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Kobaltlegierung mit starken Dämpfungseigenschaften und deren Verwendung
Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen mit stärker Dämpfung, die insbesondere
für Verwendung bei hohen Temperaturen der Größenordnung 649° C geeignet sind, und
auf Maschinenteile, etwa Turbinenschaufeln, die aus solchen Legierungen hergestellt
sind.
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Gegenwärtig liegt eine der größten Schwierigkeiten bei der Konstruktion
von Turbinen, die bei Dampftemperaturen von 538 bis 649° C zufriedenstellend arbeiten,
im Fehlen von Legierungen, die gleichzeitig Eigenschaften starker Dämpfung und hoher
Festigkeit bei Dampftemperaturen dieser Größenordnung besitzen. Diese Probleme werden
bei Betriebstemperaturen von 704° C noch schwerwiegender. Insbesondere der erste
Schaufelkranz, der von dem Dampf hoher Temperatur beaufschlagt wird, ist extrem
hohen Erschütterungen ausgesetzt, die zu einer vorzeitigen Ermüdung der Schaufeln
führen können.
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Eine der besten der heute für Dampfturbinenbeschaufelungen verfügbaren
Legierungen ist eine 12%ige Chrom-Eisen-Legierung nach AISI 403. Diese Legierung
kann jedoch bei Temperaturen über 566° C nicht mehr mit ausreichender Sicherheit
verwendet werden; im allgemeinen liegt die Temperaturgrenze ihrer praktischen Verwendbarkeit
annähernd bei 538° C. Die Dauerfestigkeitseigenschaften dieser-Legierung sind über
538° C relativ schlecht.
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Die relativen Dämpfungscharakteristiken der erfindungsgemäßen Legierungen
wurden in Anlehnung an die in den nachstehend zitierten Veröffentlichungen beschriebenen
Schwingungsversuche festgestellt: 1. »The Origin for Damping in High Strength Ferromagnetic
Alloys« auf S. 196 bis 200 der Juniausgabe 1953 des Journal of Applied Mechanics
2. »A Method of Determining the Internal Damping of Machine Members«, Blatt Nr.
43-A-44 ASME (American Society of Mechanical Engineers), Applied Mechanics Division,
17. Februar 1953, und 3. »Effect of Static Stress an the Damping of Some Engineering
Alloys«, Bd. 47; »Transactions«, American Society for Metals, Bd. 47 (1955), S.
440 bis 450.
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Es wurde der Torsionsprüfapparat verwendet, der in dem Artikel »Some
New Magneto-Mechanical 1'orsion Experiments« auf den S.670 bis 673 des Maiheftes
von 1954 des »Journal of Applied Physics«, Bd.25, Nr.5, beschrieben ist. Das logarithmische
Dekrement, das dort definiert ist, wurde für Legierungen mit verschiedenen Verschiebungswerten
(Scherungswinkel) bestimmt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Legierung auf Kobaltgrundlage und
bestimmten Mengen von Nickel, Titan, Aluminium und Silizium mit starker Dämpfung
und hoher Festigkeit.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine thermisch vergütete Legierung
auf Kobaltbasis mit hohen Dämpfungseigenschaften bei Temperaturen zwischen 593 und
704° C, welche aus 65 bis 88% Kobalt, 1 bis 3% Titan, 0,1 bis 1,8% Aluminium, höchstens
0,05% Kohlenstoff, höchstens 1% Verunreinigungen, Rest mindestens 8% Nickel, besteht
und welche nach der Formgebung bei einer Temperatur über 871° C und über der Rekristallisationstemperatur
homobenisiert und bei einer Temperatur von 649 bis 760° C mindestens 4 Stunden auf
eine Vickershärte von 250 bis 330 ausgehärtet ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird in der folgenden ausführlichen
Beschreibung auf verschiedene Ausführungsbeispiele und auf die Figuren Bezug genommen,
von denen Fig.1 eine Ansicht einer Turbinenschaufel von oben, Fig.2 einen Längsschnitt
durch eine Turbinenschaufel der Fig. 1, Fig.3 ein Diagramm der Dämpfung, ausgedrückt
durch das logarithmische Dekrement in Abhängigkeit von der Verschiebung (Scherungswinkel)
für zwei erfindungsgemäße Legierungen bei 649° C, Fig. 4 ein Diagramm der Vickershärte
dreier Legierungen in Abhängigkeit von verschiedenen Zeitdauern der Alterung bei
649° C,
Fig. 5 ein Diagramm -der. Vickershärte einer bey stimmten
Legierung in Abhängigkeit von veränderlichem Aluminiumgehalt für drei verschiedene
Alterungsbedingungen und Fig.6 ein Diagramm des Dämpfungskoeffizienten in Abhängigkeit
von der maximalen Torsionsspannung für eine Legierung mit verschiedenen Härtegraden
darstellt.
