DE102017109156A1 - High-temperature resistant material and its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Gefüge aus intermetallischen B2- und C14 Phasen, wobei die primär ausgeschiedene C14-Phase im Wesentlichen nicht miteinander verbundene Bereiche (Inseln) bildet, die Inseln der C14-Phase von der B2-Phase umschlossen sind, das Gesamtvolumen der C14-Phase im Gefüge gegenüber dem der B2-Phase überwiegt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Gefüge und eine Verwendung.The invention relates to a structure of intermetallic B2 and C14 phases, wherein the primary precipitated C14 phase forms essentially non-interconnected regions (islands), the islands of the C14 phase are enclosed by the B2 phase, the total volume of the C14 molecules Phase in the structure over that of the B2 phase predominates. Furthermore, the invention relates to a method for producing the microstructure and a use.
Description
Die Erfindung betrifft einen hochwarmfesten Werkstoff auf Basis intermetallischer Phasen und ein Verfahren zur Einstellung dessen Gefüges. The invention relates to a highly heat-resistant material based on intermetallic phases and a method for adjusting its microstructure.
Thermisch und mechanisch hochbelastbare Werkstücke werden unter anderem in Strömungsmaschinen, bei Gasturbinen, in Verbrennungsmotoren und in Flugzeugtriebwerken benötigt. Der Bedarf an im Hinblick auf die mechanische und thermische Belastbarkeit verbesserten Materialien ist dabei nach wie vor vorhanden. Thermally and mechanically highly resilient workpieces are required, inter alia, in turbomachines, in gas turbines, in internal combustion engines and in aircraft engines. The need for improved in terms of mechanical and thermal stress materials is still there.
Ein häufiger Fertigungsschritt in der Produktion der entsprechenden Werkstücke ist die thermomechanische Behandlung zur Verbesserung der Eigenschaften. Hierfür sind nur Werkzeuge (Gesenke) geeignet, die ihrerseits bei den hohen Temperaturen, bei denen sie eingesetzt werden eine höhere Festigkeit aufweisen als das zu bearbeitende Werkstück. A common production step in the production of the corresponding workpieces is the thermomechanical treatment to improve the properties. For this purpose, only tools (dies) are suitable, which in turn at the high temperatures at which they are used have a higher strength than the workpiece to be machined.
Intermetallische Phasen geben Anlass zur Annahme, dass sie zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Belastbarkeit von Werkstoffen geeignet sind, da intermetallische Phasen eine gegenüber metallischen Werkstoffen höhere mechanische und thermische Belastbarkeit aufweisen. Intermetallic phases give rise to the assumption that they are suitable for improving the mechanical and thermal resistance of materials, since intermetallic phases have a higher mechanical and thermal resistance compared to metallic materials.
Bekannt sind verschiedene intermetallische Phasen, unterschiedlicher Strukturtypen. Die nach dem Mineralogen Fritz Laves benannten Laves-Phasen bilden eine der größten Gruppen der intermetallischen Verbindungen definierter Zusammensetzung hexagonaler C14- oder C36-Struktur oder kubischer C15-Struktur. Various intermetallic phases, different types of structures are known. The Laves phases named after the mineralogist Fritz Laves form one of the largest groups of intermetallic compounds of defined composition of hexagonal C14 or C36 structure or cubic C15 structure.
Der Inhalt der
Die
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Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstoffe mit verbesserten thermo-mechanischen Eigenschaften sowie eine Verfahren zur Einstellung des dafür erforderlichen Gefüges bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung einen Werkstoff für ein Gesenk zur Fertigung hochwarmfester Werkstücke zur Verfügung zu stellen. The invention has for its object to provide materials with improved thermo-mechanical properties and a method for adjusting the necessary structure. Furthermore, it is the object of the invention to provide a material for a die for producing highly heat-resistant workpieces.
