CH632012A5 - Titanlegierung und ein verfahren zu deren waermebehandlung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Titanlegierung mit einer hohen inneren Reibung, irisbesondere für die Rotationsschaufeln einer Turbine, und ferner ein Verfahren zur Wärmebehandlung der 25 Titanlegierung.

Ermüdungsbrüche an Schaufeln von Dampfturbinen infolge Vibration sind ein ernsthaftes Problem. Um solche Brüche zu vermeiden, ist es wichtig, Resonanzen zu verhindern und eine Dämpfung der Vibrationen zu bewirken. Die Vibratio- 30 nen an Dampfturbinenschaufeln sind aber derart komplex, dass es praktisch unmöglich ist, sie vollständig resonanzfrei auszubilden. Die Dämpfung von Vibrationen ist deshalb ein Problem von grosser Bedeutung.

Möglichkeiten zur Unterdrückung der Vibrationen von 35 rotierenden Schaufeln bestehen in Verbindung mit der Aerodynamik, dem Schaufelfuss, der Mechanik oder dem Material. Obschon die Auswirkung dieser Faktoren auf die Gesamtdämpfung verschiedentlich geschätzt wurde, wird angenommen, dass die Materialdämpfung meistens eine Hauptrolle 40 spielt In der Tat wird der 13Cr-Mo-Stahl und andere Materialien mit einem hohen Grad an innerer Reibung in vielen Fällen dazu verwendet, Dampfturbinenschaufeln herzustellen. Im allgemeinen werden Titanlegierungen mit einer hohen spezifischen Festigkeit zur Herstellung von Schaufeln von Dampftur- 45 binen, insbesondere für hohe Drehzahlen oder grosse Grössen verwendet, wenn es darum geht, die Last der Rotoren zu reduzieren. Eine Ti-6A14V-Legierung auf Titanbasis wird dabei in mehr als 70% aller Titanlegierungen verwendet. Diese Legierung wird sowohl für Laufschaufeln für Dampfturbinen als 50 auch auf andere rotierende Maschinen auf diesem Gebiet verwendet.

Eine in herkömmlicher Weise wärmebehandelte, normale Ti-6A1-4V-Legierung, die ausgeglüht oder abschreckungsgeal-^ tert ist, hat aber einen sehr niedrigen Grad an innerer Reibung, 55 verglichen mit dem 13Cr-Mo-Stahl und dergleichen, die zur Herstellung der meisten Schaufeln für Dampfturbinen verwendet werden. Bei der erstgenannten Legierung ist keine Herabsetzung der Vibration durch Materialdämpfung zu erwarten.

Auf dieser Grundlage wurden verschiedene Nachforschun- 60 gen angestellt, wobei eine bedeutende Verbesserung der inneren Reibungseigenschaften durch eine schnelle Abkühlung einer a+ß-Titanlegierung von einer geeigneten Temperatur in einen a+ß-Phasen-Temperaturbereich erreicht wurde. Die entsprechende Erfindung ist in der japanischen Patentanmeldung 65 Nr. 3072/74 beschrieben.

Nichtsdestoweniger zeigt die a+ß-Legierung, z. B. die Ti-6A1-4V-Mischung, eine Abnahme in der inneren Reibung und sie wird zudem bei einer längeren Erwärmung über 100 °C unstabil. Teilweise aus diesem Grunde und teilweise wegen der höheren, absoluten Werte der inneren Reibung zur Verhinderung von Ermüdungsbrüchen wurde eine Titanlegierung mit hohen absoluten inneren Reibungswerten gesucht.

Früher wurde festgestellt, dass die innere Reibung einer Titanlegierung durch eine rasche Abkühlung von einem bestimmten Temperaturbereich aus erhöht werden kann, und dabei kann die metastabile ß-Phase auf Zimmertemperatur gesenkt werden. Bei der Erreichung dieser Wirkung erscheint es, dass die Anwesenheit eines isomorphen ß-Stabilisators in der Titanlegierung eine Hauptrolle spielt. Durch Prüfungen einer Ti-6A1-4V-Legierung mit Vanad und einem ß-Stabilisator wurde festgestellt, dass die Legierung bei der Abkühlung von einer Temperatur in den a+ß-Phasenbereich eine erhöhte innere Reibung erreicht.