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Es wurde festgestellt, daß bestimmte Legierungen auf Kobaltbasis bei
Temperaturen von 649° C, verglichen mit den bisher für Dampfturbinen verwendeten
Legierungen, stark erhöhte Dämpfungseigenschaften gleichzeitig mit stark verbesserter
Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und hoher Dauerfestigkeit bei Temperaturen
der Größenordnung 649° C besitzen, wenn man sie in geeigneter Weise einer Wärmebehandlung
und einer Alterung unterwirft. Eine erfindungsgemäß bevorzugte Legierung besteht
aus 65 bis 88% Kobalt, 1 bis 20/a Titan, 0,1 bis 1,50/0 Aluminium - wobei der Gesamtgehalt
von Aluminium und Titan mindestens 1,5 % beträgt - und höchstens 0,5% Kohlenstoff
und einem Rest von mindestens 8 %, vorzugsweise von zwischen 16 und 25 % Nickel,
wobei die Verunreinigungen nicht mehr als 10/0, vorzugsweise weniger als 0,3% des
Gewichts ausmachen.
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Die hohe Festigkeit und die Dämpfungseigenschaften der Legierung werden
durch Ausscheidungshärtung unter -geeigneter Alterungswärmebehandlung erzeugt. Aluminium
und Titan liefern zusammen die gewünschte Härte. Die besten Ergebnisse, insbesondere
für Legierungen, die bei Temperaturen von 649° C verwendet werden, erhält man, wenn
Titan und Aluminium in der Legierung in einer Gesamtmenge von 1,5 bis 2,5°/o vorliegen,
wobei der Mindestaluminiumgehalt der Legierung 0,2°% beträgt.
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Das Aluminium bietet in den Legierungen höhe Vorteile, da es die Stabilität
der Legierung bei den Betriebstemperaturen einer Turbine erhöht. Insbesondere wird
durch das Aluminium der Vorgang der Überalterung verzögert, wenn die Legierung während
des Betriebs der Turbine bei hohen Temperaturen überaltert wird, und zusätzlich
wird der Grad der L`beralterung durch die Anwesenheit des Aluminiums stark verringert.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Aluminium in der erfindungsgemäßen Legierung
eine tatsächliche Legierungskomponente darstellt. Es wird nicht als Desoxydationsmittel
verwendet, und Aluminium, das als Oxyd vorliegt, ist im Sinne der Erfindung nicht
wirksam. Infolgedessen wird das Aluminium in der Form von Körnern oder kleinen Stücken
in den letzten Stufen des Schmelzvorgangs unmittelbar vor dem Guß zugesetzt, so
daß unzulässige Oxydation vermieden wird.
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Zulässige Zusätze, die in der Legierung enthalten sein können, sind
geringe Mengen von Chrom bis zu '. Gewichtsprozent, meist in Mengen von 0,2 bis
1 Gewichtsprozent. Es wurde festgestellt, daß Silizium in Mengen bis zu 2% die Widerstandsfähigkeit
der Legierung gegen Oxydation oder Korrosion bei hohen Temperaturen stark verbessert.
Die Grundlegierung kann bis zu 20/a mindestens eines ausgewählten Metalles der Molybdän-Wolfram-Gruppe
enthalten. Bis zu 40/a Kobalt können durch eine gleiche Menge Eisen ersetzt sein.
Ferner ist es wünschenswert, den Gehalt von Phosphor und Schwefel unter 0T010% zu
halten. Mangan kann in einer Menge bis zu 0,5 0/a in der Legierung enthalten sein,
so daß deren Schmiedefähigkeit verbessert wird. Der Vanadiumgehalt kann bis zu 0,50%
ausmachen. Zusätzliche Ausscheidungs-. härtüngskämpönenten wie Bor können in Mengen
bis zu 0,1% und Beryllium, Zirkonium und Niob in einer Gesamtmenge bis zu 2% vorhanden
sein. Für den Fall, daß Niob, Wolfram und Molybdän zur Förderung der Härtung in
der Legierung enthalten sind, sollten auch his zu 0,05°/a Kohlenstoff vorliegen,
so daß mindestens ein Teil dieser Metalle Karbide bilden kann.
