 1 and 2 show optical micrographs at 200 and 500x magnification, respectively, for the hot-extruded PMTA-1 to 4 alloys, which were stress-relaxed at 1000°C for 2 hours. All Alloys exhibited complete lamellar structures with a small amount of equiaxed grain structures at colony boundaries. Some fine particles were observed at colony boundaries, which were identified as borides by electron microprobe analysis. There is also no obvious difference in the microstructural features among these four PMTA alloys.

Elektronenmikrosondenanalysen decken auf, dass Wolfram selbst in den heißextrudierten Legierungen nicht gleichmäßig verteilt ist. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, sind die sich dunkler abhebenden Phantommusterbanden mit etwa 0,33 Atom-% W abgereichert. Fig. 4 ist ein zurück gestreutes Bild von PMTA- 2, das die Bildung von zweitphasigen Partikeln (Boriden) in einem helleren Kontrast an Koloniegrenzen darstellt. Die Zusammensetzung der Boride wurde bestimmt und in Tabelle 3 zusammen mit der der lamellaren Matrix aufgeführt. Die zweitphasigen Partikel sind im Wesentlichen (Ti, W, Nb) Boride, die verzierte und festgesteckte lamellare Koloniegrenzen sind.Electron microprobe analyses reveal that tungsten is not evenly distributed even in the hot-extruded alloys. As can be seen in Fig. 3, the darker contrasting phantom pattern bands are depleted by about 0.33 atomic % W. Fig. 4 is a backscattered image of PMTA-2 showing the formation of second-phase particles (borides) in brighter contrast at colony boundaries. The composition of the borides was determined and listed in Table 3 along with that of the lamellar matrix. The second-phase particles are essentially (Ti, W, Nb) borides that are decorated and pinned lamellar colony boundaries.

Fig. 5 und 6 zeigen optische Mikrostrukturen von heißextrudierter PMTA-3 und 2, die jeweils 1 Tag und 3 Tage bei 1000ºC geglüht wurden. Gleichachsige Korngrenzenstrukturen sind in diesen langzeitgeglühten Proben deutlich erkennbar, und die Menge nimmt mit der Glühdauer bei 1000ºC zu. Eine bedeutende Menge an gleichachsigen Kornstrukturen ist in der 3 Tage lang bei 1000ºC geglühten Probe vorhanden.Figures 5 and 6 show optical microstructures of hot-extruded PMTA-3 and 2 annealed at 1000ºC for 1 day and 3 days, respectively. Equiaxed grain boundary structures are clearly visible in these long-time annealed samples, and the amount increases with annealing time at 1000ºC. A significant amount of equiaxed grain structures is present in the sample annealed at 1000ºC for 3 days.

Zum Vergleich wurde eine 9 Milli-Inch dicke TiAl-Platte (Ti-45Al-5Cr, Atom-%) beurteilt. Fig. 7 stellt die optischen Mikrostrukturen der TiAlCr-Platte sowohl im empfangenen Zustand als auch im geglühten (3 Tage bei 1000ºC) Zustand dar. Im Gegensatz zur dualphasigen lamellaren Struktur der erfindungsgemäßen Legierungen hat die TiAlCr-Platte eine Duplexstruktur und ihre Kornstruktur weist keine wesentliche Vergröberung bei 1000ºC auf.For comparison, a 9 mil thick TiAl plate (Ti-45Al-5Cr, atomic %) was evaluated. Fig. 7 shows the optical microstructures of the TiAlCr plate both in the as-received and annealed (3 days at 1000°C) condition. In contrast to the dual-phase lamellar structure of the alloys of the invention, the TiAlCr plate has a duplex structure and its grain structure does not exhibit any significant Coarsening occurs at 1000ºC.

Zugplattenprüflinge mit einer Dicke von 9-20 Milli-Inch und einer Länge von 0,5 Zoll wurden nach einem 2-stündigen Glühvorgang bei 1000ºC mit einer EDM-Maschine von den heißextrudierten Legierungsstäben abgeteilt. Einige der Prüflinge wurden bis zu 3 Tage lang bei 1000ºC vor der Zugfestigkeitsprüfung erneut geglüht. Zugfestigkeitstests wurden auf einer Instron-Testmaschine mit einer Belastungsrate von 0,1 Zoll/Sekunde bei Raumtemperatur durchgeführt. In Tabelle 4 sind die Zugfestigkeitstestergebnisse aufgeführt.Tensile plate specimens 9-20 mils thick and 0.5 inch long were sectioned from the hot extruded alloy bars after annealing at 1000ºC for 2 hours using an EDM machine. Some of the specimens were reannealed at 1000ºC for up to 3 days prior to tensile testing. Tensile tests were conducted on an Instron testing machine at a load rate of 0.1 inch/second at room temperature. Table 4 lists the tensile test results.