Nachfolgende Studien beim Hinzufügen eines weiteren isomorphen ß-Stabilisators in Form von Molybdän zur normalen Ti-6Al-4V-Legierung führte zur vorliegenden Erfindung.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Titanlegierung mit höherer, innerer Reibung als bei herkömmlichen Legierungen zu schaffen, die eine ausgezeichnete thermische Stabilität aufweist, und ferner die Schaffung eines Verfahrens zur Wärmebehandlung der Legierung ermöglicht, um weitere Verbesserungen sowohl in der inneren Reibung als auch in der thermischen Stabilität zu erreichen.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Titanlegierung mit einem hohen Grad an innerer Reibung geschaffen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie 5,5 bis 6,75 Gew.-% Al, 1 bis 5 Gew.-% V und 1 bis 5 Gew.-% Mo aufweist, wobei V plus Mo mindestens 5 Gew.-% ist, und dass der Rest aus Ti und Verunreinigungen besteht.

Ferner wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Titanlegierung geschaffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man sie während einer bestimmten Dauer in einem Temperaturbereich vom ß-Umwandlungspunkt minus 125 °C nach oben hält, und dass dann die Legierung rasch abgekühlt wird.

Die Legierung eignet sich besonders für lange Laufschaufeln in Turbinen hoher Drehzahl, beispielsweise in Dampfturbinen. Das Verfahren zur Wärmebehandlung verbessert vorteilhaft die Vibrationsdämpfung und die thermische Stabilität der Legierung weiter.

Nachfolend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der thermischen Stabilitäten der Dämpfungseigenschaften der Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung und den bestehenden Ausführungen,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Werkstoffdämpfung der Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung und den bestehenden Ausführungen sowie die Behandlungstemperatur für die Lösung, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche derjenigen nach Fig. 1 ähnelt, jedoch die thermischen Stabilitäten nach einigen Alterungsbehandlungen angibt.

Die Titanlegierungen der Mischung nach Tabelle 1 wurden in Mengen von je 150 g durch die Knopfschmelztechnik geschmolzen, auf einen Querschnitt von 20 mm durch ß-Schmieden geformt, und dann auf einen Querschnitt von lOx 15 mm durch a+ß-Schmieden für die in der Folge zu beschreibenden Prüfungen geformt.

Diese Prüfstücke wurden rasch mittels Wasser von der Behandlungstemperatur nach Tabelle 2 abgekühlt und in Bezug auf ihre innere Reibung und die mechanischen Eigenschaften geprüft.

