CH631211A5 - Waermebehandlung von titanlegierungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Titanlegierungen.

Bei der Herstellung der Rotorschaufeln von Dampfturbinen und ähnlichem, insbesondere von Grossturbinen und schnellaufenden Turbinen, ist es höchst wünschenswert einen Werkstoff mit grosser spezifischer Festigkeit und hoher innerer Reibung zu verwenden, weil ein solcher Werkstoff die auf die Rotoren einwirkenden Kräfte vermindern und auch einen Ermüdungsbruch der Schaufeln verhindern. Die vorliegende Erfindung befasst sich besonders mit Verbesserungen von Wärmebehandlungen von a+ß-Titanlegierungen, welche diesen Ansprüchen entsprechen.

Die Rotorschaufeln von Dampfturbinen und ähnlichem müssen gegen einen Ermüdungsbruch, der durch Schwingungen während des Betriebes auftritt, geschützt werden. Um die aus den Schwingungen hervorgehenden Kräfte zu vermindern, ist es theoretisch lediglich notwendig, die Resonanzen der Schaufeln auszumerzen. Jedoch ist es praktisch unmöglich, Schaufeln zu entwerfen, die bei jeder Schwingungsweise keine Resonanz aufweisen. Daher wird als Kompromiss entweder eine Schaufel entworfen, die schwierig in Resonanzschwingungen zu versetzen ist oder derart, dass die Schwingungen, die bei der Resonanz auftreten, gedämpft werden. Letzteres wird in verschiedenen Weisen erzielt. Eines der Verfahren ist, die Schwingungsenergie in thermische Energie umzuwandeln und diese innerhalb des Werkstoffes zu verteilen, d. h. die Schwingungen mittels der inneren Reibung zu dämpfen. Dieses ist als sehr vorteilhaft zum Verkleinern der Schwingungen erzeugenden Kräfte gewesen. Dieses Verfahren ist allgemein unter «Werkstoffdämpfen» bekannt. Metalle, die ausreichend gute Eigenschaften zum Werkstoffdämpfen aufweisen, werden mit Vorteil zum Herstellen von Maschinen und Maschinenteilen verwendet, welche dazu neigen, im Betrieb Schwingungen zu erzeugen, die zu Ermüdungsbrüchen führen können. Gegenwärtig werden verschiedene solcher Metalle verwendet, beispielsweise ein 13% Cr-Stahl, wie beispielsweise der AISI-Typ 403, und eine Co-Legierung, die unter dem Handelsnamen «Nivco-10» bekannt ist. Eiij gemeinsamer Nachteil dieser Werkstoffe ist ihre kleine Streckgrenze, wenn mit einer bleibenden Dehnung von 0,2% gemessen, welche einen Wert von höchstens 80 kg/mm2 aufweist. Dem 13% Cr-Stahl kann eine grössere Festigkeit gegeben werden, ohne dass eine spürbare Einbusse seiner Duktiliät und Zähigkeit in Kauf genommen werden muss, indem er einer zweckdienlichen Wärmebehandlung unterworfen wird oder indem eine zweckdienliche Steuerung seiner Zusammensetzung durchgeführt wird. Andererseits vermindert jedoch die Zunahme an Festigkeit die Dämpfungsfähigkeit des Werkstoffes äusserst stark, wie es beispielsweise mittels des Werkstoffs C (in der gestrichelten Linie, die die «x»-Marken verbindet) der Fig. 3 gezeigt ist. Die ursprüngliche, hohe Dämpfungswirkung kann nicht mehr erwartet werden. Im Diagramm sind die Werkstoffdämpfungsfähigkeiten der Proben, welche durch Verwendung von stimmgabelförmigen Prüflingen erhalten wurden, dargestellt, und in der Form von logarithmischen Dekrementen gegen spezifische Festig-3 keiten aufgetragen.

In der Fig. 3 sind die Verhältnisse zwischen den 0,2% Streckgrenzen verschiedener Werkstoffe (als spezifische Festigkeit in der Abszisse angegeben) und den logarithmischen Dekrementen ( 8) angegeben, wobei die Schwingungsspannung 10 10 kg/mm2 beträgt. Die Dekremente des AISI-Typ 403 Stahls sind auf den numerischen Werten basiert, die aus der Literatur hervorgehen (W.C. Hagel und J.W. Clark, Journal of Applied Phy-sics, September 1957, Seiten 426-430). Weil die ursprünglichen Messwerte in der Form von Dekrementen in bezug auf Streck-15 grenzen angegeben werden, die mit einer bleibenden Dehnung von 0,02 anstatt 0,2% gemessen wurden, wurden die Streckgrenzenwerte des vorliegenden Diagrammes zur Vereinfachung des Vergleiches umgerechnet, indem zu jedem Wert der 0,02% Streckgrenze, die in der genannten Literaturstelle ange-20 geben ist, 7 kg/mm2 hinzugefügt wurde.

