Bei diesen besteht das Metallgefüge hauptsächlich aus TiAI-Phase (y-Phase) mit einem geringen Anteil an Ti3AI (a2-Phase). Bei einigen Vielkomponentenlegierungen kann auch noch ein geringer Anteil an ß-Phase vorliegen, wobei diese Phase durch Elemente wie Chrom, Wolfram oder Molybdän stabilisiert wird.

Gemäß J. W. Kim (J. Met. 41 (7), p 24-30,1989, J. Met. 46 (7), p 30-39, 1994) können einzelne Gruppen von vorteilhaften Legierungselementen in y-TiAI-Legierungen allgemein wie folgt beschrieben werden (in Atom%) : Ti-AI45 48- (Cr, Mn, V) 0-3- (Nb, Ta, Mo, W) o-5- (Si, B) o-i.

Niob, Wolfram, Molybdän und in geringem Ausmaß Tantal verbessern die Oxidationsbeständigkeit, Chrom, Mangan und Vanadin wirken duktilisierend.

Aufgrund ihres hohen Festigkeit/Dichte-Verhältnisses, des hohen spezifischen E-Moduls, sowie der Oxidationsbeständigkeit und der Kriechfestigkeit sind intermetallische y-TiAI-Werkstoffe für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse. Dazu zählen beispielhaft Turbinenkomponenten, sowie Motor-oder Getriebebauteile von Automobilen.

Voraussetzung für eine großtechnische Anwendung von y-TiAI ist die Verfügbarkeit einer technisch zuverlässigen Formgebungsmethode, die eine kostengünstige Herstellung von Formteilen mit anforderungsgerechten Eigenschaften ermöglicht.

Auf den Erfahrungen mit der gusstechnischen Verarbeitung von Titan aufbauend, wurden in den letzten Jahren große Anstrengungen unternommen, eine Feingusstechnik für y-TiAI Werkstoffe zu etablieren.

Es zeigte sich, dass die üblicherweise gebildete grobe Gussstruktur für mechanische Eigenschaften von je y-TiAI höchst nachteilig ist. Formteile aus intermetallischen y-TiAI Werkstoffen, basierend auf Ti-45 Atom% Al- 5 Atom% Nb, die mittels Feinguss hergestellt wurden, wiesen ein unerwünscht grobes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von > 500 um auf, wobei zudem die minimale und maximale Korngröße in einem weiten Bereich streuten.

Auch ein mittels Feinguss hergestellter Formteil mit der Legierungszusammensetzung 44 Atom% Al-1 Atom% V-5 Atom% Nb- 1 Atom% B, Rest Ti, eine Legierung gemäß der EP 0 634 496, weist eine mittlere Korngröße im Bereich von 550 um auf ebenfalls mit einem breiten Streubereich.

Aus der Vielzahl von Versuchen, sowohl legierungs-als auch verfahrenstechnisch ein feinkörniges Gefüge zu erreichen, werden die Nachfolgenden repräsentativ genannt.

In der US 5 429 796 ist ein gegossener Formteil aus einem Titanaluminid- Werkstoff beschrieben, bestehend aus 44-52 Atom% Aluminium, 0,05- 8 Atom% eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Chrom, Kohlenstoff, Gallium, Molybdän, Mangan, Niob, Nickel, Silizium, Tantal, Vanadin und Wolfram und zumindest 0,5 Vol. % einer Boridphase, der eine Streckgrenze von 55 ksi und eine Bruchdehnung von zumindest 0,5 % aufweist. Bei den dort nach den genannten Verfahren bevorzugt gefertigten Legierungen Ti-47,7 Atom% Al-2 Atom% Nb-2 Atom% Mn-1 Vol. % TiB2, Ti-44,2 Atom% Al- 2 Atom% Nb-1,4 Atom% Mn-2 Vol. % TiB2 sowie Ti-45,4 Atom% Al- 1,9 Atom% Nb-1,6 Atom% Mn-4,6 Vol. % TiB2, lagen die erreichbaren mittleren Korngrößen bei 50 bis 150 pm, d. h. das Gefüge war vergleichsweise fein. Bei einer Legierungsausgestaltung mit Ti-45,4 Atom% Al-1, 9 Atom% Nb-1,4 Atom% Mn-0,1 Vol. % TiB2, lag die mittlere Korngröße bei 1000 um, d. h. das Gefüge war vergleichsweise grob.