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Tabelle 1

Legierung Chemische Zusammensetzung in Gew.-%

Al V Mo Fe C O N H Ti Bemerkungen

A

5,86

4,19

0,216 0,013 0,167 0,0047

0,0295

Rest herkömmlich

B

5,84

4,22

0,64

0,231 0,017 0,152 0,0053

0,0220

Rest Bezugnahme

C

5,68

4,17

1,52

0,265 0,015 0,147 0,0038

0,0147

Rest Erfindung

D

5,88

4,32

2,59

0,241 0,018 0,181 0,0090

0,0273

Rest Erfindung

E

5,81

4,04

4,03

0,262 0,016 0,166 0,0077

0,0245

Rest Erfindung

F

5,76

4,02

5,41

0,268 0,017 0,162 0,0070

0,0282

Rest Bezugnahme

G

5,85

2,21

4,65

0,255 0,016 0,153 0,0090

0,0195

Rest Erfindung

H

5,83

4,06

3,36

0,273 0,014 0,175 0,0068

0,0312

Rest Erfindung

Tabelle 2

Legie- ß-Umwandlungspunkt rung in °C

Behandlungstemperatur für die Lösung in °C

[Dämpfung :in Q"1

Bemerkungen

A 965

785

2,53 X10-3

herkömmlich

B 940

840

2.51X10-3

Bezugnahme

C 925

875

4,20xl0-3

Erfindung

D 915

865

4,88xl0-3

Erfindung

E 905

855

5,12x10-3

Erfindung

F 895

845

4,72x10-3

Bezugnahme

G 940

890

4,83x10-3

Erfindung

H 910

860

5,00x10-3

Erfindung

Die inneren Reibungen wurden mittels eines Messinstru- Thermische Stabilitäten von einigen Legierungen in der mentes für innere Reibung der Quervibrationsart mit einer Tabelle 1 werden in der Folge näher erläutert. Die Legierungen Wirkstoffdämpfung in Q_1 gemessen. Das Prüfstück war A, D und E wurden während einer Stunde auf Temperaturen jeweils 2 mm dick, 10 mm breit und 90 mm lang. In der Tabelle 2 von 100°, 150° und 200 °C gehalten und dann in Luft abgekühlt, sind die inneren Reibungen der so gemessenen Prüfstücke ent- 35 wonach ihre inneren Reibungswerte bei Zimmertemperatur halten. festgestellt wurden. In Fig. 1 ist eine Zusammenstellung der

Aus diesen Tabellen geht hervor, dass die Legierung B mit Resultate aufgeführt. Die Temperaturpegel, bei welchen die 0,64% Mo, verglichen mit der bestehenden Normallegierung Ti- Prüfstücke während einer Stunde gehalten wurden, sind als 6AI-4V (Legierung A), praktisch keine vorteilhafte Wirkung des Abszissen eingetragen. Es geht aus der graphischen Darstel-Mo-Zusatzes aufweist. Ferner geht hervor, dass die Legierun- 40 lung hervor, dass die Legierungen D und E ausgezeichnete, gen C bis H, die grössere Prozentanteile von Mo aufweisen, thermische Stabilitäten aufweisen, wobei sie, verglichen mit bedeutend bessere innere Reibungen als die herkömmliche einer herkömmlichen Normallegierung TÌ-6A1-4V (A), hohe Legierung A aufweisen. innere Reibungswerte bei erhöhten Temperaturen aufweisen.

Die Legierungen D und G, deren Anteile von V und Mo Die Legierung E ist dabei viel besser und hat hohe, absolute gesamthaft etwa 6,9% betrugen, haben praktisch die gleichen 45 Werte der inneren Reibung und eine niedrige Abnahmege-inneren Reibungswerte, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Wegen schwindigkeit in der inneren Reibung bei hohen Temperaturen, der Ähnlichkeit in der Wirkung wurden V und Mo oft den titan- Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass das basierten Legierungen zugefügt, und ein Konzept eines V-Äqui- Hinzufügen von V und Mo die innere Reibung einer Titanlegie-valents (1 x V(%) + l,3x Mo(%)) wurde als quantitative Vorrich- rung stärker verbessert als von der Anwendung des Konzepts tung zur Evaluierung der Wirkung des zusammengesetzten 50 eines V-Äquivalenten zu erwarten war, so dass eine Titanlegie-Zusatzes vorgeschlagen. Dies stimmt normalerweise mit den rung mit ausgezeichneter thermischer Stabilität möglich ist. obengenannten Prüfresultaten überein, wodurch angedeutet Es wird darauf hingewiesen, dass, gemäss einer allgemein wird, dass der gesamte Anteil von V und Mo prozentual kon- verbreiteten Auffassung ein Übermass an ß-Stabilisatoren nicht stant ist, und die innere Reibung unverändert bleibt. nur die Dichte erhöht und die spezifische Festigkeit der Legie-

Daraus geht hervor, dass, wenn der kombinierte Prozentan- 55 rung reduziert, sondern auch den Elastizitätsmodul von Young teil von V und Mo konstant ist, die gleiche Wirkung zur Verbes- und die Dehnbarkeit und die Festigkeit des Metalls senkt. Die serung der inneren Reibung auch auf die Titanlegierung über- Anteile von derartigen Elementen müssen infolgedessen in tragen wird. Genauer ausgedrückt heisst dies, dass nach den einem Bereich liegen, der die innere Reibung der entstandenen Prüfresultaten in Tabelle 2 bedeutende Verbesserungen in der Legierung erhöht, ohne dass der Elastizitätsmodul von Young inneren Reibung möglich sind, wenn der gesamte Anteil von V 60 die Dehnbarkeit und die Festigkeit beeinträchtigt. In diesem und Mo in der Legierung grösser oder gleich 5 Gew.-% und vor- Zusammenhang wurden auch die mechanischen Eigenschaften zugsweise grösser oder gleich 6 ist. der Legierung in Tabelle 1 untersucht. Die Resultate sind in

Die Prüfresultate der Legierung B zeigen, dass der Mo- Tabelle 3 enthalten.