Alle 2 Stunden lang bei 1000ºC entspannten Legierungen wiesen eine Zugdehnung von 1% oder mehr bei Raumtemperatur in Luft auf. Die Zugdehnung wurde nicht beeinflusst, als die Prüflingdicke von 9 auf 20 Milli-Inch geändert wurde. Wie in Tabelle 4 zu sehen ist, scheint die Legierung PMTA-4 von den 4 Legierungen die beste Zugduktilität zu haben. Es ist zu beachten, dass eine Zugdehnung von 1,6%, die bei einem 20 Milli-Inch dicken Plattenprüfling erhalten wird, einer Verlängerung von 4% bei einer Stabprobe mit einem Durchmesser von 0,12 Zoll entspricht. Die Zugdehnung scheint mit der Glühdauer bei 1000ºC etwas zuzunehmen, und die maximale Duktilität wird in dem Ptüfling erhalten, der 1 Tag lang bei 1000ºC geglüht wird.All alloys relaxed at 1000ºC for 2 hours had a tensile elongation of 1% or more at room temperature in air. The tensile elongation was not affected when the specimen thickness was changed from 9 to 20 mils. As can be seen in Table 4, the PMTA-4 alloy appears to have the best tensile ductility of the 4 alloys. Note that a tensile elongation of 1.6% obtained in a 20 mil thick plate specimen corresponds to an elongation of 4% in a 0.12 inch diameter bar specimen. The tensile elongation appears to increase slightly with annealing time at 1000ºC, and the maximum ductility is obtained in the specimen annealed at 1000ºC for 1 day.

Alle Legierungen sind außerordentlich stark und haben eine Dehnstärke von mehr als 100 ksi (700 MPa) und eine endgültige Zugfestigkeit von mehr als 115 ksi (800 MPa) bei Raumtemperatur. Die hohe Festigkeit ist in den veredelten, vollständig lamellaren Strukturen begründet, die in diesen TiAl-Legierungen erzeugt werden. Im Vergleich dazu hat das TiAlCr-Plattenmaterial eine Dehnstärke von nur 61 ksi (420 MPa) bei Raumtemperatur. Die PMTA-Legierungen sind folglich um bis zu 67% stärker als die TiAlCr-Platte. Die PMTA- Legierungen mit 0,5% Mo wiesen wesentlich höhere Festigkeiten, jedoch eine geringfügig geringere Zugdehnung bei Raumtemperatur auf.All alloys are extremely strong, with yield strengths in excess of 100 ksi (700 MPa) and ultimate tensile strengths in excess of 115 ksi (800 MPa) at room temperature. The high strength is due to the refined, fully lamellar structures created in these TiAl alloys. In comparison, the TiAlCr sheet material has a yield strength of only 61 ksi (420 MPa) at room temperature. The PMTA alloys are thus up to 67% stronger than the TiAlCr sheet. The PMTA alloys with 0.5% Mo exhibited significantly higher strengths, but slightly lower tensile elongation. at room temperature.

Die Fig. 8a-b und 9a-b stellen optische Mikrobilder von PMTA-6 und 7 dar, die jeweils bei 1380ºC und 1365ºC heißextrudiert wurden. Beide Legierungen wiesen lamellare Kornstrukturen mit wenig Zwischenkoloniestrukturen auf. Große Koloniekörner (siehe Fig. 10) wurden in beiden Legierungen festgestellt, die bei 1380ºC und 1365ºC heißextrudiert wurden, was möglicherweise die Folge von abnormalem Kornwachstum in den Legierungen war, die geringe Bormengen nach dem Heißextrudieren enthielten. Hinsichtlich der mikrostrukturellen Merkmale gibt es bei diesen beiden PMTA- Legierungen keine wesentlichen Unterschiede.Figures 8a-b and 9a-b present optical micrographs of PMTA-6 and 7 hot extruded at 1380ºC and 1365ºC, respectively. Both alloys exhibited lamellar grain structures with few intercolony structures. Large colony grains (see Figure 10) were observed in both alloys hot extruded at 1380ºC and 1365ºC, which may have been the result of abnormal grain growth in the alloys containing low amounts of boron after hot extrusion. There are no significant differences in microstructural features between these two PMTA alloys.