Es wurde nun gefunden, dass sich die mechanische und thermische Belastbarkeit von Werkstücken, bestehend aus zwei intermetallischen Phasen der Struktur B2 und C14, bei Abwesenheit weiterer metallischer oder intermetallischer Phasen, mittels spezieller Gefüge verbessern lässt. Die erfindungsgemäßen Gefüge sind gekennzeichnet durch Primärausscheidungen der C14-Phase und einer resteutektischen Zusammensetzung bei der der Volumenanteil der B2-Phase die Matrix des Gefüges bildet und somit Inseln der C14-Phase umschließt. It has now been found that the mechanical and thermal load-bearing capacity of workpieces consisting of two intermetallic phases of the structure B2 and C14, in the absence of further metallic or intermetallic phases, can be improved by means of a special structure. The microstructures according to the invention are characterized by primary excretions of the C14 phase and a resteutectic composition in which the volume fraction of the B2 phase forms the matrix of the microstructure and thus encloses islands of the C14 phase.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind: Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which are intended to illustrate the invention and are not to be considered as limiting:
Es zeigen: Show it:
Dabei wurde erkannt, dass sich die mechanische und thermische Belastbarkeit von Werkstücken intermetallischer B2- und C14-Phasen verbessern lässt, wenn das System so gewählt wird, dass zunächst die extrem harte C14-Phase ausgeschieden wird, und wenn sichergestellt ist, dass der Volumenanteil der B2-Phase in der eutektischen Zusammensetzung überwiegt und eine umschließende Matrix um die „inselartig“ verteilte C14-Phase ausbildet. It was found that the mechanical and thermal loading of workpieces of B2 and C14 intermetallic phases can be improved if the system is chosen to first excrete the extremely hard C14 phase and if it is ensured that the volume fraction of the B2 phase predominates in the eutectic composition and forms an enclosing matrix around the "island-like" distributed C14 phase.
Des Weiteren wurde erkannt, dass das Gesamtvolumen der C14-Phase im Gefüge gegenüber dem der B2-Phase überwiegen muss. Furthermore, it was recognized that the total volume of the C14 phase in the microstructure must predominate over that of the B2 phase.
Erfindungsgemäße Gefüge entstehen, wenn die Zusammensetzung einer Schmelze so gewählt ist, dass sich im Verlauf der Erstarrung zunächst Primärausscheidungen der C14-Phase bilden. Die Restschmelze entwickelt sich, bis zur vollständigen Erstarrung, hin zur eutektischen Zusammensetzung. Dieser Zusammenhang ist in
Erst beim Erstarren dieser Restschmelze bildet sich auch eine B2-Phase aus. (
Eine qualitative Darstellung des erfindungsgemäßen und des nicht erfindungsgemäßen Gefüges ist in
Die erfindungsgemäßen neuen Gefüge werden erhalten, wenn ein Verfahren, umfassend die folgenden Schritte, angewendet wird:
- i. Auswahl eines der sechs Grundsysteme bestehend aus drei verschiedenen Metallen, A, B und C. Wobei A Aluminium (Al), B Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) und C Tantal (Ta), Niob (Nb) oder Titan (Ti) ist., i.e. NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl und TiFeAl. Wobei die Metalle A und B (AlNi und AlFe) eine B2-Phase und die Metalle A und B und C eine C14-Phase bilden.
- ii. Spezifizierung der in Schritt i getroffenen Auswahl anhand von Gleichung 1 (Gl.1) und Gleichung 2 (Gl.2) auf solche Systeme, welche in eutektischer Zusammensetzung ein volumetrisches Überwiegen der B2-Phase gegenüber der C14-Phase aufweisen
VB2 = 100% – VC14 Gl. 2 - VmC14
- = Molvolumen [m3/mol] der C14-Phase
- VmB2
- = Molvolumen [m3/mol] der B2-Phase
- VC14
- = Volumenanteil [%] der C14-Phase
- VB2
- = Volumenanteil [%] der B2-Phase
- Xc
- = Stoffmengenanteil der Komponente C (für XC ist der Stoffmengenanteil der Komponente C in eutektischer Zusammensetzung einzusetzen VB2 -> VB2-eut)
- iii. Sicherstellen das der der Volumenanteil der C14-Phase in folgenden Grenzen liegt:
obere Grenze:
VC14max = 90 vol.% des Gesamtvolumens VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut)
- i. Selection of one of the six basic systems consisting of three different metals, A, B and C. Where A is aluminum (Al), B is iron (Fe) or nickel (Ni) and C is tantalum (Ta), niobium (Nb) or titanium (Ti) NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl and TiFeAl. Where metals A and B (AlNi and AlFe) form a B2 phase and metals A and B and C form a C14 phase.