Gegenwärtig besteht eine wachsende Neigung zur Herstellung von Grossturbinen grösserer Leistung und von schnellaufenden Turbinen noch höherer Drehzahl, so dass Werkstoffe mit besseren mechanischen Eigenschaften und Dämpfungsfä-25 higkeiten als die vorhandenen zur Herstellung der Schaufeln der Turbinen notwendig sind, insbesondere zur Anwendung bei den Niederdruckstufen der Turbinen.

Handelsüblich erhältliche Titanlegierungen, die einem Vergüten, Anlassen oder Altern in einem Bas ausgesetzt worden 30 sind, weisen grössere spezifische Festigkeiten auf, und auf Grund ihrer vorteilhaften Auswirkungen, beispielsweise einer Verminderung von auf die Rotoren einwirkenden Kräfte, ist es anzunehmen, dass sie zukunftsversprechende Werkstoffe für die Schaufeln von grösseren und schneller laufenden Turbinen 35 der Zukunft sein werden. Bei dieser Beschreibung der Erfindung wird der Ausdruck «Bad-Alterungsbehandlung» verwendet, um eine Folge von Wärmebehandlungen zu beschreiben, die üblicherweise beispielsweise mit der Ti-6A1-4V-Legierung durchgeführt werden, wobei das Metall während einer Stunde 40 auf 925 °C erwärmt gehalten wird, mit Wasser abgeschreckt wird und während einer Zeitspanne von 4 Stunden auf eine Temperatur von 500 °C wieder erwärmt wird, und dann endlich der wärmebehandelte Werkstoff gealtert wird. Jedoch würde die Ti-6A1-4V-Legierung, welche gegenwärtig die am verbrei-45 tetsten verwendete Titanlegierung ist, nur eine begrenzte Dämpfungsfähigkeit aufweisen, wenn sie in dieser Weise behandelt würde, was heisst, dass sie in dieser Beziehung entschieden schlechter als der AISI-Typ 403 Stahl ist.

In Anbetracht dieser Tatsache haben wir früher ein Verfah-50 ren erfunden, um die Dämpfungsfähigkeit der bestehenden a+ß-Titanlegierungen zu verbessern, indem diese Legierungen im Bereich der a+ß-Phase erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten werden, und in einem Temperaturbereich oberhalb 500 °C gehalten wird und dann diese abgeschreckt wird. Eine 55 Patentanmeldung für dieses Verfahren wurde in Japan unter der Anmeldungsnummer 3072/74 hinterlegt. Dann ist gefunden worden, dass die vorhandenen a+ß-Titanlegierungen, einschliesslich beispielsweise der Ti-Gal-4V-Legierung, einen grossen Teil ihrer verbesserten Dämpfungsfähigkeiten verlieren, 60 und teilweise thermisch instabil werden, wenn sie nach dem Härten auf 100 °C oder mehr erwärmt werden und diese Temperatur für eine gewisse Zeitspanne beibehalten wird. Um diese Nachteile zu beheben, haben wir a+ ß-Titanlegierungen der Ti-Al-V-Mo-Gruppe erfunden, die eine grössere thermische Stabi-65 lität und bessere Dämpfungsfähigkeit aufweist und grössere absolute Werte der Dämpfungsfähigkeit im Vergleich zu bekannten Legierungen erfunden, und haben ebenfalls ein Verfahren zur Wärmebehandlung zur Erzeugung solcher verbes-

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serter Legierungen erfunden, d. h. ein Verfahren, gemäss dem der Dehnbarkeit auftritt.

die Ursprungslegierungen von einem Temperaturbereich, der In dieser Beschreibung ist mittels des Ausdruckes «spezifi-

unterhalb des a+ß/ß-Umwandlungspunktes liegt, um 125 °C sehe Festigkeit» folgendes gemeint.