Die Fig. 11a-d zeigen die Auswirkungen einer Wärmebehandlung auf Mikrostrukturen von PMTA-8, die bei 1335ºC heißextrudiert wurde. Die bei 1335ºC extrudierte Legierung wies eine weit feinere Koloniegröße und viel mehr Zwischenkoloniestrukturen im Vergleich zu solchen auf, die bei 1380ºC und 1365ºC heißextrudiert wurden. Eine 2-stündige Wärmebehandlung bei 1000ºC erbrachte keine signifikante Veränderung der extrudierten Struktur (Fig. 11a). Eine 30- minütige Wärmebehandlung bei 1340ºC resultierte jedoch in einer wesentlich größeren Koloniestruktur (Fig. 11b). Das Absenken der Wärmebehandlungstemperatur von 1340ºC auf 1320- 1325ºC (eine Differenz von 20-25ºC) führte zu einer starken Abnahme der Koloniegröße, wie in den Fig. 11c und 11d erkennbar ist. Glühen bei 1320-1315ºC scheint ebenfalls mehr Zwischenkoloniestrukturen in PMTA-8 hervorzurufen. Das abnormale Kornwachstum wird durch Heißextrudieren bei 1335ºC fast komplett eliminiert.Figures 11a-d show the effects of heat treatment on microstructures of PMTA-8 hot extruded at 1335ºC. The alloy extruded at 1335ºC had a much finer colony size and many more intercolony structures compared to those hot extruded at 1380ºC and 1365ºC. Heat treatment at 1000ºC for 2 hours did not result in any significant change in the extruded structure (Fig. 11a). However, heat treatment at 1340ºC for 30 minutes resulted in a much larger colony structure (Fig. 11b). Lowering the heat treatment temperature from 1340ºC to 1320-1325ºC (a difference of 20-25ºC) resulted in a large decrease in colony size, as can be seen in Figs. 11c and 11d. Annealing at 1320-1315ºC also appears to induce more intercolony structures in PMTA-8. The abnormal grain growth is almost completely eliminated by hot extrusion at 1335ºC.

Zugplattenprüflinge von PMTA-6 bis 8 mit einer Dicke zwischen 8 und 22 Milli-Inch und einer Länge von 0,5 Zoll wurden von den heißextrudierten Legierungsstäben nach einer letzten Wärmebehandlung von 2 Stunden bei 1000ºC oder von 20 Minuten bei 1320-1315ºC mit einer EDM-Maschine abgeteilt. Zugfestigkeitstests wurden auf einer Instron-Testmaschine mit einer Belastungsrate von 0,1 Zolls bei Temperaturen von bis zu 800ºC in Luft durchgeführt. Alle Zugfestigkeitstestergebnisse sind in den Tabellen 5 bis 8 aufgeführt. Die Legierungen PMTA-4, -6 und -7, die 2 Stunden lang bei 1000ºC wärmebehandelt wurden, wiesen bei allen Temperaturen eine ausgezeichnete Festigkeit auf, und zwar unabhängig von der Heißextrusionstemperatur. Das Heißextrudieren bei 1400-1365ºC erbringt eine geringe Zugduktilität (< 4%) bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen. Eine erhebliche Zunahme der Zugduktilität erhält man bei allen Temperaturen, wenn die Heißextrusion bei 1335ºC stattfindet. PMTA-8, die bei 1335ºC heißextrudiert wurde, wies bei allen Testtemperaturen die höchste Festigkeit und Zugduktilität auf. Es schien keine systematische Veränderung der Zugduktilität bei einer Prüflingsdickenveränderung von 8 auf 22 Milli-Inch zu geben.Tensile plate specimens of PMTA-6 to 8 with a thickness between 8 and 22 mils and a length of 0.5 inch were cut from the hot extruded alloy bars after a final heat treatment of 2 hours at 1000ºC or 20 minutes at 1320-1315ºC using an EDM machine. Tensile tests were performed on an Instron testing machine with at a loading rate of 0.1 inch at temperatures up to 800ºC in air. All tensile test results are shown in Tables 5 through 8. Alloys PMTA-4, -6 and -7, heat treated at 1000ºC for 2 hours, exhibited excellent strength at all temperatures, regardless of hot extrusion temperature. Hot extrusion at 1400-1365ºC produces low tensile ductility (< 4%) at room temperature and at elevated temperatures. A significant increase in tensile ductility is obtained at all temperatures when hot extrusion takes place at 1335ºC. PMTA-8, hot extruded at 1335ºC, exhibited the highest strength and tensile ductility at all test temperatures. There appeared to be no systematic change in tensile ductility as the specimen thickness changed from 8 to 22 mils.