Die beiden Legierungen mit einem hohen Anteil von TiB2-Phase, neigen indes bei langsamer Abkühlung nach dem Gussvorgang zur Ausbildung von groben Borid-Ausscheidungen an den Korngrenzen, die sich sehr nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Eine hohe Abkühlgeschwindigkeit

kann nicht angewandt werden, da in diesen Fällen aufgrund thermisch induzierter Spannungen Risse auftreten. Die Boride werden der Vorlegierung im schmelzflüssigen Zustand zugegeben. Um eine unvermeidliche Vergröberung der Boride in der Schmelze möglichst gering zu halten, ist als weitere Fertigungserschwernis die Zeit zwischen Abguss und Einsetzen der Erstarrung kurz zu halten. Neben den prozesstechnischen Schwierigkeiten verschlechtern hohe Borgehalte, die einerseits für eine effektive Kornfeinung geeignet erscheinen, auf der anderen Seite dessen mechanische Eigenschaften.

Es ist bekannt, intermetallische y-TiAI Werkstoffe durch Glühbehandlungen in einen feinkörnigeren Zustand überzuführen, siehe beispielsweise US 5 634 992, US 5 226 985, US 5 204 058 und US 5 653 828. Mittels der dort beschriebenen Glühungen erreicht man eine Kornfeinung, wobei die Korngröße des Gussgefüges die mittels Glühbehandlung günstigstenfalls erreichbare Korngröße vorgibt. Eine aus Anwendersicht ausreichende Kornfeinung ist bei einer über Gusstechnik hergestellten Gefügestruktur letztendlich nicht möglich.

Neben der groben Gefügestruktur beeinflussen auch Gussporen/Gusslunker die mechanischen Eigenschaften von mittels Gusstechnik gefertigtem y-TiAI nachteilig, so dass für die Herstellung technisch brauchbarer Formteile Nachverdichtungsverfahren, wie z. B. heißisostatisches Pressen bzw.

Umformverfahren angewandt werden müssen.

Wegen der oben beschriebenen Schwierigkeiten hat die Herstellung von Formteilen aus intermetallischen y-Titanaluminiden mittels der üblichen Gussverfahren, wie z. B. Feinguss, bisher keine großtechnische Umsetzung erfahren.

Alternativ zur Herstellung mittels Gusstechnik werden endformnahe Formteile, Formteile mit Endform, aber auch Vormaterial für eine weitere umformtechnische Verarbeitung mittels üblicher pulvermetallurgischer Verfahren, wie z. B. heißisostatisches Pressen, hergestellt, siehe beispielsweise US 4 917 858, US 5 015 534 und US 5 424 027. In diesen Fällen werden als Vormaterial üblicherweise mittels Sprühtechnik hergestellte Pulver verwendet.

Pulvermetallurgisch gefertigte Formteile sind deutlich feinkörniger, als nach Gussverfahren gefertigte. Pulvermetallurgisch gefertigtes Material weist jedoch mit Gas gefüllte Poren auf-üblicherweise das bei der sprühtechnischen Pulverherstellung verwendete Schutzgas Argon. Die Poren wirken sich nachteilig sowohl auf das Kriechverhalten, als auch auf das Ermüdungsverhalten aus.

Bei Gussformen aus y-TiAI lässt sich mittels speziell entwickelter Umformverfahren, wie Strangpressen, Schmieden, Walzen und Kombinationen dieser Verfahren, eine zufriedenstellende Kornfeinung erreichen. Im industriellen Maßstab werden heute y-TiAI Legierungen daher üblicherweise aus VAR (Vacuum-Arc-Remelting) Vormaterial, das mittels Umformung und Glühbehandlung in einen feinkörnigen Zustand übergeführt wird, hergestellt, wobei die eigentliche Formgebung im Anschluss an die Warmbearbeitung mittels aufwendiger mechanischer, überwiegend spanbildender Bearbeitung erfolgt.