- ii. Specification of the selection made in step i using Equation 1 (Equ. 1) and Equation 2 (Equ. 2) for those systems which, in eutectic composition, have a volumetric preponderance of the B2 phase relative to the C14 phase
V B2 = 100% - V C14 Eq. 2 - V mC14
- = Molar volume [m 3 / mol] of the C14 phase
- V mB2
- = Molar volume [m 3 / mol] of the B2 phase
- V C14
- = Volume fraction [%] of the C14 phase
- V B2
- = Volume fraction [%] of the B2 phase
- X c
- = Molar fraction of component C (for X C , the molar fraction of component C in eutectic composition is to be used V B2 -> V B2-eut )
- iii. Ensure that the volume fraction of the C14 phase is within the following limits: Upper limit:
V C14max = 90 vol.% Of the total volume V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2ew )
Durch einsetzen von VC14max in Gl. 3 wird der maximale Stoffmengenanteil der Komponente C, XmaxC berechnet, durch einsetzen von VC14min in Gl. 4 wird der minimale Stoffmengenanteil der Komponente C, XminC berechnet. Die Gesamtzusammensetzung wird so gewählt, dass für den Stoffmengenanteil der Komponente C (XC) gilt:
Die Herstellung der Schmelze erfolgt nach dem Fachmann allgemein und im speziellen z.B. aus der
Bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten, erfindungsgemäßen Gefüge handelt es sich um 2 Phasige Systeme, bestehend aus einer vergleichsweise duktilen B2- und einer sehr harten/festen C14-Phase. Das Gefüge zeichnet sich dadurch aus, dass Ausscheidungen (Sowohl Erst- als auch Restausscheidungen) der C14-Phase in eine Matrix aus B2-Phase eingebettet sind. Extrem hohe Festigkeiten werden erreicht, wenn die (sehr feste) C14-Phase in der volumetrischen Zusammensetzung des Gefüges überwiegt und die (weniger feste) Matrix dadurch so „dünn“ ausfällt, dass äußere Belastungen in ihr (der Matrix) praktisch ausschließlich in hydrostatischem Druck resultieren. Die erfindungsgemäßen Gefüge sind geeignet als Werkstoffe, die eine hohe Festigkeit und eine hohe Warmfestigkeit erfordern. Solche Werkstoffe werden insbesondere zur Herstellung von hochtemperaturbelasteten Bauteilen von Gasturbinen, wie z.B. Gasturbinenschaufeln und in Gasturbinenflugtriebwerken benötigt. The microstructure according to the invention produced by the process according to the invention is 2-phase systems consisting of a comparatively ductile B2 and a very hard / solid C14 phase. The microstructure is characterized by the fact that precipitations (both primary and residual precipitates) of the C14 phase are embedded in a matrix of B2 phase. Extremely high strengths are achieved when the (very solid) C14 phase predominates in the volumetric composition of the microstructure, and the (less solid) matrix becomes so "thin" that external stresses in it (the matrix) are almost exclusively at hydrostatic pressure result. The microstructures according to the invention are suitable as materials which require high strength and high heat resistance. Such materials are used in particular for the production of high temperature loaded components of gas turbines, such as e.g. Gas turbine blades and in gas turbine aircraft engines needed.
Die erfindungsgemäßen Gefüge sind insbesondere als hochwarmfeste Werkstoffe für Gesenke zur Herstellung von Gegenständen, die eine hohe Festigkeit, eine hohe Warmfestigkeit erfordern geeignet. Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren als die Allgemeingültigkeit nicht einschränkend beispielhaft demonstriert. Gesucht sei ein Werkstoff für ein Schmiedegesenk zur Umformung von Hochtemperaturbauteilen. Beim Schmieden erreicht die Temperatur des Gesenks ca. 1300°C. Es werden die zwei Grund-Systeme NbNiAl und TaNiAl von den sechs möglichen Grund-Systemen NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl und TiFeAl, die eine B2-Phase (AlB) und eine C14-Phase (AlBC) bilden, behandelt. The microstructures according to the invention are particularly suitable as high-temperature-resistant materials for dies for the production of articles which require high strength and high heat resistance. In the following, the method according to the invention is demonstrated as the generality not restricting by way of example. We are looking for a material for a forging die for forming high-temperature components. During forging, the temperature of the die reaches about 1300 ° C. The two basic systems NbNiAl and TaNiAl are treated by the six possible basic systems NbNiAl, TaNiAl, TiNiAl, NbFeAl, TaFeAl and TiFeAl, which form a B2 phase (AlB) and a C14 phase (AlBC).