In den Tabellen 7 und 8 werden ebenfalls die Zugfestigkeitseigenschaften von PMTA-6 und 7 dargestellt, die jeweils 20 Minuten lang bei 1320ºC und 1315ºC wärmebehandelt wurden. Im Vergleich zu den Ergebnissen aus der Wärmebehandlung bei 1000ºC führte die Wärmebehandlung bei 1320-1315ºC zu einer höheren Zugdehnung, jedoch zu einer geringeren Festigkeit bei den Testtemperaturen. Unter all den Legierungen und Wärmebehandlungen wies die bei 1335ºC heißextrudierte und 20 Minuten lang bei 1315ºC geglühte PMTA- 8 die beste Zugduktilität bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen auf. Diese Legierung wies jeweils eine Zugduktilität von 3, 3% und 11,7% bei Raumtemperatur und 800ºC auf. Die bei 1315ºC wärmebehandelte PMTA-8 scheint wesentlich stärker als bekannte TiAl-Legierungen zu sein.Tables 7 and 8 also show the tensile properties of PMTA-6 and 7 heat treated at 1320ºC and 1315ºC for 20 minutes, respectively. Compared to the results from the heat treatment at 1000ºC, the heat treatment at 1320-1315ºC resulted in higher tensile elongation but lower strength at the test temperatures. Among all the alloys and heat treatments, PMTA-8 hot extruded at 1335ºC and annealed at 1315ºC for 20 minutes had the best tensile ductility at room temperature and elevated temperatures. This alloy had tensile ductility of 3.3% and 11.7% at room temperature and 800ºC, respectively. PMTA-8, heat treated at 1315ºC, appears to be significantly stronger than known TiAl alloys.

In dem Versuch, die Biegeduktilität von TiAl- Plattenmaterial zu demonstrieren, wurden mehrere Stücke aus 11 bis 20 Milli-Inch PMTA-7 und PMTA-8 Legierungsplatten, die durch Heißextrudieren und Wärmebehandeln bei 1320ºC hergestellt wurden, bei Raumtemperatur gebogen. Keines der Legierungsstücke zerbrach nach einer Biegung von 42º. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass PMTA-Legierungen mit einer kontrollierten Mikrostruktur bei Raumtemperatur biegbar sind.In an attempt to demonstrate the bending ductility of TiAl sheet material, several pieces of 11 to 20 mil PMTA-7 and PMTA-8 alloy sheet, produced by hot extrusion and heat treating at 1320ºC, were bent at room temperature. None of the Alloy pieces broke after bending at 42º. These results clearly demonstrate that PMTA alloys with a controlled microstructure are bendable at room temperature.

Das Oxidationsverhalten von PMTA-2, -5 und -7 wurde untersucht, indem Plattenproben (9-20 Milli-Inch dick) 800ºC in Luft ausgesetzt wurden. Die Proben wurden regelmäßig für Gewichtsmessungen und Oberflächenuntersuchungen aus den Öfen genommen. Die Proben wiesen eine sehr geringe Gewichtszunahme ohne irgendwelche Absplitterungsanzeichen auf. Es scheint, dass die Legierungszusätze W und Nb die Oxidationsrate der Legierungen bei 800ºC beeinflussen, wobei W wirksamer die Oxidationsbeständigkeit von TiAl-Legierungen erhöht. Unter den Legierungen weist PMTA-7 die geringste Gewichtszunahme und die beste Oxidationsbeständigkeit bei 800ºC auf. Die Oxidation von PMTA-7 zeigte, dass Oxidablagerungen vollständig anhaften, ohne irgendwelche Anzeichen von Mikrorissen und Absplitterungen. Diese Beobachtungen legen eindeutig den Schluss nahe, dass die bei 800ºC gebildeten Oxidablagerungen am Grundmaterial gut anhaften und einen hohen Schutz bieten.The oxidation behavior of PMTA-2, -5 and -7 was investigated by exposing plate samples (9-20 mils thick) to 800ºC in air. The samples were periodically removed from the furnaces for weight measurements and surface examinations. The samples showed very little weight gain without any signs of spalling. It appears that the alloying additions W and Nb affect the oxidation rate of the alloys at 800ºC, with W being more effective in increasing the oxidation resistance of TiAl alloys. Among the alloys, PMTA-7 shows the least weight gain and the best oxidation resistance at 800ºC. The oxidation of PMTA-7 showed that oxide deposits completely adhere without any signs of microcracks and spalling. These observations clearly indicate that the oxide deposits formed at 800ºC adhere well to the base material and provide a high level of protection.