Die gesamte Fertigungsroute für solche Formteile ist daher teuer und beschränkt aus Kostengründen die mögliche Anwendungsvielfalt.

Es ist danach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gemessen am oben beschriebenen Stand der Technik, einen feinkörnigen, möglichst porenfreien und duktilen Formteil auf Basis von intermetallischem y-TiAI, mittels einer vergleichsweise wirtschaftlichen Verfahrenstechnik bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Formteil aus einer intermetallischen y-TiAI-Legierung mit 41-49 Atom% Al, der eine Korngröße d95< 300 um und ein Porenvolumen < 0,2 Vol. % aufweist und dessen Herstellung zumindest folgende Verfahrensschritte umfasst : - Fertigen eines Halbzeuges unter Einbeziehung eines Umformprozesses, wobei der Umformgrad > 65 % beträgt, - Ausformen des Halbzeuges im Solidus-Liquidus Phasenzustand der Legierung in einem Formwerkzeug unter zumindest zeitweisem Aufbringen von mechanischen Formungskräften.

Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungen des Formteils gemäß Erfindung.

Die Verarbeitung einer Legierung im Solidus-Liquidus Phasenzustand ist ein Semi-Solid Prozess. Üblicherweise werden bei einem Semi-Solid-Prozess teilflüssige Massen in einem thixotropen Zustand verarbeitet. Thixotropie ist die Eigenschaft eines Materials, sich bei Abwesenheit äußerer Kräfte hochviskos zu verhalten, unter der Wirkung von Scherkräften aber eine um mehrere Größenordnungen niedrigere Viskosität anzunehmen. Thixotropes Verhalten ist auf bestimmte Legierungszusammensetzungen und solche Temperaturbereiche beschränkt, bei denen sowohl feste, als auch flüssige Phasenanteile in der Legierung vorliegen. Dabei wird eine Semi-Solid Phase angestrebt, bei der regelmäßige, das heißt möglichst globulare Körner im festen Phaseanteil vorliegen, die gleichmäßig von Schmelze umgeben sind.

Die Formgebung einer Legierung mittels Semi-Solid Prozess als solche ist bekannt.

Üblicherweise werden im Zuge dieses Prozesses schmelzflüssige Legierungen in Anwendung einer der bekannten Rührtechniken, wie MHD (Magneto- Hydrodynamic-Stirring) oder mechanisches Rühren, langsam auf eine Temperatur im Solidus-Liquidus Zweiphasenbereich abgekühlt. Durch das Rühren werden aus der Schmelze ausscheidende Dendriten zerstört. Dabei werden dem Material thixotrope Eigenschaften verliehen und die Ausbildung von globularen Primärkristallen in der festen Phase gefördert. Dieses Verfahren ist in der US 5 358 687 für intermetallische Werkstoffe beschrieben, wobei unter anderen auch TiAI erwähnt ist, im Unterschied zur vorliegenden Erfindung aber eine weitere Formgebung in Einbeziehung von mechanischen Warmumformschritten nicht genannt ist. Die erreichbare Korngröße lag bei > 50 pm.

Diese Technik auf y-TiAI angewandt, lässt indes keine wirtschaftliche Fertigung zu. Bei TiAI ist der mechanische Rührerverschleiß zu hoch.

Ebenfalls schon früher wurde in Halbzeug aus einzelnen Stahllegierungen mittels Strangpressen im Labormaßstab ein Gefüge erzeugt, das bei einer nachfolgenden Weiterverarbeitung im Solidus-Liquidus Zweiphasengebiet

thixotrope Eigenschaften aufwies (Dissertation H. Müller-Späth, RWTH Aachen, 1999). Dort konnten indes keine ermutigenden Qualitäts-und/oder Kostenziele erreicht werden.

Anders als Stahllegierungen sind aber intermetallische Werkstoffe umformtechnisch schwierig zu handhaben. Speziell bei y-TiAI ist die erreichbare Gefügekonsolidierung wenig zufriedenstellend. Dies drückt sich darin aus, dass das umgeformte und dynamisch rekristallisierte Gefüge regelmäßig eine zeilige Struktur und durch Segregation entstandene chemische Inhomogenitäten aufweist.