Inhalt grösser oder gleich 1% sein sollte. Das Gleiche betrifft Aus Tabelle 3 geht hervor, dass keine nennenswerten den V-Anteil, weil V und Mo sowohl in der Qualität als auch in 65 Unterschiede der Streckgrenze (0,2% Abweichung) und der der Quantität gleich sind, und das Hinzufügen der beiden Eie- Zugfestigkeit der Prüfungslegierungen festgestellt wurden, mente in Mengen von weniger als 1% von jedem erwartungsge- obschon die beiden Werte bei der Zunahme des Mo-Anteils zur mäss eine synergetische, vorteilhafte Wirkung hervorruft. Abnahme neigen. Die Legierung F, die 5,41% Mo enthielt,

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ergab viel niedrigere Werte während der Dehnungsprüfung modul von Young, oder auf die Dehnbarkeit und die Zähigkeit und in einer 2-mm-V-K.erbe-Charpy-Schlagprüfung als die restii- auftreten, sollte die Legierung nicht mehr als 5% Mo aufweisen, chen Legierungen, womit eine Abnahme in der Dehnbarkeit, In gleicher Weise sollte V, der in gleicher Weise wie Mo die der Zähigkeit und im Elastizitätsmodul von Young angezeigt Resultate beeinflusst, auch nicht mehr als jeweils 5% der Legie-wurde. Um somit eine höhere, innere Reibung zu erhalten, ohne 5 rungsmischung aufweisen.

dass irgendwelche nachteiligen Wirkungen auf den Elastizitäts-

Tabelle 3

Legie- Streckgrenze

Zug

Dehnung

2 mm V-Ker-

Young's

Bemerkungen rung (0,2%

festig in%

bepriifung

Elasti

Abweichung)

keit

(Charpy)

zitäts

(kg/mm2)

(kg/mm2)

Schlagwert (kg m/cm2)

modul (kg/mm2)

A 76,9

100,6

17,2

2,7

10,500

herkömmlich

B 77,2

100,3

12,2

2,4

10,400

Bezugnahme

C 74,5

99,2

13,6

2,6

10,000

Erfindung

D 75,3

96,2

12,5

2,1

9,100

Erfindung

E 74,5

94,1

10,6

2,2

8,800

Erfindung

F 72,3

86,4

7,6

0,7

7,700

Bezugnahme

G 76,0

97,0

11,5

2,1

9,200

Erfindung

H 75,1

96,0

12,0

2,1

9,200

Erfindung

Normalerweise sollte die AI-Menge im Bereich von 5,5 is rung D rasch von einer Temperatur abgekühlt wurde, die um 6,75% liegen, welcher Anteil zusätzliche Festigkeit ergibt, ohne 50 °C unter dem ß-Umwandlungspunkt liegt.

dass die entstandene Legierung spröde wird. Aus Fig. 3 geht hervor, dass die herkömmliche TÌ-6A1-4V-