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung des spezifischen Widerstands in Mikroohm gegenüber der Temperatur für die Proben 1 und 2, die aus einem Block mit einer nominellen PMTA-4-Zusammensetzung geschnitten wurden, d. h. 30,8 Gew.-% Al, 7,1 Gew.-% Nb, 2,4 Gew.-% W und 0,045 Gew.-% B. Fig. 13 ist eine graphische Darstellung des Halbkugel- Gesamtemissionsgrads gegenüber der Temperatur für die Proben 1 und 2; Fig. 14 ist eine graphische Darstellung des Diffusionskoeffizienten gegenüber der Temperatur für die Proben 80259-1, 80259-2 und 80259-3, die aus demselben Block wie die Proben 1 und 2 geschnitten wurden. Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der spezifischen Wärme gegenüber der Temperatur für Titanaluminid gemäß der Erfindung und Fig. 16 ist eine graphische Darstellung der Wärmeausdehnung gegenüber der Temperatur für die Proben 80259-1H, 80259-1C, 80259-2H, 80259-3H und 80259-3C, die aus demselben Block wie die Proben 1 und 2 geschnitten wurden.Figure 12 is a plot of resistivity in microohms versus temperature for Samples 1 and 2 cut from a block of nominal PMTA-4 composition, i.e., 30.8 wt% Al, 7.1 wt% Nb, 2.4 wt% W, and 0.045 wt% B. Figure 13 is a plot of hemisphere total emissivity versus temperature for Samples 1 and 2; Figure 14 is a plot of diffusion coefficient versus temperature for Samples 80259-1, 80259-2, and 80259-3 cut from the same block as Samples 1 and 2. Fig. 15 is a graph of specific heat versus temperature for titanium aluminide according to the invention and Fig. 16 is a graph of thermal expansion versus temperature for samples 80259-1H, 80259-1C, 80259-2H, 80259-3H and 80259-3C, cut from the same block as samples 1 and 2.

Zusammengefasst wiesen die bei 1365 bis 1400ºC extrudierten heißen PMTA-Legierungen hauptsächlich lamellare Strukturen mit wenig Zwischenkoloniestrukturen auf, wohingegen die bei 1335ºC extrudierte PMTA-8 weit feinere Koloniestrukturen und mehr Zwischenkoloniestrukturen hatte. Eine 20-minütige Wärmebehandlung von PMTA-8 bei 1315-1320ºC resultierte in feinen lamellaren Strukturen. Die Legierungen können (Ti, W, Nb) Boride enthalten, die an Koloniegrenzen gebildet werden. Ferner ist Wolfram in den heißextrudierten Legierungen nicht gleichmäßig verteilt, was die Möglichkeit eines hohen elektrischen Widerstands von TiAl-Legierungen mit W-Zusätzen nahelegt. Der Einschluss von 0,5 Atom-% Mo erhöht wesentlich die Dehnstärke und endgültige Zugfestigkeit der TiAl-Legierungen, verringert jedoch die Zugdehnung auf ein gewisses Maß bei Raumtemperatur. Von den vier heißextrudierten Legierungen PMTA 1-4 hat PMTA-4 mit der Legierungszusammensetzung Ti-46,5 Al-3 Nb-0,5 W-0,2 B (Atom- %) die beste Kombination aus Zugduktilität und Festigkeit bei Raumtemperatur. Im Vergleich zum TiAlCr-Plattenmaterial (Ti- 45 Al-5Cr) ist PMTA-4 um 67% stärker als die TiAlCr-Platte. Darüber hinaus wies die TiAlCr-Platte keine Biegeduktilität bei Raumtemperatur auf, während PMTA-4 eine Verlängerung von 1,4% aufwies. Die Zugdehnung von TiAl-Legierungen ist von der Plattendicke im Bereich von 9 bis 20 Milli-Inch unabhängig. Die Legierungen PMTA 4, 6 und 7, die 2 Stunden lang bei 1000ºC wärmebehandelt wurden, wiesen eine ausgezeichnete Festigkeit bei allen Temperaturen bis zu 800ºC auf, unabhängig von der Heißextrusionstemperatur. Heißextrusionstemperaturen von 1400-1365ºC liefern jedoch geringere Zugduktilitäten (< 4%) bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen. Eine wesentliche Zunahme der Zugduktilität wird bei allen Temperaturen erreicht, wenn die Extrusionstemperatur 1335ºC beträgt. Bei 1335ºC heißextrudierte und 20 Minuten lang bei 1315ºC geglühte PMTA- 8 (Ti-46,5 Al-3 Nb-1W-0,5B) wies die beste Zugduktilität bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen auf (3, 3% bei Raumtemperatur und 11,7% bei 800ºC). Tabelle 1. Nominelle Legierungszusammensetzungen Tabelle 2. Herstellungs- und Wärmebehandlungsbedingungen für PMTA-Legierungen Tabelle 3. Phasenzusammensetzungen in Legierung PMTA-2, bestimmt durch Elektronenmikrosondenanalysen In summary, the hot PMTA alloys extruded at 1365-1400ºC exhibited mainly lamellar structures with few intercolony structures, whereas PMTA-8 extruded at 1335ºC had much finer colony structures and more intercolony structures. Heat treatment of PMTA-8 at 1315-1320ºC for 20 min resulted in fine lamellar structures. The alloys may contain (Ti, W, Nb) borides formed at colony boundaries. Furthermore, tungsten is not evenly distributed in the hot extruded alloys, suggesting the possibility of high electrical resistivity of TiAl alloys with W additions. The inclusion of 0.5 at.% Mo significantly increases the elongation strength and ultimate tensile strength of the TiAl alloys, but reduces the tensile elongation to some extent at room temperature. Of the four hot-extruded PMTA 1-4 alloys, PMTA-4 with alloy composition Ti-46.5 Al-3 Nb-0.5 W-0.2 B (atomic %) has the best combination of tensile ductility and strength at room temperature. Compared to TiAlCr sheet material (Ti-45 Al-5Cr), PMTA-4 is 67% stronger than TiAlCr sheet. In addition, TiAlCr sheet showed no bending ductility at room temperature, while PMTA-4 showed 1.4% elongation. The tensile elongation of TiAl alloys is independent of sheet thickness in the range of 9 to 20 mils. PMTA 4, 6 and 7 alloys, heat treated at 1000ºC for 2 hours, showed excellent strength at all temperatures up to 800ºC, regardless of hot extrusion temperature. However, hot extrusion temperatures of 1400-1365ºC provide lower tensile ductilities (< 4%) at room temperature and elevated temperatures. A significant increase in tensile ductility is achieved at all temperatures when the extrusion temperature is 1335ºC. At 1335ºC PMTA-8 (Ti-46.5 Al-3 Nb-1W-0.5B) hot extruded and annealed at 1315ºC for 20 minutes showed the best tensile ductility at room temperature and elevated temperatures (3.3% at room temperature and 11.7% at 800ºC). Table 1. Nominal alloy compositions Table 2. Manufacturing and heat treatment conditions for PMTA alloys Table 3. Phase compositions in PMTA-2 alloy determined by electron microprobe analysis