System TaNiAl aus Schritt i: System TaNiAl from step i:
- Das Molvolumen der C14-Phase des gewählten Grundsystems ist: VmC14 = 25,3 cm3/mol The molar volume of the C14 phase of the chosen basic system is: V mC14 = 25.3 cm 3 / mol
- Das Molvulumen der entsprechenden B2-Phase: VmB2 = 14,7 cm3/mol The molar volume of the corresponding B2 phase: V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Erfindungsgemäße Gefüge stellen sich innerhalb folgender stöchiometrischer Grenzen ein:
Das Stoffmengenverhältnis von Nickel zu Aluminium (Ni/Al) reicht von 0,66 bis 1,1. Der Stoffmengenanteil von Tantal liegt zwischen 21 at% bzw. 22,8 at% (abhängig von Ni/Al) und 29,6 at%
- • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 0,66: Hier ist der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung Xc = 8,8 at%. Dieses ist in
von 0,66 zu erkennen. Es wird in Gl. 1 eingesetzt. Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet.VB2 = 100% – 38,2% = 61,8% - • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 1,1: Hier ist der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung Xc = 11 at%. Dieses ist entnehmbar aus dem Zustandsschaubild des Systems TaNiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al)
von 1,1 ( - • Es wird dieser Wert in Gl. 1 eingesetzt. Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet.
VB2 = 100% – 45,9% = 54,1% - • Der maximale Tantalgehalt wird nun nach Schritt iii berechnet. Gl. 3 liefert:
- • Der minimale Tantalgehalt ergibt sich anhand der eutektischen Zusammensetzung:
1. Anwendung von Schritt iii für die untere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 0,66):
VB2eut = 61,8 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:
VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 61,8 vol% + 1/3·(90 vol% – 61,8 vol%) = 71,2 vol%. von Tantal von 22,8 at% 2. Anwendung von Schritt iii für die obere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 1,1): VB2eut = 54,5 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 54,5 vol% + 1/3·(90 vol% – 54,5 vol%) = 66,3 vol%.
The molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al) ranges from 0.66 to 1.1. The mole fraction of tantalum is between 21 at% and 22.8 at% (depending on Ni / Al) and 29.6 at%
- • Application of step ii for Ni / Al = 0.66: Here, the mole fraction of tantalum in eutectic composition is Xc = 8.8 at%. This is in
V B2 = 100% - 38.2% = 61.8% - • Application of step ii for Ni / Al = 1,1: Here, the mole fraction of tantalum in eutectic composition is Xc = 11 at%. This can be taken from the state diagram of the system TaNiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) of 1.1 (
- • This value in Eq. 1 used. The volume fraction of B2 phase in eutectic composition is calculated using Eq. 2 calculated.
V B2 = 100% - 45.9% = 54.1% - • The maximum tantalum content is now calculated after step iii. Eq. 3 supplies:
- • The minimum tantalum content is given by the eutectic composition: 1. Application of step iii for the lower limit of the molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al = 0.66): V B2eut = 61.8 vol% is added to the formula Calculation of the lower limit of the C14 volume fraction used:
V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 61.8 vol% + 1/3 · (90 vol% - 61.8 vol%) = 71.2 vol%. V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 54.5 vol% + 1/3 · (90 vol% - 54.5 vol%) = 66.3 vol%.