abgeschreckt werden. Diese neuen Legierungen und Verfahren Bei Beibehaltung der 0,2% Streckgrenze würden Werksind in unserer japanischen Patentanmeldung Nr. 49056/76 ent- 5 stoffe mit unterschiedlichen spezifischen Gewichten, wenn sie halten. beispielsweise in Form von Rotorschaufeln hergestellt sind,

Unsere zwei, oben kurz beschriebene Erfindungen, weisen unterschiedliche zulässige maximale Halbmesser und zulässige den gemeinsamen Nachteil einer verminderten 0,2% Streck- maximale Winkelgeschwindigkeiten aufweisen. Daher, falls grenze trotz der vergrösserten Dämpfungsfähigkeit auf, d. h. nun angenommen wird, dass alle Werkstoffe dasselbe spezifi-eine Verminderung der spezifischen Festigkeit, welches ein io sehe Gewicht aufweisen, beispielsweise das eines typischen, wichtiger Vorteil ist, der allgemein den Titanlegierungen zuge- zur Herstellung von Rotorschaufeln verwendbaren Stahls schrieben ist. (wobei dieser in dieser Beschreibung durch den rostfreien Stahl

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, unsere früher vor- der AISI Nr. 403 oder Typ-403-Stahl vertreten ist) könnten ihre geschlagenen Verfahren zur Wärmebehandlung zu verbessern 0,2% Streckgrenzen, die entsprechend wieder berechnet wür-und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Titanlegierun- is den (nachfolgend zur Kürze als «spezifische Festigkeit»

gen zu schaffen, so dass Legierungen mit verbesserter Dämp- bezeichnet) einfach mit der spezifischen Festigkeit eines AISI-fungsfähigkeit und verbesserter spezifischer Festigkeit erhal- Typ-403-Stahles verglichen werden (welche natürlich gleich ten werden können. der fundamentalen 0,2% Streckgrenze sein kann), um die Ver-

Das Verfahren zur Wärmebehandlung von Titanlegierun- wendbarkeit der einzelnen Werkstoffe vom Gesichtspunkt gen ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine 20 ihrer mechanischen Eigenschaften zur Herstellung von Schau-a+ß-Titanlegierung zu einer Temperatur über 500 °C erwärmt fein zu prüfen.

wird und diese Temperatur beibehalten wird, welche Tempera- Nun sei angenommen, dass die 0,2% Streckgrenze und das tur unter dem a+ß/ß-Umwandlungspunkt liegt, dass die Titanle- spezifische Gewicht eines gegebenen Werkstoffes aY bzw. p gierung abgeschreckt wird, und dass sie bei einer tiefen Tempe- sei, und es sei angenommen, dass ein sich drehender Körper aus ratur im Bereich zwischen 50 und 300 °C gealtert wird. 25 diesem Stoff hergestellt ist. Dann ergibt sich für die Fliehkraft a

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der des drehenden Körpers folgende Beziehung Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 Diagramme, bei welchen die Abhängigkeiten a = f- p-r- ®2... (1)

zwischen den Wechselspannungen und die logarithmischen

Dekremente ( 8) von a+ß-Titanlegierungen gezeigt sind, die 30 wobei f = Formfaktor, r = Drehradius, co = Winkelgeschwin-gemäss dem Verfahren der vorliegenden Erfindung und gemäss digkeit anderen Erfahrungen wärmebehandelt worden sind, und Betrachtet man die Abhängigkeit zwischen Festigkeit und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit zwischen den Fliehkraft dieses Werkstoffes gemäss der Beziehung (1) wird spezifischen Festigkeiten und logarithmischen Dekrementen die maximal zulässige Winkelgeschwindigkeit o)max dieses ( 8) von a+ß-Titanlegierungen, die mittels des vorliegenden Ver-35 Werkstoffes cömax2 = 2/fr- aY/ p sein. Nun nehme man an, dass fahren wärmebehandelt wurden, und eines Bezugsstoffes die drehenden Körper dieselbe Aussenform aufweisen, dann gezeigt sind. wird der Quadratwert der zulässigen maximalen Winkelge-

Der Mechanismus der Eigendämpfungsfähigkeit der schwindigkeit proportional zum aY/ p dieses Stoffe sein. Je a+ß-Titanlegierungen, die gemäss des Erfindungsgedankens höher dieser Wert ist, desto schneller kann der sich drehende wärmebehandelt worden sind, kann wie folgt erklärt werden. 40 Körper gedreht werden. Auch, falls die Winkelgeschwindigkeit