* nur Metallelemente Tabelle 4. Zugfestigkeitseigenschaften von PMTA-Legierungen, heißextrudiert bei 1400ºC und getestet bei Raumtemperatur Tabelle 5. Zugfestigkeitseigenschaften von PMTA-4, heißextrudiert bei 1400ºC und 2 Stunden lang bei 1000ºC geglüht Tabelle 6. Zugfestigkeitseigenschaften von PMTA-6, heißextrudiert bei 1365ºC und 2 Stunden lang bei 1000ºC geglüht Tabelle 7. Zugfestigkeitseigenschaften von PMTA-7, heißextrudiert bei 1365ºC Tabelle 8. Zugfestigkeitseigenschaften von PMTA-8, heißextrudiert bei 1335ºC * only metal elements Table 4. Tensile properties of PMTA alloys hot extruded at 1400ºC and tested at room temperature Table 5. Tensile properties of PMTA-4 hot extruded at 1400ºC and annealed at 1000ºC for 2 hours Table 6. Tensile properties of PMTA-6 hot extruded at 1365ºC and annealed at 1000ºC for 2 hours Table 7. Tensile properties of PMTA-7 hot extruded at 1365ºC Table 8. Tensile properties of PMTA-8 hot extruded at 1335ºC

Aus dem zuvor beschriebenen Titanaluminid können verschiedene Formen oder Produkte wie elektrische Widerstandsheizelemente hergestellt werden. Die hierin offenbarten Zusammensetzungen können jedoch auch für andere Zwecke wie thermische Sprühanwendungen eingesetzt werden, bei denen sie als Beschichtungen mit Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit verwendet werden könnten. Außerdem könnten die Zusammensetzungen für oxidations- und korrosionsbeständige Elektroden, Ofenkomponenten, chemische Reaktoren, sulfidierungsbeständige Materialien, korrosionsbeständige Materialien für den Gebrauch in der chemischen Industrie, Rohrleitungen für die Förderung von Kohlenbrei oder Kohlenteer, Substratmaterialien für Katalysatoren, Auspuffwände und Turboladerrotoren für Kfz- und Dieselmotoren, poröse Filter, usw. verwendet werden.The titanium aluminide described above can be made into various shapes or products such as electrical resistance heating elements. However, the compositions disclosed herein can also be used for other purposes such as thermal spray applications where they could be used as coatings with oxidation and corrosion resistance. In addition, the compositions could be used for oxidation and corrosion resistant electrodes, furnace components, chemical reactors, sulfidation resistant materials, corrosion resistant materials for use in the chemical industry, piping for conveying coal slurry or coal tar, substrate materials for catalysts, exhaust walls and turbocharger rotors for automotive and diesel engines, porous filters, etc.

