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DE102010042889A1 - Turbocharger component prepared from an intermetallic titanium aluminide-alloy, useful e.g. for manufacturing turbine components, comprises e.g. aluminum, rare earth metal, niobium, tungsten, tantalum or rhenium, oxygen, and titanium - Google Patents

Turbocharger component prepared from an intermetallic titanium aluminide-alloy, useful e.g. for manufacturing turbine components, comprises e.g. aluminum, rare earth metal, niobium, tungsten, tantalum or rhenium, oxygen, and titanium Download PDF

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Abstract

Turbocharger component prepared from an intermetallic titanium aluminide-alloy, comprises (in %): aluminum (45-49), rare earth metal (2-4), niobium, tungsten, tantalum or rhenium (1-8), oxygen or carbon (= 1) and titanium and unavoidable impurities (remaining amount).

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Turboladerbauteilen, welche aus einer Titanaluminid-Legierung hergestellt sind.The invention relates generally to the field of turbocharger components made from a titanium aluminide alloy.

Aus der WO 2008/049465 ist ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenblättern bekannt. Dabei wird im Schleuderguss eine Titanaluminid-Legierung verarbeitet. Die bekannte Titanaluminid-Legierung weist eine gute Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen sowie ein gute Zugfestigkeit und Duktilität auf. Gleichwohl besteht das Bedürfnis, diese Eigenschaften weiter zu verbessern und damit die Haltbarkeit eines Turboladerbauteils zu erhöhen.From the WO 2008/049465 a method for the production of turbine blades is known. In this process, a titanium aluminide alloy is processed by centrifugal casting. The known titanium aluminide alloy has good creep resistance at high temperatures as well as good tensile strength and ductility. However, there is a need to further improve these properties and thus increase the durability of a turbocharger component.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Turboladerbauteil angegeben werden, welches eine verbesserte Haltbarkeit aufweist.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, a turbocharger component is to be specified which has improved durability.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11.This object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of claims 2 to 11.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein aus einer intermetallischen Titanaluminid(TiAl)-Legierung hergestelltes Turboladerbauteil vorgeschlagen. Bei Titanaluminid handelt es sich um eine intermetallische Verbindung aus Titan und Aluminium. Die Titanaluminid-Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
Al (45–49 at%), X1 (2–4 at%), X2 (1–8 at%), X3 (≤ 1 at%), Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei
X1 = Seltenerdmetalle
X2 = Niob (Nb), Wolfram (W), Tantal (Ta), Rhenium (Rh)
X3 = O, C.In accordance with the invention, a turbocharger component made of an intermetallic titanium aluminide (TiAl) alloy is proposed. Titanium aluminide is an intermetallic compound of titanium and aluminum. The titanium aluminide alloy has the following composition:
Al (45-49 at%), X1 (2-4 at%), X2 (1-8 at%), X3 (≤ 1 at%), remainder Ti and unavoidable impurities, wherein
X1 = rare earth metals
X2 = niobium (Nb), tungsten (W), tantalum (Ta), rhenium (Rh)
X3 = O, C.

Das vorgeschlagene Turboladerbauteil zeichnet sich durch eine hervorragende Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen sowie eine verbesserte Zugfestigkeit und Duktilität aus.The proposed turbocharger component is characterized by excellent creep resistance at high temperatures and improved tensile strength and ductility.

Als Seltenerdmetalle können beispielsweise Yttrium, Praseodym oder Gadolinium eingesetzt werden.For example, yttrium, praseodymium or gadolinium can be used as rare earth metals.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein Gefüge der Titanaluminid-Legierung zwei Phasen auf. Dabei kann eine erste Phase γ-TiAl und eine zweite Phase α2-Ti3Al sein. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, ein Verhältnis α2/γ zwischen 0,03 und 0,15 einzustellen.According to an advantageous embodiment, a structure of the titanium aluminide alloy has two phases. In this case, a first phase can be γ-TiAl and a second phase can be α 2 -Ti 3 Al. It has proven to be expedient to set a ratio α 2 / γ of between 0.03 and 0.15.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Gefüge ein near-Gamma-Gefüge. Ein solches Gefüge weist äquiaxiale γ-Körner und an den Korngrenzen oder Triplepunkten befindliche α2-Körner auf. Bei dem Gefüge kann es sich aber auch um ein Duplex-Gefüge handeln. Ein solches Gefüge weist globulare γ-Körner und α2/γ-Körner auf.According to a further embodiment, the microstructure is a near gamma microstructure. Such a structure has equiaxed γ grains and α 2 grains at grain boundaries or triple points. The structure may also be a duplex structure. Such a structure has globular γ grains and α 2 / γ grains.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Turboladerbauteil, vorzugsweise für eine Dauer von 1 bis 200 Stunden, besonders bevorzugt für eine Dauer von 80 bis 150 Stunden, auf eine Temperatur aufgeheizt, welche im Bereich der eutektischen Temperatur liegt und geringer als die alpha-transus Temperatur ist. Die Temperatur kann 10 bis 50°C höher oder niedriger als die eutektische Temperatur liegen.According to a further advantageous embodiment, the turbocharger component, preferably for a period of 1 to 200 hours, more preferably for a period of 80 to 150 hours, heated to a temperature which is in the range of eutectic temperature and less than the alpha-transus temperature is. The temperature may be 10 to 50 ° C higher or lower than the eutectic temperature.