Es ist bereits erwähnt worden, dass eine a+ß-Titanlegie- gleich ist, kann die Grenze des Radius rmax des sich drehenden rung seine verbesserte Dämpfungsfähigkeit erhält, wenn sie Körpers aus der Beziehung ( 1 ) erhalten werden, wobei dieser von einem gewissen Temperaturbereich, beispielsweise im rmax = 1/f cd2* aY/ p ist. Je grösser dieser Wert ist, desto länger a+ß-Phasenbereich und nicht unterhalb 500 °C abgeschreckt kann der Radius des sich drehenden Körpers sein, weil rmax prowird. Die vorteilhafte Auswirkung geht aus der Tatsache her- 45 portional zum aY/ p ist. In Kürze, dass aY/ p dient als Grund-vor, dass das Abschrecken ermöglicht, dass die metastabile läge, auf welcher die Auswertung der Güte oder Verwendbar-ß-Phase der Legierung sogar bei Raumtemperatur bestehen keit eines Werkstoffes zur Herstellung eines drehenden Körbleibt. Beim Erreichen dieser Auswirkung spielen die isomor- pers beruht ist. Die Beziehung ( 1 ) kann dann wie folgt geändert phen ß-Stabilisatoren, die in der a+ß-Titanlegierung vorhanden werden sind, eine wichtige Rolle. Jedoch ist die thermische Stabilität 50

dieser metastabilen ß-Phase derart, dass angenommen wird, er Y• pFe/ p = f • pFe • r • co2... (2)

dass die Zersetzung gemäss eines I I I (Time-Temperature-

Transformation, d. h. Zeit-Temperatur-Umbildung) Diagram- wobei pFe das spezifische Gewicht des Stahles AISI-Typ 403 ist. mes vor sich geht, wobei ein ausgebuchteter Bereich der Kenn- Die rechte Seite der Beziehung (2) bezeichnet die Fliehkraft linie bei einer verhältnismässig tiefen Temperatur von 300 °C 55 irgendwelcher sich drehenden Körpern, die aus einem Werkvorhanden ist, und während dieser Zeitspanne ist es zeitweilig Stoff hergestellt sind, der dasselbe spezifische Gewicht aufmöglich, dass die Legierung durch Ausscheidung der co-Phase weist, wie der Stahl 403, und welche Körper dieselben Aussen-spröde wird. Dieses bei tiefer Temperatur durchgeführte formen und dieselbe Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Die

Altern zersetzt die metastabile ß-Phase, auf welcher die Dämp- linke Seite bezeichnet die maximale Spannung, die für diesen fungsfähigkeit der a+ß-Titanlegierung grösstenteils beruht, und m Werkstoff zugelassen ist, wenn angenommen ist, dass er das-ändert einen Teil der Metallstruktur zur stabileren a+ß-Phase selbe spezifische Gewicht wie der Typ 403 Stahl aufweist, d. h. um. Folglich erreicht die Legierung wieder ihre 0,2% Streck- die 0,2% Streckgrenze des gegebenen Werkstoffes, die in den grenze, obwohl ihre Dämpfungsfähigkeit in einem gewissen Wert des gegebenen Werkstoffes umgerechnet wird, dieselbe Ausmasse geopfert ist. Während des Alterns kann eine Aus- ist, wie das spezifische Gewicht des Typs 403 Stahl. Um dann Scheidung der to-Phase, einer Übergangsphase stattfinden. 65 die 0,2% Streckgrenze eines gegebenen Werkstoffes, der von Sollte dieses auftreten, würde die 0,2% Streckgrenze merkbar den üblichen Stählen, beispielsweise dem 403 Stahl, zur Anwen-verbessert werden, jedoch würde die Legierung sehr spröde dung für Turbinenschaufeln verschieden ist, zu beurteilen, ist es werden, wobei eine scharfe Abnahme der Bruchdehnung und bequem die Festigkeit als ctY• pFe/ p auszudrücken, d. h. als

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wiederberechnet auf der Annahme, dass der Werkstoff dieselbe spezifische Dichte aufweist, wie der 403 Stahl (wobei die das spezifisiche Gewicht anderer Stahlwerkstoffe, die zur Herstellung Dampfturbinenschaufeln benützt werden, nicht wesentlich von demjenigen des Typ 403 Stahles abweichen). Aus Gründen der Einfachheit wird in dieser Beschreibung dieser Wert als «spezifische Festigkeit» bezeichnet. Es geht daraus hervor, dass ein einfacher Vergleich der spezifischen Festigkeit eines gegebenen Materials mit der des 13% Cr Stahles, der heute am weitesten verbreitet verwendet wird, beispielsweise der AISI Typ 403 Stahl (wo p = pFe ist und daher natürlich das spezifische Gewicht gleich der 0,2% Streckgrenze), es in einfacher Weise zulässt, dass die Verwendbarkeit des gegebenen Werkstoffes zur Herstellung von Rotoren vom Standpunkt seiner mechanischen Eigenschaften aus beurteilt werden kann.

