AT391882B - Verfahren zur waermebehandlung von alpha/beta-ti- legierungen und verwendung einer sprueheinrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Nr. 391 882

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von α/ß-Ti-Legierungen bzw. Vorformmaterial bzw. Vorformteilen mit beispielsweise einem Gehalt von im wesentlichen 6 Gew.-% Al, im wesentlichen 4 Gew.-% V und den herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei die erschmolzene Legierung bzw. das Vormaterial bzw. der Vorformteil gegebenenfalls nach einer Vorverformung, z. B. Schmieden, zur Einstellung eines Verformungsgefüges mit einer lamellaren Matrix aus α + ß-Phase bei einer Temperatur von 1040 - 1060 °C zur Einstellung der ß-Phase geglüht wird, wobei durch eine erste Abkühlung eine Gefügeumwandlung in feinlamellares α + ß-Gefüge oder α'-Gefüge (feinstes a + ß-Gefüge) vorgenommen wird, wonach im Zuge einer Warmverformung im Ausmaß von mindestens 60 % Verformungsgrad bei etwa 850 - 960 °C bzw. einer Temperatur von etwa 30 bis 50 °C unterhalb der Umwandlungs- bzw. Transitus- bzw. Transustemperatur der Legierung, gegebenenfalls von 980 -1000 ®C, eine hohe Versetzungsdichte ausgebildet wird, worauf, gegebenenfalls nach einer weiteren Abkühlung, eine kontrollierte Rekristallisation bzw. Gefügeeinstellung durch eine Wärmebehandlung bei etwa 950 °C erfolgt und eine ß-Matrix mit fein verteilter globulitischer α-Phase eingestellt wird, wobei im Zuge einer folgenden Abkühlung ein weitgehend martensitischer Zerfall der ß-Matrix erreicht wird, wobei in einem folgenden Glühvorgang die martensitische Matrix in eine lamellare α + ß-Phase übergeführt wird.

Bei diesen bekannten Verfahren kommt es insbesondere darauf an, daß das erste Abschrecken nach dem Glühen, mit dem der Ausgangszustand (α-Phase in α + ß-Matrix) von der ß-Phase entsprechend rasch und geführt vorgenommen wird, um eine möglichst gleichmäßige und feinkristalline Gefügestruktur in Form von martensitischem α'-Gefüge und/oder in Form einer feinlamellaren α + ß-Phase zu erreichen und Wärmespannungen, die zu Rissen führen, zu vermeiden. Bisher konnte ein optimales Gefüge in rißfreien Teilen aufgrund nicht entsprechender Abschreckbedingungen gerade in dieser wichtigen Abschreckphase, insbesondere bei großen Querschnitten, nicht erreicht werden.

Das Abschrecken von metallurgischen Produkten durch Eintauchen in Kühlmedien, z. B. Wasser, Öl usw. bzw. durch Besprühen mit Kühlmedien, z. B. Flüssigkeiten, Gas-Flüssigkeitsgemischen usw. ist z. B. aus der DE-Al-3 101 319, der DD-B1-153 559 bzw. der FR-Al-25 24 001 bekannt. Eine Anwendung dieser Methoden auf spezielle Legierungen bzw. ihr Einsatz für spezielle Abkühlungstufen ist diesen Druckschriften jedoch nicht zu entnehmen.