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Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen sind von den üblichen
austenitischen Legierungen grundverschieden. Insbesondere sind die erfindungsgemäßen
Legierungen bei Temperaturen weit über 677° C ferromagnetisch, und der Curie-Punkt
liegt bei Temperaturen der Größenordnung 816° C. Eine Folge dieser Eigenschaften
ist es, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine sehr starke Dämpfung bei niederen
und mittleren Spannungsniveaus besitzen, dank magnetomechanischer Hysteresiseffekte.
Für die Verwendung in Turbinen mit hoher Auslegetemperatur u. dgl. sind die Legierungen
so zusammengesetzt und vorbehandelt, daß sie einen möglichst hohen Curie-Punkt haben.
Da auch kleine Beträge nicht ferromagnetischer Metalle, wie etwa Chrom, in fester
Lösung in den Legierungen den Curie-Punkt stark herabsetzen -würden, sollte ihr
Gehalt auf ein Minimum reduziert sein.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen erhalten ihre für die Praxis erwünschten
Dämpfungseigenschaften, wenn sie bis zu einer Vickershärte (HV) von 250 und 330
kg/mm2 gealtert werden; der Härtegrad wird durch ein Vickers- oder ein anderes Härteprüfgerät
bestimmt. Die Dämpfungseigenschaften nehmen rasch ab, wenn die Härte der Legierung
unter 250 HV fällt oder 330 HV überschreitet. Optimale Eigenschaften erhält man,
wenn die Härte zwischen 280 und 320 HV liegt.
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Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung ist für die Erzeugung
hochwertiger Produkte Vakuumschmelzung notwendig, da bei diesem Verfahren Gase ausgeschaltet,
flüchtige Verunreinigungen beseitigt und die Oxydation von Bestandteilen der Legierung
unmöglich sind. Gewöhnliches Schmelzen in einer Inertgasatmosphäre nach einem bewährten
metallurgischen Verfahren liefert jedoch auch ein Produkt mit brauchbaren Eigenschaften.
Die geschmolzene Legierung kann unmittelbar zu Werkstücken gewünschter Form gegossen
werden, und zwar nach einem Präzisionsguß- oder Wachsausschmelzverfahren. Für die
meisten Anwendungen wird jedoch die Legierung zu einem Barren gegossen, der dann
geschmiedet und bearbeitet wird, so daß die Kornstruktur verfeinert und homogene
Schmiedeteile erzeugt werden. Der Barren wird auf eine Temperatur zwischen 982 und
1204° C erhitzt und in heißem Zustand gewalzt oder zu Formteilen, wenn notwendig
unter geeigneter nochmaliger Erhitzung, geschmiedet.
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Die gegossenen oder geschmiedeten Werkstücke werden oberhalb der Rekristallisationstemperatur
oberhalb 871° C, gewöhnlich bei einer Temperatur der Größenordnung 982 bis 1066°
C etwa 1 Stunde lang weichgeglüht und die Legierung dabei homogenisiert: Das homogenisierte
Werkstück wird bei einer Temperatur zwischen 649 und 760° C mindestens 4 Stunden
lang gealtert, so daß eine Ausscheidungshärtung der Legierung eintritt. Den höchsten
Härtegrad erhält man bei jedem Alterungsverfahren schneller bei den höheren Alterungstemperaturen.
Bei einer Alterungstemperatur von 649° C benötigt man 100 Stunden zur Erzeugung
einer angemessenen Härte. In einigen Fällen genügt es, die
geschmiedeten
oder gegossenen Werkstücke einer bloßen Homogenisierungsbehandlung zu unterwerfen
und sie dann in eine für hohe Temperaturen bestimmte Turbine od. dgl. einzubauen,
in der der Dampf von 649° C die eigentliche Alterung bewirkt. Selbstverständlich
muß in diesem letzteren Fall die Turbine während der ersten 100 Stunden notwendigerweise
bei geringer Belastung betrieben werden; die Alterung tritt also während des Betriebes
der Maschine ein. Gewöhnlich werden Dampfturbinen in den ersten Wochen unter geringer
Belastung betrieben, so daß man sich von ihrem Verhalten überzeugen kann. Infolgedessen
ist es kein Nachteil, wenn aus Legierungen gefertigte Turbinenbeschaufelungen auf
diese Weise gealtert werden.