Für den Fachmann war es daher nicht vorhersehbar, dass gemäß der Erfindung in einem ersten Warmumform-Prozessabschnitt zu Halbzeug umgeformte y-TiAI-Legierungen, nach einem Anwärmen auf eine Temperatur im Solidus- Liquidus Phasengebiet für die weitere formgebende Verarbeitung thixotropes Verhalten zeigen. Voraussetzung ist jedoch ein Umformgrad von > 65 %, wobei dieser Wert folgendermaßen definiert ist : Umformgrad = {(Querschnittsfläche vor der Umformung-Querschnittsfläche im umgeformten Zustand)/Querschnittsfläche vor der Umformung} x 100 [%].

Bei niedrigeren Umformgraden ist das thixotrope Verhalten nicht zufriedenstellend.

Der Nachweis der beschriebenen Vorteile gelang mittels einer Verfahrensroute, die in den Beispielen für einzelnen unterschiedliche y-TiAI-Legierungen näher beschrieben ist.

Mittels VAR (Vacuum Arc Remelting) erzeugtes y-TiAI Vormaterial wurde vorzugsweise durch Strangpressen mit einem Umformgrad > 65 % umgeformt.

Dann wurde das Halbzeug in Gestalt eines grobgeformten Bolzens induktiv auf eine Temperatur zwischen Solidus und Liquidus erwärmt. Das Halbzeug wies in diesem Zustand eine ausreichend hohe"Handlings"-Festigkeit auf, um dieses durch Thixogießen formgebend zu verarbeiten. Dazu wurde es in die Füllkammer einer Druckgussmaschine eingelegt und mit dem Gießkolben in die angrenzende Kokille gedrückt. Bei der dabei auftretenden Scherbelastung bildete sich die Legierung als fließfähige Suspension aus, die sich zur Formung komplex gestalteter Bauteile nutzen ließ. Dieses Eindrücken hat langsam und

frei von Strömungsturbulenzen im Werkstoff zu erfolgen, so dass sich der Werkstoff frei von Poren und Lunkern in der Kokille ausbreitet.

Durch diesen Formgebungsprozess konnte eine mechanische, spanende Bearbeitung entfallen oder stark reduziert werden, so dass neben hervorragender Gefüge-und mechanischer Eigenschaften für die erfindungsgemäßen Formteile auch hohe Wirtschaftlichkeit bei deren Fertigung gegeben war. Im Vergleich zu direkt aus der Schmelze in eine Endform gegossenen Formteilen liegt der Vorteil gemäß Erfindung in der wesentlich feinkörnigeren Gefügestruktur und dem hohen Grad an Porenfreiheit.

Als Maß für die Korngrößen der so gefertigten Formteile wurde die Korngrößenverteilung mittels Linienschnittverfahrens und der d95 Wert ermittelt.

Darunter ist zu verstehen, dass 95 % der ausgewerteten Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der angegebene Wert. Dazu ist anzumerken, dass die d95 Korngröße einen deutlich höheren Zahlenwert ergibt, als dies bei der Angabe in Form der mittleren Korngröße der Fall ist.

Der d95-Wert ist jedoch speziell bei Gefügen mit einem hohen Korngrößenstreubereich der aussagekräftigere Wert. Die erzielbaren dg5- Korngrößen liegen je nach Zusammensetzung des y-TiAI Werkstoffes und des angewandten Semi-Solid Prozess bei Werten < 100 um bis < 300 um.

Solche, zu Vergleichszwecken mittels Feinguss gefertigte und nicht durch Warmumformen weiterbehandelte Formteile zeigen ein zumindest um einen Faktor 5 grobkörnigeres Gefüge als erfindungsgemäß hergestellte Formteile.

Besonders ausgeprägt ist der Korngrößenunterschied, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, Legierungen mit einem Niobgehalt zwischen 1,5 und 12 Atom% verwendet werden. Diese Legierungen zeigen ein um den Faktor 7 bis zu einem Faktor 16 feinkörnigeres Gefüge als bei konventioneller Fertigung mittels Feinguss.