Das Verfahren der Erfindung wird nun im einzelnen mittels der folgenden Beispiele erläutert.

Je 100 kg einer a+ß-Titanlegierung mit zwei unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, wie es mittels der Symbole A und B in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurden getrennt mittels einem Unterdruck-Lichtbogenschmelzen mit einer 5 abschmelzenden Elektrode geschmolzen. Die Blöcke wurden dann auf eine Querschnittsform von 55x55 mm mittels eines ß-Schmiedens geschmiedet, und dann in einer Querschnittsabmessung von 20x30 mm, wobei bei jedem ein a+ß-Schmieden durchgeführt wurde. Die Prüflinge, die in dieser Weise erhalten 10 wurden, wurden in den weiteren unten beschriebenen Prüfungen verwendet. Zusätzlich ist in der Tabelle 1 mittels des Symboles C eine übliche chemische Zusammensetzung eines AISI-Typs 403 Stahl gegeben, als Vertretung eines 13% Cr-Stahles, der weitverbreitet zur Herstellung von Dampfturbinenschau-15 fein verwendet wird.

Tabelle 1

Symbol

Werkstoff

AI

V Mo

Fe

C

O

N

H

Ti

A

TÌ-6A1-4V

6,35

4,20

0,204

0,014

0,189

0,0027

0,0021

Rest

B

TÌ-6A1-4V

6,09

4,25 3,13

0,260

0,018

0,103

0,0050

0,0058

Rest

Symbol Werkstoff

C Si

Mn

Ni Cr

Fe

C

AISI Nr. 403

0,12 0,26

0,54

0,38 12,05 Rest

Anmerkung: Alle Werte sind in Gew.-%.

Nachfolgend werden nun die vorteilhaften Auswirkungen unserer früherer Erfindungen auf die Dämpfungsfähigkeiten der Titanlegierungen, die in den japanischen Patentanmeldun- 35 gen Nr. 3072/74 und 49056/76 offenbart sind, kurz diskutiert.

Diese Auswirkungen sind zusammen mit anderen, weiter unten beschriebenen Ergebnissen in graphischer Form in den Fig. 1 und 2 gezeigt und in einer geänderten Form, wie bereits beschrieben wurde, in der Fig. 3. to

Die Fig. 1 ist ein Diagramm, in dem die Abhängigkeiten zwischen den logarithmischen Dekrementen 8 (Dämpfungsdekrementen) und den Schwingungsspannungen von Proben eines Werkstoffes A gezeigt ist, der verschiedenen Wärmebehandlungen ausgesetzt worden ist. Die Zustände der Wärmebehand- 45 lungen der Proben, die durch die Kurven dargestellt sind, sind folgende. Die Probe der Kurve (1) (die die weissen Punkte miteinander verbindet) wurde während einer Stunde auf 800 °C erwärmt und dann mittels Wasser abgeschreckt (d. h. gehärtet); die Probe der Kurve (2) (die die schwarzen Punkte miteinander so verbindet) wurde während einer Stunde auf 800 °C erwärmt, mit Wasser abgeschreckt, während 2 Stunden auf 100 °C erwärmt und dann in Luft gekühlt (d. h. bei tiefer Temperatur gehärtet und gealtert); die Probe der Kurve (3) (die die weissen Dreiecke miteinander verbindet) wurde während einer Stunde 55 auf 800 °C erwärmt, mit Wasser abgeschreckt, während 2 Stunden auf 200 °C erwärmt, und dann in Luft gekühlt (d. h. im selben Zustand wie (2) oben erwähnt); die Probe der Kurve (4) (die die schwarzen Dreiecke miteinander verbindet) wurde während einer Stunde auf 800 °C erwärmt, mittels Wasser abge- 60 schreckt, während 2 Stunden auf 300 °C erwärmt und dann in Luft gekühlt (dito); und die Probe der Kurve (5) (die die «x»-Marken miteinander verbindet) war im ausgeglühten Zustand. Die Fig. 2 zeigt auch graphisch die Abhängigkeit zwischen den logarithmischen Dekrementen 8 und Wechselspan- 65 nungen des angelassenen Werkstoffes A (dargestellt durch die Kurve (5), die die «x»-Marken miteinander verbindet) und den verschiedenen wärmebehandelten Proben des Werkstoffes B