Erfmdungsgemäß wird nunmehr vorgesehen, daß zumindest die erste Abkühlung und gegebenenfalls auch wenigstens einer der weiteren Abkühlschritte durch Besprühen des Vormaterials bzw. des Vorformteiles mit Wasserstrahlen und/oder Wasser-Luft-Gemischen vorgenommen wird. Damit ist es möglich, gerade in diesem für die Gefügeausbildung wesentlichen Abkühlungsschritt eine hohe einstellbare Abkühlungsgeschwindigkeit und eine gleichmäßige Temperaturabnahme über der gesamten Oberfläche des Materials zur Vermeidung von Spannungen und Rißbildung zu erreichen. Bevorzugt ist es, wenn beim Absprühen darauf geachtet wird, daß während des Absprühvorganges kein Oberflächenbereich des abzukühlenden Vorformteiles länger als 1 Sekunde unbesprüht bleibt. Durch das Absprühen wird auf der gesamten Oberfläche eine gleichmäßige, regelbare Abkühlung mit großer Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht. Unregelmäßigkeiten aufgrund von Dampfblasen (Leidenfrost-Phänomen), die bei einem durch Eintauchen erfolgenden Abkühlen auftreten, werden vermieden. Durch die gleichmäßg über die Oberfläche erfolgende Temperaturabnahme werden Wärmespannungsrisse vermieden. Aufgrund der hohen aber steuerbaren Abkühlungsgeschwindigkeit kann eine optimale Gefügeumwandlung bzw. -einstellung erreicht werden. Diese Tendenz wird dadurch unterstützt, daß das Gefüge des Materials von seiner abgekühlten Oberfläche aus bedingt durch die Kontraktion des intensiven Abkühlungsvorganges unter großen sich gleichmäßig verteilenden Druck gesetzt wird, der die Gefügeausbildung in Richtung der Ausbildung eines feinen Kornes unterstützt. Zur gleichmäßigen und raschen Abkühlung trägt auch bei, daß kein Bereich der Oberfläche länger als 1 Sekunde unbesprüht bleibt. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das vorzugsweise stangenförmige Vormaterial während des Absprühens mit 1 - 20, vorzugsweise 4 - 10, Umdrehungen pro Minute vor den Wasserstrahlen rotiert wird.

Zur Verbesserung der gewünschten Gefügeeinstellung kann es vorteilhaft sein, wenn der Absprühvorgang intermittierend durchgeführt wird und die Zeitdauer der Unterbrechungen in Abhängigkeit von der Rück-Wärmung gewählt wird. Bevorzugt ist es, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit als Funkion des Wasserdruckes und/oder der Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Zeitdauer des gegebenenfalls intermittierend geführten Absprühvorganges gesteuert wird.

Zweckmäßigerweise wird zur Durchführung des Verfahrens eine Sprüheinrichtung verwendet, die mindestens drei Spritzleisten aufweist, die vorzugsweise symmetrisch um den Aufhahmeraum für den abzusprühenden Vorformteil angeordnet sind, und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Rotation des vorzugsweise stangenförmigen Vorformteiles vorbei an den Spritzleisten umfaßt. Derartige Einrichtungen sind an sich bekannt, haben sich aber als ganz besonders gut geeignet erwiesen, die für ein optimales Gefüge erforderlichen Abkühlungsbedingungen für die erwähnte Titanbasis-Legierung zu erreichen bzw. einzustellen.

Auch die weiteren im Zuge der Behandlung der Legierung vorzunehmenden Abkühlungsschritte sind mit der erfindungsgemäß verwendeten Sprüheinrichtung leichter beherrschbar und hinsichtlich der Gefügeeinstellung optimierbar. Es ist somit möglich, einen, mehrere oder alle weiteren Abkühlungsschritte mit einer Sprüheinrichtung durchzuführen. Gerade bei dieser Legierung ist eine exakte Führung der Abkühlung von besonderer Bedeutung. -2-

Nr. 391 882

Das erfindungsgemäß erreichte Gefüge besitzt eine gleichmäßige Komverteilung mit Körnern < 10 μιη Durchmesser und die Phasenanteile an α-Phase und lamellar verteilter ß-Phase liegen gleichmäßig über das Material verteilt gegebenenfalls im Verhältnis von etwa 50 : 50 vor.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können strukturell verbesserte Vormaterialien z. B. für Turbinenschaufeln, Zellen für Luft- und Raumfahrzeuge, Schrauben, Bolzen, insbesondere auf Ermüdung beanspruchte Bauteile, usw. hergestellt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorgangsweise ist es möglich, bei gegenüber herkömmlichen Abmessungen vergrößerte Abmessungen besitzenden Vormaterialien die gewünschte Gefügestruktur zu erzielen, da aufgrund der erzielbaren höheren Abkühlungsgeschwindigkeit und allenfalls genauer Einregelung z. B. größeren Durchmesser auf weisende Vorfannteile gezielt behandelt werden können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ersetzbaren Sprühvorrichtungen dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Sprühdüse, Fig. 2 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform, Fig. 3 und 4 eine Draufsicht und einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform und Fig. 5 und 6 mögliche Anordnungen von Sprühdüsen in Sprühanlagen.