Die besten Resultate konnten mit y-TiAI-Legierungen mit einem Niobgehalt von 5 bis 10 Atom% erreicht werden. Ein zusätzlicher Feinungseffekt wurde durch die Legierungselemente Kohlenstoff und Bor in Gehalten von jeweils bis zu 0,4 Atom% erzielt.

Als brauchbare alternative Ausformungs-bzw. Formgebungsverfahren für die erfindungsgemäßen y-TiAI-Legierungen im Solidus-Liquidus Phasenzustand haben sich das Thixoschmieden und das Thixoquerfließpressen, jede eine an sich bereits bekannte und erprobte Technik, bewährt. Beim Thixoschmieden wird der teilflüssige Bolzen in ein offenes Werkzeug, bzw. Gesenkwerkzeug eingelegt. Die Formgebung erfolgt durch eine anschließende Werkzeugbewegung, zum Beispiel in einer Schmiedepresse.

Das Thixoquerfließpressen stellt eine Abwandlung des Thixogießens dar. Dabei wird der von einem Stempel geschobene Bolzen auf seinem Weg von der Gießkammer zur Kokille bzw. zum Formgebungswerkzeug um einen Winkel von 90° umgelenkt.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Herstellbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1 Die Herstellung des Primärgusses einer Legierung der Zusammensetzung Titan-46,5 Atom% Al-2 Atom% Cr-1,5 Atom% Nb-0,5 Atom% Ta- 0,1 Atom% Bor erfolgte über Vakuum-Lichtbogenschmelzen (VAR). Für das Erreichen einer zufriedenstellenden Homogenität wurde der Gussblock zweimal umgeschmolzen. Der Ingotdurchmesser betrug 210 mm, die Ingotlänge 420 mm.

Der Ingot wurde im gekannten Zustand gemäß vorbekannter Verfahrensbedingungen vorbeschrieben stranggepresst, wobei der Umformgrad 83 % betrug. Ein Bolzenabschnitt der Länge 110 mm wurde anschließend auf eine Temperatur im Solidus-Liquidus Phasenbereich der Legierung von 1460-1470°C erwärmt und in diesem Zustand in einer servohydraulischen Presse in ein geschlossenes Druckgusswerkzeug aus einer Molybdänlegierung gepresst.

Der so hergestellte Formteil, ein zylindrischer Bauteil mit einem mittleren Durchmesser von 40 mm, einer Länge von 100 mm, einem seitlich aufgesetzten Flansch und einer Vertiefung der Abmessung 35 mm x 35 mm x 35 mm im zylindrischen Teil wurde metallographisch untersucht. Die Korngröße d95 betrug 120 um.

Die relative Dichte wurde mittels Auftriebsmethode bestimmt und betrug 99, 98 %.

Zum Vergleich, die Korngröße d95 des zweimal umgeschmolzenen Feingussteiles betrug 1400 um.

Beispiel 2 Analog zur Prozessführung in Beispiel 1 wurde ein Ingot der Legierungszusammensetzung Titan-45 Atom% Al-5 Atom% Nb- 0,2 Atom% C-0,2 Atom% Bor über Vakuum-Lichtbogenschmelzen (VAR) gefertigt und zweimal umgeschmolzen. Der Ingotdurchmesser betrug 210 mm, die Ingotlänge 420 mm.

Der Ingot wurde im gekannten Zustand nach üblichen Verfahren stranggepresst, wobei der Umformgrad 83 % betrug. Ein Bolzenabschnitt mit der Länge von 110 mm wurde auf eine Temperatur von 1460-1480°C erwärmt, die Legierung damit in den Solidus-Liquidus Phasenbereich gebracht und in diesem Zustand in einer servohydraulischen Presse in ein geschlossenes Druckgusswerkzeug aus einer Molybdänlegierung gepresst.

Der so hergestellte Formteil, ein zylindrischer Bauteil mit einem mittleren Durchmesser von 40 mm, einer Länge von 100 mm, einem seitlich aufgesetzten Flansch und einer Vertiefung von 35 mm x 35 mm x 35 mm im zylindrischen Teil wurde metallographisch untersucht. Die Korngröße d95 betrug 75 um.

Die relative Dichte betrug 99,99 %.