Im Folgenden werden beispielhaft vier Zusammensetzungen im System TaNiAl betrachtet. Zusammensetzungen mit einem höheren Ni- als Al-Gehalt (Beispiel 3 und 4) führen nicht zum erfindungsgemäßen Gefüge. Auch das mit höherem Al- als Ni-Gehalt hergestellte, untereutektische Beispiel 2 (VC14 < VC14min) führt nicht zum erfindungsgemäßen Gefüge. Das mit höherem Al- als Ni-Gehalt hergestellte, übereutektische Beispiel 1 (VC14 > VC14min) führt zum erfindungsgemäßen Gefüge. Four compositions in the system TaNiAl are considered below by way of example. Compositions with a higher Ni content than Al (Examples 3 and 4) do not lead to the structure according to the invention. Also, the hypoeutectic Example 2 (V C14 <V C14min ) prepared with a higher Al content than Ni content does not lead to the microstructure according to the invention. The hypereutectic Example 1 (V C14 > V C14min ) prepared with a higher Al content than Ni content leads to the microstructure according to the invention.
Hergestellt wurden die Beispielgefüge mittels mehrfachen Umschmelzens aus den reinen Komponenten in einer Lichtbogenschmelze. Die Gefügebilder sind REM-Aufnahmen im Sekundärelektronenbildverfahren. Zusammensetzungen wurden im REM mittels EDX ermittelt. The example structures were produced by means of multiple remelting from the pure components in an arc melt. The micrographs are SEM images in the secondary electron image method. Compositions were determined in the REM by EDX.
Beispiel 1 Ta22,5Ni35,9Al41,6 (Abb. 1 und Abb. 15) Erfindungsgemäßes Beispiel Example 1 Ta 22.5 Ni 35.9 Al 41.6 (Fig. 1 and Fig. 15) Example according to the invention
Schritt i Step i
- Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Schritt ii Step ii
Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 0,85) bei 9,8 at% (Zustandsschaubild in
Schritt iii Step iii
Die obere Grenze für den Stoffmengenanteil von Tantal mit Gl. 3 berechnet: VB2eut = 58,25 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:
Die Prüfung entsprechend Verfahrensschritt iii ergibt, dass hier die Bedingungen zur Bildung eines erfindungsgemäßen Gefüges erfüllt sind. Folglich bilden sich Erstausscheidungen der C14-Phase (helle Bereiche), umgeben von einer Matrix der B2-Phase (dunkle Bereiche). Erfindungsgemäßes Gefüge. The test according to method step iii shows that the conditions for forming a microstructure according to the invention are fulfilled here. Consequently, initial precipitates of the C14 phase (bright areas) are formed, surrounded by a matrix of the B2 phase (dark areas). Structure according to the invention.
Beispiel 2 Ta6,3Ni42,8Al50,9 (Abb. 6) Example 2 Ta 6.3 Ni 42.8 Al 50.9 (Fig. 6)
Schritt i Step i
- Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Schritt ii Step ii
Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 0,84) bei 9,7 at% (
Schritt iii Step iii
Die obere Grenze für den Stoffmengenanteil von Tantal mit Gl. 3 berechnet: VB2eut = 58,6 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:
B2 überwiegt in der resteutektischen Zusammensetzung und bildet nach den Erstausscheidungen auch die Matrix. Die dunklen Bereiche (B2-Phase) sind miteinander verbunden und liegen nicht als einzelne „Inseln“ vor. Der Gesamtanteil der C14-Phase ist deutlich geringer als der der B2-Phase.