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird das Turboladerbauteil als Gussteil aus der Titanaluminid-Legierung hergestellt. Zur Herstellung eines solchen Gussteils wird zweckmäßigerweise ein Schleudergussverfahren verwendet.According to a further particularly advantageous embodiment, the turbocharger component is produced as a casting of the titanium aluminide alloy. To produce such a casting, a centrifugal casting process is suitably used.

Es kann aber auch sein, dass das Turboladerbauteil mittels Schmieden unter isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen im Bereich der Temperatur der (α + γ)-Phase der Titanaluminid-Legierung hergestellt wird. Die entsprechende Temperatur der (α + γ)-Phase kann aus dem TiAl-Phasendiagramm entnommen werden.However, it may also be that the turbocharger component is produced by means of forging under isothermal or quasi-isothermal conditions in the region of the temperature of the (α + γ) phase of the titanium aluminide alloy. The corresponding temperature of the (α + γ) phase can be taken from the TiAl phase diagram.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest eine tribologisch beanspruchte Oberfläche des Turboladerbauteils mit einer aus Al2O3 gebildeten Schicht versehen sein. Die vorerwähnte Al2O3-Schicht kann aus dem Grundwerkstoff über den bekannten Halogeneffekt erzeugt werden.According to a further embodiment, at least one tribologically stressed surface of the turbocharger component can be provided with a layer formed from Al 2 O 3 . The aforementioned Al 2 O 3 layer can be produced from the base material via the known halogen effect.

Beispiellegierung:Example Alloy:

  • 49 at% Al, 8 at% Nb, Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen49 at% Al, 8 at% Nb, balance Ti and unavoidable impurities

Der Zusatz an Nb erhöht die Duktilität der Legierung. Vorteilhafterweise kann der Legierung außerdem Rh zugesetzt sein. Der Rh-Gehalt kann 2–6 at% betragen. Damit kann die Zugfestigkeit und/oder die Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen verbessert werden.The addition of Nb increases the ductility of the alloy. Advantageously, the alloy may also be added to Rh. The Rh content can be 2-6 at%. Thus, the tensile strength and / or creep resistance at high temperatures can be improved.

Die vorgenannte Legierung kann im Schleudergussverfahren vergossen werden. Ein daraus hergestelltes Gussteil kann nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dazu wird das Gussteils für eine Dauer von 5 Stunden auf eine Temperatur aufgeheizt, welche etwa 20°C höher als die eutektische Temperatur ist. Mit der Wärmebehandlung kann das Gefüge eingestellt werden. Ferner kann damit eine Übergangstemperatur für den Spröd-Duktil-Übergang der Legierung herabgesetzt und gleichzeitig die Zugfestigkeit sowie die Duktilität erhöht werden.The aforementioned alloy can be cast by centrifugal casting. A casting produced therefrom can subsequently be subjected to a heat treatment. For this purpose, the casting is heated for a period of 5 hours to a temperature which is about 20 ° C higher than the eutectic temperature. With the heat treatment, the microstructure can be adjusted. Furthermore, it can be used to lower a transition temperature for the brittle-ductile transition of the alloy and at the same time increase the tensile strength and the ductility.

Zur weiteren Verbesserung der Qualität des Gussteils ist es auch möglich, dieses mittels heißisostatischem Pressen (HIP) zu verdichten. Damit können insbesondere im Gussteil befindliche Poren und Lunker geschlossen werden. To further improve the quality of the casting, it is also possible to densify it by means of hot isostatic pressing (HIP). This can be closed in particular in the casting pores and voids.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest eine tribologisch beanspruchte Oberfläche des Turboladerbauteils mit einer aus Al2O3 gebildeten Schicht versehen sein. Die vorerwähnte Al2O3-Schicht kann aus dem Grundwerkstoff über den bekannten Halogeneffekt erzeugt werden.According to a further embodiment, at least one tribologically stressed surface of the turbocharger component can be provided with a layer formed from Al 2 O 3 . The aforementioned Al 2 O 3 layer can be produced from the base material via the known halogen effect.