Die Korngröße d95 des eingangs gefertigten Feingussteiles hatte 1200 um betragen.

Beispiel 3 Analog dem Prozess von Beispiel 1 wurde ein Primärgussrohling der Legierung Titan-46,5 Atom% Al-2 Atom % Cr-0,5 Atom% Ta-0,1 Atom% Bor über Vakuum-Lichtbogenschmeizen (VAR) hergestellt und zweimal umgeschmolzen.

Der Ingotdurchmesser betrug 170 mm, die Ingotlänge 420 mm.

Der Ingot wurde im gekannten Zustand stranggepresst, wobei der Umformgrad 83 % betrug. Ein Bolzenabschnitt mit der Länge von 110 mm wurde auf eine Temperatur von 1440-1470°C erwärmt und in einer servohydraulischen

Presse in ein geschlossenes Druckgusswerkzeug aus einer Molybdänlegierung gepresst.

Der so hergestellte Formteil, ein zylindrischer Bauteil mit einem mittleren Durchmesser von 40 mm, einer Länge von 100 mm, einem seitlich aufgesetzten Flansch und einer Vertiefung von 35 mm x 35 mm x 35 mm im zylindrischen Teil wurde metallographisch untersucht. Die Korngröße des betrug 220 um.

Die relative Dichte betrug 99,99 %.

Die Korngröße d95 des Feingussteiles hatte 1500 um betragen.

Beispiel 4 Ein Primärgussblock der Legierung Titan-46,5 Atom% Al-10 Atom% Nb wurde entsprechend der Prozessschritte von Beispiel 1 über Vakuum- Lichtbogenschmeizen (VAR) gefertigt und zweimal umgeschmolzen. Der Ingotdurchmesser betrug 170 mm, die Ingotlänge 420 mm.

Der Ingot wurde im gekannten Zustand stranggepresst, wobei der Umformgrad 83 % betrug. Ein Bolzenabschnitt mit der Länge von 110 mm wurde auf eine Temperatur von 1440-1470°C erwärmt und in einer servohydraulischen Presse in ein geschlossenes Druckgusswerkzeug aus einer Molybdänlegierung gepresst.

Der so hergestellte Formteil, ein zylindrischer Bauteil mit einem mittleren Durchmesser von 40 mm, einer Länge von 100 mm, einem seitlich aufgesetzten Flansch und einer Vertiefung von 35 mm x 35 mm x 35 mm im zylindrischen Teil wurde metallographisch untersucht. Die Korngröße d95 betrug 90 um.

Die relative Dichte betrug 99,98 %.

Die Korngröße dg5 des Feingussteiles hatte 1300 um betragen.

Beispiel 5 Der Primärgussblock der Legierung Titan-46,5 Atom% Al-10 Atom% Nb wurde entsprechend Beispiel 1 über Vakuum-Lichtbogenschmelzen (VAR) gefertigt und zweimal umgeschmolzen. Der Ingotdurchmesser betrug 170 mm, die Ingotlänge 420 mm.

Der Ingot wurde im gekannten Zustand stranggepresst, wobei der Umformgrad 72 % betrug. Ein Bolzenabschnitt mit der Länge von 110 mm wurde auf eine Temperatur von 1440-1470°C erwärmt und in einer servohydraulischen

Presse in ein geschlossenes Druckgusswerkzeug aus einer Molybdänlegierung gepresst.

Der so hergestellte Formteil, ein zylindrischer Bauteil mit einem mittleren Durchmesser von 40 mm, einer Länge von 100 mm, einem seitlich aufgesetzten Flansch und einer Vertiefung von 35 mm x 35 mm x 35 mm im zylindrischen Teil wurde metallographisch untersucht. Die Korngröße dg5 betrug 170 um.

Die relative Dichte betrug 99,98 %.

Die Korngröße d95 des Feingussteiles hatte 1300 um betragen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Bevorzugte Anwendungsbereiche für Formteile gemäß Erfindung sind die Automobilindustrie, z. B. Getriebe-und Motorteile, aber auch Teile für stationäre Gasturbinen und für die Luft-und Raumfahrt, z. B. Turbinenkomponenten.