Bei Widerstandsheizelementen kann die Geometrie der Heizelementblätter variiert werden, um den Heizwiderstand gemäß der Formel R = &rho; (L/W · T)zu optimieren; dabei ist R = Widerstand des Heizgeräts, &rho; = spezifischer Widerstand des Heizmaterials, L = Länge des Heizgeräts, W = Breite des Heizgeräts und T = Dicke des Heizgeräts. Der spezifische Widerstand des Heizmaterials kann durch Veränderungen der Zusammensetzung variiert werden, wie z. B. durch Einstellen des Aluminiumgehalts des Heizmaterials, Behandlung oder durch den Einbau von Legierungszusätzen. Der spezifische Widerstand kann z. B. durch den Einbau von Aluminiumoxidpartikeln in das Heizmaterial wesentlich erhöht werden. Das Heizmaterial kann bei Bedarf Keramikpartikel enthalten, um Kriechfestigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Das Heizmaterial kann z. B. Partikel oder Fasern aus elektrisch leitfähigem Material wie Nitride von Übergangsmetallen (Zr, Ti, Hf), Carbide von Übergangsmetallen, Boride von Übergangsmetallen und MoSi&sub2; zur Erzielung einer guten Hochtemperatur- Kriechfestigkeit bis zu 1200ºC sowie einer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit enthalten. Das Heizmaterial kann auch Partikel aus elektrisch isolierendem Material wie Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4;, ZrO&sub2; enthalten, um das Heizmaterial bei hoher Temperatur kriechbeständig zu machen und auch die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen und/oder den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Heizmaterials zu reduzieren. Die elektrisch isolierenden/leitenden Partikel/Fasern können in ein Pulvergemisch aus Fe, Al, Ti oder Eisenaluminid gegeben werden, oder solche Partikel/Fasern können durch eine Reaktionssynthese elementarer Pulver gewonnen werden, die bei der Herstellung des Heizelementes exotherm reagieren.For resistance heating elements, the geometry of the heating element blades can be varied to optimize the heating resistance according to the formula R = ρ (L/W · T); where R = resistance of the heater, ρ = specific resistance of the heater material, L = length of heater, W = width of heater and T = thickness of heater. The resistivity of the heater material can be varied by compositional changes such as adjusting the aluminum content of the heater material, treating or incorporating alloying additives. The resistivity can be increased substantially by, for example, incorporating aluminum oxide particles into the heater material. The heater material may contain ceramic particles if required to improve creep resistance and/or thermal conductivity. The heater material may contain, for example, particles or fibers of electrically conductive material such as nitrides of transition metals (Zr, Ti, Hf), carbides of transition metals, borides of transition metals and MoSi₂ to provide good high temperature creep resistance up to 1200ºC and excellent oxidation resistance. The heating material may also contain particles of electrically insulating material such as Al₂O₃, Y₂O₃, Si₃N₄, ZrO₂ to make the heating material creep resistant at high temperature and also to increase the thermal conductivity and/or reduce the thermal expansion coefficient of the heating material. The electrically insulating/conductive particles/fibers may be added to a powder mixture of Fe, Al, Ti or iron aluminide, or such particles/fibers may be obtained by reaction synthesis of elemental powders which react exothermically during the manufacture of the heating element.

Es wurden oben die Prinzipien, bevorzugten Ausgestaltungen und Funktionsweisen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung sollte jedoch nicht als auf die speziellen erörterten Ausgestaltungen beschränkt ausgelegt werden. Die oben beschriebenen Ausgestaltungen sind illustrativ anstatt restriktiv anzusehen, und es ist zu verstehen, dass fachkundige Person diese Ausgestaltungen abändern können, ohne vom Umfang der in den folgenden Ansprüchen definierten vorliegenden Erfindung abzuweichen.The principles, preferred embodiments and modes of operation of the present invention have been described above. However, the invention should not be construed as limited to the specific embodiments discussed. The embodiments described above are to be considered illustrative rather than restrictive, and it is to be understood that those skilled in the art may modify these embodiments without departing from the scope of the present invention as defined in the following claims.

Claims (19)