Bei dem erfindungsgemäßen Turboladerbauteil kann es sich um ein Turbinenrad und/oder ein Verdichterrad eines Turboladers handeln. Das Turbinenrad und das Verdichterrad können auch aus einem Stuck hergestellt sein.The turbocharger component according to the invention can be a turbine wheel and / or a compressor wheel of a turbocharger. The turbine wheel and the compressor wheel can also be made of one piece.

Die vorgeschlagene intermetallische Titanaluminid-Legierung eignet sich auch zur Herstellung von Turbinenbauteilen, insbesondere Turbinenschaufeln oder Verdichterschaufeln.The proposed titanium-aluminide intermetallic alloy is also suitable for the manufacture of turbine components, in particular turbine blades or compressor blades.

Ferner eignet sich eine intermetallische Titanaluminid-Legierung, insbesondere die erfindungsgemäß vorgeschlagene intermetallische Titanaluminid-Legierung, zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, insbesondere zur Herstellung von Klingen für Messer, von Drehmeißeln, Wendeschneidplatten, Bohr- und Fräswerkzeugen.Furthermore, an intermetallic titanium aluminide alloy, in particular the titanium intermetallic alloy proposed according to the invention, is suitable for the production of cutting tools, in particular for the production of blades for knives, turning tools, indexable inserts, drilling and milling tools.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2008/049465 [0002] WO 2008/049465 [0002]

Claims (11)

Turboladerbauteil, hergestellt aus einer intermetallischen Titanaluminid-Legierung mit folgender Zusammensetzung: Al (45–49 at%), X1 (2–4 at%), X2 (1–8 at%), X3 (≤ 1 at%), Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei X1 = Seltenerdmetall X2 = Niob (Nb), Wolfram (W), Tantal (Ta), Rhenium (Rh) X3 = O, C.Turbocharger component made of an intermetallic titanium aluminide alloy having the following composition: Al (45-49 at%), X1 (2-4 at%), X2 (1-8 at%), X3 (≤ 1 at%), remainder Ti and unavoidable impurities, wherein X1 = rare earth metal X2 = niobium (Nb), tungsten (W), tantalum (Ta), rhenium (Rh) X3 = O, C. Turboladerbauteil nach Anspruch 1, wobei es ein zwei Phasen umfassendes Gefüge aufweist.A turbocharger component according to claim 1, wherein it has a two-phase structure. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Phase γ-TiAl und eine zweite Phase α2-Ti3Al ist.A turbocharger component according to any one of the preceding claims, wherein a first phase is γ-TiAl and a second phase is α 2 -Ti 3 Al. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis α2/γ zwischen 0,03 und 0,15 ist.A turbocharger component according to any one of the preceding claims, wherein a ratio α 2 / γ is between 0.03 and 0.15. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefüge ein near-Gamma-Gefüge ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein the structure is a near-gamma structure. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefüge ein Duplex-Gefüge ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein the structure is a duplex structure. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es, vorzugsweise für eine Dauer von 1 bis 200 Stunden, besonders bevorzugt für eine Dauer von 80 bis 150 Stunden, auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche im Bereich der eutektischen Temperatur liegt und geringer als die alpha-transus Temperatur ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein it is heated, preferably for a period of 1 to 200 hours, particularly preferably for a period of 80 to 150 hours, to a temperature which is in the range of the eutectic temperature and less than the alpha transus temperature is. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es als Gussteil aus der TiAl-Legierung hergestellt ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein it is made as a casting of the TiAl alloy. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es mittels Schmieden unter isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen im Bereich einer Temperatur der (α + γ)-Phase der TiAl-Legierung hergestellt ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein it is produced by means of forging under isothermal or quasi-isothermal conditions in the range of a temperature of the (α + γ) phase of the TiAl alloy. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest an einer tribologisch beanspruchten Oberfläche eine aus Al2O3 gebildete Schicht vorgesehen ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein at least on a tribologically stressed surface of a layer formed of Al 2 O 3 is provided. Turboladerbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es ein Turbinenrad und/oder ein Verdichterrad ist.Turbocharger component according to one of the preceding claims, wherein it is a turbine wheel and / or a compressor wheel.
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