In Fig. 1 ist eine Sprühdüse (1) bekannter Bauart dargestellt, mit der Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, mit kegeligem Strahl auf den abzukühlenden Vorformteil gespritzt wird. Mit zugeführter Luft mit einem regelbaren Druck von z. B. bis 5 bar wird die Geschwindigkeit und gegebenenfalls die Verteilung der Wasserteilchen, die mit einem Druck von bis zu 5 bar ausgesprüht werden, erhöht bzw. die Geschwindigkeit kann damit eingeregelt bzw. erhöht werden. Die Düse ermöglicht in einem Abstand (L) das Besprühen einer Fläche mit einer definierten Abmessung (D). Der Abstand Düse-Vorformteil wird entsprechend eingestellt, sodaß ein von den Abmessungen des Vorformteiles abhängiger Oberflächenbereich mit entsprechendem Druck besprüht werden kann.

Fig. 2 zeigt einen zylindrischen Vorformteil (2), der zentrisch zu drei Düsen (1), bzw. zu horizontalen Spritzleisten (4) ähnlich Fig. 3 zusammengefaßten Düsen (1) angeordnet ist und auf Rollen (3) rotiert wird. Die Strahlen des Kühlmediums treffen entsprechende Mantelflächenbereiche des Vorformteiles (2), durch Einstellung des Sprühwinkels und/oder der Rotationsgeschwindigkeit kann der Abkühlvorgang geregelt werden.

Fig. 3 zeigt eine vertikal angeordnete Spritzleiste (4) mit einer Anzahl von Düsen (1), deren Abstand in bezug auf den zylindrischen Vorformteil (2) hündisch oder maschinell veränderbar ist Entsprechend Fig. 4 sind drei Spritzleisten (4) um den Vorformteil angeordnet Der Vorformteil (2) hängt von einer Trageinrichtung (5) ab, von der er rotiert wird, sodaß die gesamte Mantelfläche abgesprüht wird. Mit (6) ist eine Einrichtung zur Regelung der Menge und des Druckes der Spritzflüssigkeit und der Preßluft, mit (7) eine Verstelleinrichtung für die Spritzleiste und mit (8) eine Regeleinrichtung für die Rotationsgeschwindigkeit bezeichnet. Die einzelnen Einrichtungen sind nur angedeutet.

Fig. 5 und 6 zeigen die Anordnung von drei bzw. vier Spritzleisten (4) zur Abkühlung eines Vorformteiles (2) mit quadratischem Querschnitt. Auch hier erfolgt eine Anpassung der Sprühparameter an die Form des Vorformteiles und die gewünschten Abkühlungsparameter, wobei die Rotation des Materials, welches Vierkantquerschnitt aufweist, bei 4-Düsenbeaufschlagung (Fig. 6) unterbleiben kann.

Bei geformten Vorformteilen können die Sprühparameter einzelner Düsen der Spritzleisten an die Längsform des Vorformteiles angepaßt werden, sodaß z. B. Bereiche geringen Durchmessers weniger besprüht weiden, um die Abkühlungsgeschwindigkeit in diesen Bereichen an diejenige mit größerem Durchmesser anzupassen. Auch die Durchführung eines gesteuerten intermittierenden Absprühens ermöglicht eine Anpassung der Sprüheinrichtung an verschiedene Vorformteile.

In einem Versuch wurde eine Legierung der Zusammensetzung 6,03 Gew.-% Al, 4,03 Gew.-% V, 0,012 Gew.-% C, 0,006 Gew.-% H, 0,024 Gew.-% N, 0,14 Gew.-% 0,0,14 Gew.-% Verunreinigungen, Rest Ti erschmolzen und entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren Formteile hergestellt. Vergleichsversuche mit Formteilen, die durch Eintauchen in Wasser abgeschreckt wurden, ergäben, daß erfindungsgemäße Formteile mit gegenüber den durch Eintauchen wasserabgeschreckten Formteilen bei doppeltem Durchmesser noch immer ein feineres Gefüge und entsprechend bessere Kenndaten bzw. Prüfwerte als diese besaßen.