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Die folgenden Beispiele von Legierungen haben hohe Dauerfestigkeit
und ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion bei einer Dampftemperatur
von 649° C. Beispiel I In einem Induktionsvakuumofen wurde eine mit Nr.955 bezeichnete
Legierung geschmolzen, deren Analyse folgende Gewichtsanteile ergab: Kobalt ........
. .............. 72,7% Nickel ....................... 23,7% Aluminium . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 0,98% Titan ........................ 1,0°/o Silizium
..................... 1,0% Kohlenstoff .................. 0,006% Chrom .......................
0,78% Verunreinigungen ............ Rest Diese Legierung enthielt einen kleinen
Bruchteil eines Prozentes an Eisen, Vanadium, Mangan und anderen Elementen. Die
gegossene Legierung besaß ein austenitisches Gefüge. Die Legierung wurde in einer
Präzisionsgußform zu einer Schaufel gegossen, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt
ist. Dabei wurden einige Prüfmuster hergestellt. Außerdem wurden aus dieser Legierung
Barren gegossen; diese wurden warm verformt. Die so entstandenen Schmiedeteile wurden
dann bei einer Temperatur von 1066° C homogenisiert und bei 649° C 12 Stunden lang
gealtert. Die Schmiedeteile hatten dann eine Vickershärte von 270 kg/mm2. Ein Versuch
bei 649° C und einer konstanten Streckungszunahme von 750% pro Stunde ergab als
Zerreißfestigkeit dieser Legierung über 7000 kg/cm2 und als Streckgrenze (0,2%-Grenze)
über 5600 kg/cm2. Die Dämpfung dieser Legierung bei 649° C war derjenigen eines
121/eigen Chromstahls AISI403 bei 482° C äquivalent. Beispiel II Die folgende; ebenfalls
durch Vakuumschmelzung gewonnene Legierung Nr. 956 hatte folgende Zusammensetzung
Kobalt ....................... 74,3% Nickel ....................... 22,8°/o Aluminium
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,231/o Titan ........................ 2%
Silizium ..................... 0,1'% Chrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 0,5%, Kohlenstoff .................. 0,006% Schwefel . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 0,008'% Verunreinigungen ............ Rest weniger als 0,1%
Die geschmolzene Legierung wurde zu Barren gegossen und ganz ähnlich wie nach dem
im Beispiel I beschriebenen Verfahren geschmiedet. Die gescltrniedeten Proben wurden
bei 1066° C homogenisiert und bei 649° C 100 Stunden lang gealtert und besaß nach
dieser Behandlung eine Vickershärte von 320 kg/mm=. Die Dämpfungseigenschaften waren
mit denen der Legierung von Beispiel I vergleichbar.
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Beispiel III Die folgende Legierung ist mit VM 55 bezeichnet; sie
wurde ebenfalls durch Vakuumschmelzung hergestellt. Ihre Zusammensetzung ist folgende:
Kobalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73,21/o Nickel .......................
23,4% Aluminium ................... 1.,25% Titan ................ . .......
1,25% Chrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,751/o Verunreinigungen
............ Rest weniger als 0,2% Die Legierung wurde zu Gußstücken gegossen und
bei 1038° C homogenisiert und dann 100 Stunden lang bei 649° C gealtert. Die Vickershärte
der gealterten Legierung betrug 280 kg/mm2. Der Dämpfungskoeffizient der Legierung
lag über dem einer AISI403-Legierung bei 482° C. Die Gußstücke zeigten bei den Standardzugversuchen
und auch bei Versuchen mit hoher Dauerbeanspruchung hohe Festigkeit.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine Turbinenschaufel 10 gezeichnet. Diese
umfaßt einen Fuß 12, an dem sie mit der Turbinenwelle zusammen mit einer Vielzahl
von anderen Turbinenschaufeln befestigt ist. Die eigentliche Schaufel 14 besitzt
als Abschluß einen Zapfen 16, durch den sie an einem Abschlußring befestigt ist.
In dem Abschnitt 14 besitzt die Schaufel Oberflächen 18 und 20 geeigneter Krümmung.
Diese Oberflächen werden von dem Dampf hoher Temperatur beaufschlagt und übernehmen
die Energie dieses Dampfes. Die Rückseite 20 einer jeden Schaufel ist so ausgebildet,
daß sie vom Dampf ohne nachteilige Wechselwirkung mit diesem frei umströmt wird.
Die Turbinenschaufeln können selbstverständlich verschiedene Größen und Formen haben,
je nach Anwendung.