der Tabelle 1 (dargestellt durch die Kurven (i) zu (iii)). Hier waren die Wärmebehandlungszustände die folgenden: für die Kurve (i) (die die weissen Punkte miteinander verbindet), während einer Stunde erwärmen auf 850 °C und dann abschrecken mittels Wasser (d. h. in einen gehärteten Zustand gebracht); für die Kurve (ii) (die die schwarzen Punkte miteinander verbindet), während einer Stunde erwärmen auf 850 °C, abschrecken mittels Wasser, während einer Stunde auf 200 °C erwärmen und dann luftkühlen (d. h. in einen gehärteten, und dann bei tiefer Temperatur gealterten Zustand gebracht); und für die Kurve (iii) (die die weissen Dreiecke miteinander verbindet), während einer Stunde erwärmen auf 850 °C, mittels Wasser abschrecken, während einer Stunde auf 200 °C erwärmen, und dann luftkühlen (dito).

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Werkstoff A, der, wie es durch die Kurve (i) gezeigt ist, von 800 °C mit Wasser abgeschreckt wurde, eine verbesserte Eigendämpfungsfähigkeit aufweist, im Vergleich mit der Probe im angelassenen Zustand.

Aus der Fig. 2 ist es ebenfalls ersichtlich, dass der Werkstoff B, nachdem er gemäss der Kurve (i) mittels Wasser von 850 °C abgeschreckt wurde, sogar eine noch bessere Dämpfungsfähigkeit aufweist, im Vergleich mit der Probe des Werkstoffes A, der von 800 °C mittels Wasser abgeschreckt wurde.

In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der durchgeführten Prüfungen, gleichzeitig mit den Prüfungen der Dämpfungsfähigkeiten, dargestellt, um die mechanischen Eigenschaften der zwei a+ß-Titanlegierungen der Tabelle 1 festzustellen, und zwar im angelassenen Zustand und im «gehärteten Zustand». Mit «gehärtetem» Zustand ist gemeint, dass die Probe wärmebehandelt wurde, um eine Verbesserung der Dämpfungsfähigkeit zu erreichen, wie es in den japanischen Patentanmeldungen Nr. 3072/74 oder 49056/76 offenbart ist, d. h. derjenige Zustand, nachdem der Werkstoff während einer Stunde auf entweder 800 °C oder 850 °C erwärmt wurde und dann mit Wasser abgeschreckt wurde.

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Tabelle 2

Sym- Werkstoff bol

Bedingungen der Wärmebehandlung

0,2% Streckgrenze CT kg/mm2

Zugspannung CT 2T kg/mm2

Dehnung

%

Querschnittsverminderung

%

Spez. Gewicht P

g/cm3

Spez. Spannung

7,72aY/p kg/mm2

A TÌ-6A1-4V

angelassen

98,0

105,0

13,0

26,0

4,45

170,0

800°CxlH-WQ

(gehärtet)

76,98

100,6

17,2

31,6

4,45»

133,4

B Ti-6A14V-3Mo angelassen

96,3

101,5

15,2

45,0

4,54

163,8

850 "CxlH-WQ

(gehärtet)

56,3

10,6

16,0

34,2

4,54

95,7

15

(IH* WQ) bedeutet: 1 Std., Wasser abgeschreckt.

Aus der Tabelle 2 geht hervor, dass die mechanischen Tatsächlich bewirken die Verfahren, die in den japanischen

Eigenschaften der Probenlegierungen im gehärteten Zustand Patentanmeldungen Nr. 3072/74 und 49056/76 offenbart sind,

im Vergleich mit denjenigen im angelassenen Zustand nur 20 und die zum Verbessern der Dämpfungsfähigkeiten der Titanle-

wenig beeinträchtigt sind. Die einzige Ausnahme bildet die gierungen bestimmt sind, diese Legierungen äusserst vergleich-

0,2% Streckgrenze, welche bei beiden Werkstoffen beträchtlich bar oder sogar besser bezüglich der 0,2% Streckgrenze, bzw.