Beispiel 3 Ta8,5Ni49,5Al42 (Abb. 8) Example 3 Ta 8,5 Ni 49,5 Al 42 (Fig. 8)
Schritt i Step i
- Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Schritt ii Step ii
Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 1,2) bei 14,5 at% (
Die C14-Phase (helle Bereiche in der
Beispiel 4 Ta24,3Ni41,3Al34,4 (Abb. 9) Example 4 Ta 24.3 Ni 41.3 Al 34.4 (Fig. 9)
Schritt i Step i
- Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Ta VmC14 = 25,3 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Ta V mC14 = 25.3 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Schritt ii Step ii
Der Stoffmengenanteil von Tantal in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 1,2) bei 14,5 at% (
Übereutektische Zusammensetzung und größerem Nickel- als Aluminium-Anteil. Die eutektische Zusammensetzung der entsprechenden Konode weist einen Tantal Anteil von etwa 14,5at.% auf. Die C14-Phase überwiegt in der resteutektischen Zusammensetzung und bildet so neben den Erstausscheidungen auch die Matrix. Es ist in der
Zusammenfassend läßt sich hier die Erkenntnis ableiten, dass eine sich zu 100 at% ergänzende Zusammensetzung im System TaNiAl immer dann ein erfindungsgemäßes Gefüge bildet, wenn das Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 1,1 liegt und der Anteil an Tantal zwischen 21,0 at% und 29,6 at%. Also Ta21,0-29,6NiAl mit einem Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 1,1 In summary, the conclusion can be drawn that a composition which adds up to 100 at% in the TaNiAl system always forms an inventive microstructure if the ratio of Ni to Al (Ni / Al) is between 0.66 and 1.1 and Proportion of tantalum between 21.0 at% and 29.6 at%. So Ta 21.0-29.6 NiAl with a ratio of Ni to Al (Ni / Al) between 0.66 and 1.1
In Formel läßt sich das folgendermaßen beschreiben:
System NbNiAl aus Schritt i: System NbNiAl from step i:
- Das Molvolumen der C14-Phase des gewählten Grundsystems ist: VmC14 = 25,7 cm3/mol The molar volume of the C14 phase of the chosen basic system is: V mC14 = 25.7 cm 3 / mol
- Das Molvulumen der entsprechenden B2-Phase: VmB2 = 14,7 cm3/mol The molar volume of the corresponding B2 phase: V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Erfindungsgemäße Gefüge stellen sich innerhalb folgender stöchiometrischer Grenzen ein:
Das Stoffmengenverhältnis von Nickel zu Aluminium (Ni/Al) reicht von 0,66 bis 0,75. Der Stoffmengenanteil von Niob liegt zwischen 20,1 at% bzw. 21,6 at% (abhängig von Ni/Al) und 29,6 at%
- • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 0,66: Hier ist der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung Xc = 10 at% (
VB2 = 100% – 42,8% = 57,2% - • Anwendung von Schritt ii für Ni/Al = 0,75: Hier ist der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung Xc = 12 at% (
VB2 = 100% – 49,2% = 50,8% - • Der maximale Stoffmengenanteil von Niob wird nach Schritt iii berechnet. Gl. 3 liefert:
- • Der minimale Niobgehalt ergibt sich anhand der eutektischen Zusammensetzung:
3. Anwendung von Schritt iii für die untere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 0,66):
VB2eut = 57,2 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:
VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 57,2 vol% + 1/3·(90 vol% – 57,2 vol%) = 68,1 vol%. von Niob von 21,6 at% 4. Anwendung von Schritt iii für die obere Grenze des Stoffmengenverhältnisses von Nickel zu Aluminium (Ni/Al = 0,75): VB2eut = 50,8 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:VC14min = VB2eut + 1/3·(VC14max – VB2eut) = 50,8 vol% + 1/3·(90 vol% – 50,8 vol%) = 63,9 vol%.
The molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al) ranges from 0.66 to 0.75. The mole fraction of niobium is between 20.1 at% and 21.6 at% (depending on Ni / Al) and 29.6 at%
- • Application of step ii for Ni / Al = 0.66: Here, the mole fraction of niobium in eutectic composition is Xc = 10 at% (
V B2 = 100% - 42.8% = 57.2% - • Application of step ii for Ni / Al = 0.75: Here, the mole fraction of niobium in eutectic composition is Xc = 12 at% (
V B2 = 100% - 49.2% = 50.8% - • The maximum mole fraction of niobium is calculated after step iii. Eq. 3 supplies:
- • The minimum niobium content is given by the eutectic composition: 3. Application of step iii for the lower limit of the molar ratio of nickel to aluminum (Ni / Al = 0.66): V B2eut = 57.2 vol% is added to the formula Calculation of the lower limit of the C14 volume fraction used:
V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 57.2 vol% + 1/3 · (90 vol% - 57.2 vol%) = 68.1 vol%. V C14min = V B2eut + 1/3 · (V C14max - V B2eut ) = 50.8 vol% + 1/3 · (90 vol% - 50.8 vol%) = 63.9 vol%.