Vorteilhaft verwendbare α/ß-Ti-Legierungen (VEW L 531) besitzen eine Zusammensetzung von max. 0,08 Gew.-% C, 6 Gew.-% Al, 4 Gew.-% V, Rest Ti und Verunreinigungen bzw. bei max. 0,08 Gew.-% C einen V-Gehalt von 3,5-4,5 Gew.-%, einen Al-Gehalt von 5,5-6,5 Gew.-%, max. 0,3 Gew.-% Fe, max. 0,05 Gew.-% N, max. 0,008 Gew.-% H, max. 0,20 Gew.-% O, Rest Ti (etwa 89,60 Gew.-%) und Verunreinigungen (max. 0,40 Gew.-%). -3-

Claims (7)

1. Nr. 391 882 PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Wärmebehandlung von α/ß-Ti-Legierung bzw. Vorformmaterial bzw. Vorformteilen beispielsweise mit einem Gehalt von im wesentlichen 6 Gew.-% Al, im wesentlichen 4 Gew.-% V und den herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei die erschmolzene Legierung bzw. das Vormaterial bzw. der Vorformteil gegebenenfalls nach einer Vorverformung, z. B. Schmieden, zur Einstellung eines Verformungsgefüges mit einer lamellaren Matrix aus α + ß-Phase bei einer Temperatur von 1040 bis 1060 °C zur Einstellung der ß-Phase geglüht wird, wobei durch eine erste Abkühlung eine GefügeumWandlung in feinlamellares α+ß-Gefüge oder α’-Gefüge (feinstes a + ß-Gefüge) vorgenommen wird, wonach im Zuge einer Warmverformung im Ausmaß von mindestens 60 % Verformungsgrad bei etwa 850 bis 960 °C bzw. einer Temperatur von etwa 30 bis 50 °C unterhalb der Umwandlungs-Transitus- bzw. Transustemperatur der Legierung, gegebenenfalls von 980 bis 1000 °C, eine hohe Versetzungsdichte ausgebildet wird, worauf, gegebenenfalls nach einer weiteren Abkühlung, eine kontrollierte Rekristallisation bzw. Gefügeeinstellung durch eine Wärmebehandlung bei etwa 950 °C erfolgt und eine ß-Matrix mit fein verteilter globulitischer a-Phase eingestellt wird, wobei im Zuge einer folgenden Abkühlung ein weitgehend martensitischer Zerfall der ß-Matrix erreicht wird, wobei in einem folgenden Glühvorgang die martensitische Matrix in eine lamellare α + ß-Phase übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste Abkühlung und gegebenenfalls auch wenigstens einer der weiteren Abkühlschritte durch Besprühen des Vormaterials bzw. des Vorformteiles mit Wasserstrahlen und/oder Wasser-Luft-Gemischen vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Absprühen darauf geachtet wird, daß während des Absprühvorganges kein Oberflächenbereich des abzukühlenden Vorformteiles länger als 1 Sekunde unbesprüht bleibt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise stangenförmige Vormaterial während des Absprühens mit 1 bis 20, vorzugsweise 4 bis 10, Umdrehungen pro Minute vor den Wasserstrahlen bzw. Wasser-Luft-Strahlen rotiert wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absprühvorgang intermittierend durchgeführt wird und die Zeitdauer der Unterbrechungen in Abhängigkeit von der Rückwärmung gewählt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit als Funktion des Wasserdruckes und/oder der Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Zeitdauer des gegebenenfalls intermittierend geführten Absprühvorganges gesteuert wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei eckigen Querschnitt besitzenden Vorformteilen jeder Fläche eine Spritzleiste zugeordnet wird, mit der die jeweilige Fläche zur Gänze bzw. vollständig besprüht wird.
7. 7. Verwendung einer Sprüheinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie vorzugsweise mindestens drei Spritzleisten aufweist, die vorzugsweise symmetrisch um den Aufnahmeraum für den abzuspritzenden Vorformteil angeordnet sind, und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Rotation des vorzugsweise stangenförmigen Vorformteiles vorbei an den Spritzleisten umfaßt. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -4-