abnahm, und zwar beim Werkstoff A um etwa 20 kg/mm2 und spezifischen Festigkeit machen im Vergleich mit dem gegen-

beim Werkstoff B um etwa 40 kg/mm2. Dieser Zerfall der 0,2% wärtigen Werkstoff zur Herstellung von Dampfturbinenschau-

Streckgrenze nach dem Härten ist in der spezifischen Festig- 25 fein, dem AISI Typ 403 Stahl. Andererseits, wie es aus der obi-

keit niedergeschlagen. Der Werkstoff A, der der am weitesten gen Erklärung ersichtlich ist, bewirken diese Verfahren einen verbreitete aller Titanlegierungen ist, zeigt im angelassenen Zerfall der spezifischen Festigkeiten der Legierungen von den

Zustand eine spezifische Festigkeit von 170 kg/mm2, jedoch Werten im angelassenen Zustand.

wenn gehärtet im angelassenen Zustand eine die so klein wie Unter Berücksichtigung dieser Tatsache haben wir diese etwa 133 kg/mm2 ist. Der Werkstoff B zeigt ebenfalls einen 30 zwei a+ß-Titanlegierungen nach dem Härten einem Altern bei scharf abnehmenden Wert von nur etwa 96 kg/mm2 nach dem tiefen Temperaturen ausgesetzt, und haben die Auswirkungen Härten. Nichts deto trotz ist es offensichtlich, dass beide Legie- auf die Dämpfungsfähigkeiten und mechanischen Eigenschafrungen immer noch spezifische Festigkeiten, in der Grössen- ten der Legierungen geprüft. Diese Ergebnisse sind in den Ordnung von ungefähr 100 kg/mm2 aufweisen, und dass diese Fig. 1 und 2 und in der Tabelle 3 aufgezeichnet. Die Änderun-zwei Arten von a+ß-Titanlegierungen im gehärteten Zustand 35 gen dieser zwei Eigenschaften sind in der Fig. 3 zusammenge-eine spezifische aufweisen, die mehr als nur gleich der des AISI- fasst und graphisch gezeichnet. In all den Figuren bezeichnen Typ 403 Stahles ist. gleiche Symbole die gleichen Werkstoffe.

Tabelle 3

Sym

Werkstoff

Bedingungen

0,2% Streek

Zugfestig

Dehnung

Querschnitts

Spez. Festig bol

beim Altern grenze Y

keit T

%

verminderung keit 7,72 Y

kg/mm2

kg/mm2

kg/mm2

A

TÌ-6A1-4V

100°Cx2H-AC

83,1

102,1

17,2

31,2

144,2

200°CX2H-AC

90,4

104,5

17,0

28,4

156,8

B

Ti-6Al-4V-3Mo

200°CxlH-AC

70,4

106,5

16,0

31,8

119,7

250 °Cx lH'AC

81,1

109,8

13,5

24,5

137,9

300 °CxlH-AC

105,8

125,3

4,8

8,7

179,9

H • AC-Stunden. Luft gekühlt.

Aus dieser Tabelle 3 geht hervor, dass die 0,2% Streckgrenze und die Festigkeit des Werkstoffes A, nachdem er bei einer tiefen Temperatur von 100 °C gealtert wurde, 83,1 bzw. 144,2 kg/mm2 beträgt, und nachdem er bei 200 °C gealtert wurde, 90,4 bzw. 156,8 kg/mm2 war, was heisst, dass die Zustände des angelassenen Zustandes beinahe wieder erreicht worden sind. Gleicherweise geht aus den Tabellen 2 und 3 klar hervor, dass ein bei tiefer Temperatur von 200 °C und 250 °C durchgeführtes Altern ermöglicht, dass der Werkstoff B seine 0,2% Streckgrenze vom Wert des gehärteten Zustandes beinahe wieder erreicht. Andererseits ist es aus den Fig. 1 und 2

ersichtlich, dass bei gleicher Zeitspanne des Alterns, die Dämpfungsfähigkeiten der beiden Werkstoffe A und B bei abnehmen-60 der Alterungstemperatur abnimmt. Daher sind in der gleichen Weise wie für den AISI-Typ 403 Stahl, die Abhängigkeiten zwischen den spezifischen Festigkeiten und den Dämpfungsfähigkeiten des Werkstoffes der Werkstoffe A und B ebenfalls in der Fig. 3 graphisch gezeigt. Wie es aus dieser Figur ersichtlich ist, 65 befinden sich die geradlinig verlaufenden Linien, die die Eigenschaften der Werkstoffe A und B darstellen, klar und weit auf der rechten Seite der Linie, die den AISI-Typ 403 Stahl darstellt (Werkstoff C). D. h, dass die a+ß-Titanlegierungen, die bei tie-