Die Legierungen A, C, D und H in Tabelle 1 wurden rasch Legierung (A) bei einer Temperatur wärmebehandelt wurde, von den vorbestimmten Temperaturen innerhalb der a+ß- und 30 welche die innere Reibung auf einen Höchstwert erhöht, oder ß-Phasenbereiche abgekühlt (Wasserkühlung) und die inneren bei einer Temperatur durchgeführt wurde, welche um 180 °C Reibungswerte festgestellt. Das für die Messungen verwendete niedriger ist als der ß-Umwandlungspunkt, wobei ein scharfer Instrument und die Form der Prüfstärke waren die gleichen, Übergang der inneren Reibung auf weniger als 0,001 beim wie bereits beschrieben. Erwärmen bei 200 °C während der Dauer von einer Stunde auf in Fig. 2 sind Daten aufgetragen, welche die Verhältnisse 35 tritt. Demgegenüber zeigt die Legierung D einen inneren Reizwischen der Behandlungstemperatur und den inneren Rei- bungswert von über 0,001 sogar dann, wenn sie bei der unteren bungswerten der Legierunen A, C, D und H darstellen. Die der beiden Behandlungstemperaturen durch Wasser gehärtet innere Reibung der herkömmlichen Ti-6A14V-Legierung (A) wurde, wobei dies bei einer Temperatur stattfindet, die um erreicht dort die Spitze, wo die Behandlungstemperatur in der 100 °C kleiner ist als der ß-Umwandlungspunkt. Wenn die Nähe eines Punktes liegt, der kleiner ist als der ß-Umwand- 40 Legierung bei einer höheren Temperatur, d. h. bei 50 °C unter-lungspunkt der Legierung von etwa 180 °C. Es wurde ferner halb des ß-Umwandlungspunktes, gehärtet wurde, zeigt sie eine bestätigt, dass, sofern die Härtungstemperatur den Umwand- Abnahme in der inneren Reibung, wodurch eine ausgezeich-lungspunkt übersteigt, die innere Reibung sehr klein sein wird. nete thermische Stabilität angezeigt wird.

Auf diesen Punkt ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. Aus den oben erläuterten Resultaten geht hervor, dass eine

3072/74 näher eingegangen worden. 45 Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung eine sehr hohe

Fig. 2 zeigt ferner, dass die innere Reibung der Legierungen innere Reibung und ausgezeichnete thermische Stabilität bei C, D und H sehr hoch ist, wenn die Behandlungstemperaturen einer raschen Abkühlung von einer Behandlungstemperatur um 100,50,0, -25 und -55 °C niedriger sind als ihre aufweist, die nicht mehr als 125 °C niedriger oder höher oder

ß-Umwandlungspunkte, wobei diese Werte sinken, wenn die gleich dem ß-Umwandlungspunkt für die betreffende Legie-Temperatur um 150 °C niedriger ist. 50 rung ist. Innerhalb von diesem Behandlungstemperaturbereich

Fig. 3 zeigt die Änderungen der inneren Reibungen der für die Lösung ist die thermische Stabilität der inneren Reibung Legierungen A und D nach einer Alterung nach der raschen mit höherer Temperatur höher.

Abkühlung, d. h. die thermischen Stabilitäten der geprüften Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass die

Legierungen. Die Temperaturen der wärmebehandelten Legie- vorliegende Erfindung eine Titanlegierung mit einer hohen, rungen während der Prüfung sind in horizontaler Richtung auf- 55 inneren Reibung und einer ausgezeichneten thermischen Stabi-getragen. Die Messungen wurden durchgeführt, indem die Iität erzeugt, wobei ferner ein Verfahren zur Wärmebehand-

Legierungen bei den betreffenden Temperaturen in Einstun- lung vorgesehen ist, um die innere Reibung und die thermische den-Perioden gehalten und dann während der gleichen Dauer Stabilität weiter zu erhöhen. Die vorliegende Legierung ist mittels Luft getrocknet wurden. In diesen graphischen Darstel- somit insbesondere für rotierende Schaufeln von Turbinen und lungen bedeuten die Ausdrücke «Legierung D; wärmebehan- 60 dergleichen geeignet, bei welchen die Erzeugung von Vibratio-delt bei (ß-Umwandlungspunkt -50 °C)» z. B., dass die Legie- nen sonst unvermeidbar ist

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. 632012

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Titanlegierung mit einer hohen inneren Reibung, insbesondere für die Rotationsschaufeln einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass sie von 5,5 bis 6,75 Gew.-% Al, 1 bis 5 Gew.-% V und 1 bis 5 Gew.-% Mo aufweist, wobei die Gesamt- s menge von V plus Mo grösser oder gleich 5 Gew.-% ist, und dass der Rest aus Ti und Verunreinigungen besteht.
2. 2. Titanlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge von V plus Mo mindestens 6 Gew.-% beträgt. io
3. 3. Verfahren zur Wärmebehandlung der Titanlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man sie während einer bestimmten Dauer in einem Temperaturbereich vom ß-Umwandlungspunkt minus 125 °C nach oben hält, und dass dann die Legierung rasch abgekühlt wird. 15
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3 zur Wärmebehandlung der Titanlegierung nach Anspruch 2.

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