Im Folgenden werden zwei Beispiele im System NbNiAl betrachtet. Hergestellt wurden die Legierungen mittels mehrfachen Umschmelzens aus den reinen Komponenten in einer Lichtbogenschmelze. Die Gefügebilder sind REM-Aufnahmen im Sekundärelektronenbildverfahren. Zusammensetzungen wurden im REM mittels EDX ermittelt. Here are two examples in the NbNiAl system. The alloys were produced by multiple remelting from the pure components in an arc melt. The micrographs are SEM images in the secondary electron image method. Compositions were determined in the REM by EDX.
Beispiel 5 Zusammensetzung Nb24,3Ni30Al44,7 (Abb. 12) Example 5 Composition Nb 24.3 Ni 30 Al 44.7 (Fig. 12)
Schritt i Step i
- Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Nb VmC14 = 25,7 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Nb V mC14 = 25.7 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Schritt ii Step ii
Der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 0,67) bei 10 at% (
Schritt iii Step iii
Die obere Grenze für den Stoffmengenanteil von Niob mit Gl. 3 berechnet: VB2eut = 57,2 vol% wird in die Formel zur Berechnung der unteren Grenze des C14 Volumenanteils eingesetzt:
Bei deutlich übereutektischer Zusammensetzung bilden sich große C14-Erstausscheidungen (helle Phase). Aufgrund des größeren Aluminium- als Nickel-Anteils überwiegt im Resteutektikum die B2-Phase (dunkle Phase) und bildet so die Matrix. Der C14-Anteil des Resreutektikums ist aufgrund heterogener Keimbildung überwiegend an die C14-Erstausscheidungen angelagert. Das erfindungsgemäße Gefüge ist in der REM Aufnahme in
Beispiel 6 Nb13,4Ni45,9Al40,7 (Abb. 13) Example 6 Nb 13.4 Ni 45.9 Al 40.7 (Fig. 13)
Schritt i Step i
- Auswahl des Grundsystems: -> A = Al, B = Ni, C = Nb VmC14 = 25,7 cm3/mol VmB2 = 14,7 cm3/mol Selection of the basic system: -> A = Al, B = Ni, C = Nb V mC14 = 25.7 cm 3 / mol V mB2 = 14.7 cm 3 / mol
Schritt ii Step ii
Der Stoffmengenanteil von Niob in eutektischer Zusammensetzung liegt in der o.g. Zusammensetzung (Ni/Al = 1,12) bei 14,3 at%. Einsetzen in Gl. 1: Der Volumenanteil der B2-Phase in eutektischer Zusammensetzung wird unter Verwendung von Gl. 2 berechnet.
Bei untereutektischer Zusammensetzung bilden sich große B2-Erstausscheidungen (dunkle Phase). Aufgrund des größeren Nickel- als Aluminium-Anteils überwiegt im Resteutektikum die C14-Phase (helle Phase) und bildet so die Matrix. Das nicht erfindungsgemäße Gefüge ist in der REM Aufnahme in
Es läßt sich hier zusammenfassend für das System NbNiAl sagen, dass sich ein erfindungsgemäßes Gefüge bildet, wenn sich die zu 100 at% ergänzende atomare Zusammensetzung ein Verhältnis von Ni zu Al (Ni/Al) zwischen 0,66 und 0,75 aufweist und der Anteil an Nb zwischen 20 at% und 29,5 at% liegt. In Formel lässt sich diese Erkenntnis folgendermaßen ausdrücken:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 60024189 T2 [0007] DE 60024189 T2 [0007]
- DE 2521563 A1 [0008] DE 2521563 A1 [0008]
- EP 0760869 B1 [0009, 0038] EP 0760869 B1 [0009, 0038]
- DE 102013214767 A1 [0010] DE 102013214767 A1 [0010]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Druckschrift Gerhard Sauthoff „Intermetallics“ ISBN: 978-3-527-61540-7 [0006] Publication Gerhard Sauthoff "Intermetallics" ISBN: 978-3-527-61540-7 [0006]
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-
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Druckschrift Gerhard Sauthoff „Intermetallics" ISBN: 978-3-527-61540-7 |
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