1. Zweiphasige Titan-Aluminid-Legierung, umfassend, in, Gew.-%, 50 bis 65% Ti, 25 bis 35% Al, 2 bis 15% Nb, weniger als 5% Mo, 1 bis 10% W und 0,01 bis 0,2% B.1. A two-phase titanium aluminide alloy comprising, in, wt%, 50 to 65% Ti, 25 to 35% Al, 2 to 15% Nb, less than 5% Mo, 1 to 10% W and 0.01 to 0.2% B. 2. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, im gegossenen, heißextrudierten, kaltverarbeiteten oder wärmebehandelten Zustand.2. Titanium aluminide alloy according to claim 1, in the cast, hot extruded, cold worked or heat treated state. 3. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine zweiphasige lamellare Mikrostruktur hat, wobei sich feine Partikel an Koloniegrenzen befinden.3. A titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the alloy has a two-phase lamellar microstructure, with fine particles located at colony boundaries. 4. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 3, wobei sich feine Boridpartikel an Koloniegrenzen befinden.4. Titanium aluminide alloy according to claim 3, wherein fine boride particles are located at colony boundaries. 5. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 3, wobei sich feine Zweitphasenpartikel an Koloniegrenzen befinden.5. Titanium aluminide alloy according to claim 3, wherein fine second phase particles are located at colony boundaries. 6. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine zweiphasige Mikrostruktur mit gleichachsigen Korngrenzenstrukturen hat.6. Titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the alloy has a two-phase microstructure with equiaxed grain boundary structures. 7. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei der Ti-Gehalt zwischen 57 und 60%, der Al-Gehalt zwischen 30 und 32%, der Nb-Gehalt zwischen 4 und 9%, der Mo-Gehalt bei höchstens 2%, der W-Gehalt zwischen 2 und 8% und der B- Gehalt zwischen 0,02 und 0,08% liegt.7. Titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the Ti content is between 57 and 60%, the Al content is between 30 and 32%, the Nb content is between 4 and 9%, the Mo content is at most 2%, the W content is between 2 and 8% and the B content is between 0.02 and 0.08%. 8. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, mit einer Dehnstärke von mehr als 80 ksi (560 MPa), einer Zugfestigkeit von mehr als 90 ksi (680 MPa) und/oder einer Zugdehnung von wenigstens 1%.8. The titanium aluminide alloy of claim 1 having a yield strength of greater than 80 ksi (560 MPa), a tensile strength of greater than 90 ksi (680 MPa), and/or a tensile elongation of at least 1%. 9. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine Mikrostruktur hat, bei der W ungleichmäßig verteilt ist.9. The titanium aluminide alloy of claim 1, wherein the alloy has a microstructure in which W is non-uniformly distributed. 10. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei Aluminium in einer blenge von etwa 46 bis 47 Atom-% vorliegt.10. Titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein aluminum is present in a lenge of about 46 to 47 atomic %. 11. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine lamellare Mikrostruktur, hat, die im Wesentlichen frei von gleichachsigen Strukturen an Koloniegrenzen ist.11. A titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the alloy has a lamellar microstructure which is substantially free of equiaxed structures at colony boundaries. 12. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung nicht Mo oder Cr enthält.12. Titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the alloy does not contain Mo or Cr. 13. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei der Ti-Gehalt 57 bis 60%, der Al-Gehalt 30 bis 32%, der Nb- Gehalt 4 bis 9%, der W-Gehalt 2 bis 8% und der &beta;-Gehalt 0,02 bis 0,08% beträgt.13. Titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the Ti content is 57 to 60%, the Al content is 30 to 32%, the Nb content is 4 to 9%, the W content is 2 to 8% and the β content is 0.02 to 0.08%. 14. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, einschließlich 45 bis 55 Atom-% Ti, 40 bis 50 Atom-% Al, 1 bis 5 Atom-% Nb, 0,3 bis 1,5 Atom-% W und 0,1 bis 0,3 Atom- % B.14. Titanium aluminide alloy according to claim 1, including 45 to 55 atomic % Ti, 40 to 50 atomic % Al, 1 to 5 atomic % Nb, 0.3 to 1.5 atomic % W and 0.1 to 0.3 atomic % B. 15. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, umfassend eine Schicht mit einer Dicke von 8 bis 30 Milli-Inch.15. The titanium aluminide alloy of claim 1 comprising a layer having a thickness of 8 to 30 mils. 16. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, frei von Cr, V, Mn, Co, Cu und Ni.16. Titanium aluminide alloy according to claim 1, free from Cr, V, Mn, Co, Cu and Ni. 17. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, umfassend TiAl mit 2 bis 4 Atom-% Nb, &le; 1 Atom-% Mo und 0,5 bis 2 Atom-% W, 0,1 bis 0,3 Atom-% B.17. Titanium aluminide alloy according to claim 1, comprising TiAl with 2 to 4 atomic % Nb, ≤ 1 atomic % Mo and 0.5 to 2 atomic % W, 0.1 to 0.3 atomic % B. 18. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, einschließlich 1 bis 4 Atom-% Nb, &le; 1 Atom-% Mo und 0,25 bis 2 Atom-% W.18. Titanium aluminide alloy according to claim 1, including 1 to 4 atomic % Nb, ≤ 1 atomic % Mo and 0.25 to 2 atomic % W. 19. Titan-Aluminid-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung zu einem elektrischen Widerstandsheizelement geformt ist, das auf 900ºC in weniger als 1 Sekunde erhitzen kann, wenn eine Spannung von bis zu 10 Volt und bis zu 6 A durch das Heizelement geführt wird.19. A titanium aluminide alloy according to claim 1, wherein the alloy is formed into an electrical resistance heating element capable of heating to 900°C in less than 1 second when a voltage of up to 10 volts and up to 6 amps is passed through the heating element.
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