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fer Temperatur gealtert wurden, beträchtlich grössere Dämpfungsfähigkeiten aufweisen als der AISI Typ 403 Stahl, wenn die spezifischen Festigkeiten den selben Wert aufweisen, oder weisen bei weitem grössere spezifische Festigkeiten auf, falls die Dämpfungsfähigkeiten dieselben sind. Wenn die zwei Titan- 5 legierungen sowohl in bezug auf die spezifische Festigkeit als auch die Dämpfungsfähigkeit ausgewertet werden, ist es offensichtlich, dass das bei tiefer Temperatur durchgeführte Altern eine wirksame Behandlung ist, wie es oben beschrieben ist. Nun werden die Zustände des bei tiefer Temperatur durchgeführten10 Altern, bei 300 °C, des Werkstoffes B, vom Gesichtspunkt anderer mechanischer Eigenschaften betrachtet.

Nach dem Altern während einer Zeitspanne von 30 Minuten wurde die Dehnung und Querschnittsverminderung 10,2% bzw. 19,5%, obwohl diese Werte in der Tabelle 3 nicht gezeigt 15 sind und nach einem Altern während einer Stunde waren die entsprechenden Werte 4,8% bzw. 8,7% (Tabelle 3). Dasselbe trifft auch für den Werkstoff A zu. Daher ist es offensichtlich,

dass 300 °C die obere Grenze der Temperatur ist, bei der die 0,2% Streckgrenzen der a+ß-Titanlegierungen verbessert wer- 20 den können, ohne dass die Dehnung und Querschnittsverminderung dieser Metalle nachteilig beeinflusst werden, und dass ein Altern während einer längeren Zeitspanne, die mehr als eine Stunde beträgt, eine Versprödung der - Phase zur Folge haben kann. 25

Aus der oben erwähnten Beschreibung ist es ersichtlich,

dass ein bei tiefer Temperatur durchgeführtes Altern ein äusserst wirksamer Weg ist, um die üblicherweise gegensätzlichen mechanischen Eigenschaften und Dämpfungsfähigkeiten der a+ß-Titanlegierungen, wenn sie gehärtet sind, zu verbessern. Die obere Grenze der Temperatur für dieses bei tiefer Temperatur durchgeführte Altern muss derart sein, dass ausgezeichnete Dämpfungsfähigkeiten beibehalten werden können, ohne dass eine Versprödung der genannten Phase eintritt. Die untere Grenze muss derart sein, dass die Temperatur weitgehend einen Zurückgewinn der 0,2% Streckgrenze zur Folge hat. Obwohl diese Werte nicht in der Tabelle 3 enthalten sind, zeigten die Werkstoffe A und B bei der Temperatur von 50 °C beide eine 0,2% Streckgrenze von 5 bis 6 kg/mm2 in ungefähr 50 Stunden. Daher ist die untere Grenze bei 50 °C festgelegt und die obere Grenze ist bei 300 °C festgelegt, welches aus den vorhererwähnten Gründen bestimmt ist.

Wie es nun im einzelnen beschrieben worden ist, ist das Verfahren nach der Erfindung eine ausgezeichnete Wärmebehandlung, welche zulässt, dass beide sonst miteinander nicht in Übereinstimmung bringbaren mechanischen Eigenschaften und inneren Dämpfungsfähigkeiten der a+ß-Titanlegierungen verbessert werden können. Die damit erhaltenen Legierungen sind daher für Anwendungen, bei welchen ein Dämpfen von Schwingungen wichtig ist, jedoch immer noch gute mechanische Eigenschaften notwendig sind, verwendbar, d. h. für die Rotorschaufeln von Grossturbinen und ähnlichen, die besonders hohe Festigkeiten benötigen.

g

2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

631211 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Titanlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine a+ß-Titanlegierung zu einer Temperatur über 500 °C erwärmt wird und diese Temperatur beibehalten wird, welche Temperatur unter dem a+ß/ß Umwandlungspunkt liegt, dass die Titanlegierung abgeschreckt wird, und dass sie bei einer tiefen Temperatur im Bereich zwischen 50 und 300 °C gealtert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Altern bei der tiefen Temperatur im Bereich zwischen 50 und 300 °C während einer Zeitspanne von 1 -50 Stunden durchgeführt wird.