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Während die im vorstehenden beschriebenen Legierungen mit einem Titangehalt
von 1 bis 2 % besonders für Temperaturen bis zu 649° C geeignet waren, fertigt man
Turbinenschaufeln und andere, bei höheren Temperaturen der Größenordnung 677 bis
704° C verwendete Werkstücke aus solchen Legierungen, in denen das Titan in einer
Menge bis zu 3% und das Aluminium in einer Menge bis zu 1,8% enthalten ist. Eine
geeignete Legierung für Turbinenschaufeln, die Temperaturen von 704° C ausgesetzt
sind, besteht somit aus 7719/o Kobalt, 19% Nickel, 2,3% Titan, 0,5% Aluminium, 1,0%
Chrom und einem Rest von Verunreinigungen.
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Eine Legierung mit hoher Dämpfung für Turbinen, die einer Temperatur
von 593° C ausgesetzt sind, besteht aus 65% Kobalt, 30% Nickel, 1% Chrom, 1,5% Titan,
0,2'% Aluminium und einem Rest von Verunreinigungen und Zusätzen.
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In Fig. 3 ist die Werkstoffdämpfung (logarithmisches Dekrement) in
Abhängigkeit von der Verschiebung (Scherungswinkel) für zwei erfindungsgemäße Legierungen
aufgetragen. Die X13-Legierung besteht aus 86% Kobalt, 90% Nickel, 1% Aluminium,
2,50% Titan, 1,5% Silizium und 0,1% Kalzium. Die T9-Legierung besteht aus 720% Kobalt,
24% Nickel, 1,8% Aluminium, 2% Titan und kleinen Mengen von Silizium, Kalzium u.
dgl. Der geringe Kalziumgehalt
dieser Legierungen ist der Rest eines
Desoxydationsmittels. Die 0,2-Grenze der T9-Legierung lag bei einer Temperatur von
649° C bei 5540 kg/cm2. Die Bruchdehnung betrug 16,5%.
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Drei Legierungen, jede mit einem Gehalt von 74,5% Kobalt und 22,8°/o
Nickel wurden (1) mit 2,5% Titan, (2) mit" 2,7°/o Aluminium und (3) mit 2% Titan
und 0,25% Aluminium legiert. Aus allen drei Legierungen wurden Barren hergestellt;
diese wurden in gleicher Weise bearbeitet und bei 1066° C homogenisiert. Proben
der drei Legierungen. wurden bei 649° C gealtert, und die Härte wurde in Intervallen
bestimmt. Die Kurven der Fig.4 sind das Ergebnis dieser Versuche. Man erkennt, daß
die Legierungen (1) und (2) die gewünschte Vickershärte von 250 HV auch nach 512stündiger
Alterung nicht erreichen, während die Legierung (3) die optimale Härte von 280 HV
nach weniger als 8stündiger Alterung erreicht hatte; die Härtungskurve dieser Legierung
zeigt bei 320 HV nach weniger als 100 Stunden eine Abflachung. Diese Kurven zeigen
die Wirkung des gleichzeitigen Vorhandenseins von Aluminium und Titan in den Legierungen.
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Ferner wurden einige Legierungen durch Zusatz von 0,1 bis 111/o Aluminium
zu einem Grundgehalt von 72% Kobalt, 23°/o Nickel und 211/o Titan und einem Rest
von geringen Mengen Eisen, Chrom und Silizium und anderen Elementen innerhalb der
genannten Grenzen hergestellt. Geschmiedete Proben dieser Legierungen wurden 1 Stunde
lang bei 1038° C homogenisiert, und dann wurden Proben einer jeden Legierung bei
732, 704 und 649° C einer Alterung von veränderlicher Dauer unterworfen und ihre
Härte geprüft. Die Kurven der Fig: 5 stellen die Ergebnisse dieser Versuche dar.
In jedem Fall wurde eine bedeutende Härtezunahme von ungefähr 80 Härteeinheiten
durch Zusatz von 0,1% Aluminium erzielt. Bei einem Zusatz zwischen 0,25°/o und 0,750/a
Aluminium nahm die Härte um annähernd 100 Einheiten zu. Die Kurven der Fig. 5 weisen
auf die Verbesserung des Härtegrades durch das gleichzeitige Vorhandensein von Aluminium
und Titan in diesen Legierungen hin.
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Zur Untersuchung des kritischen Einflusses der Härte auf die Dämpfung
wurde eine Versuchsserie mit einer Legierung, bestehend aus 70,7% Kobalt, 22,8°/oNickel,
1,8% Aluminium und 30/ö Titan und zum Rest. aus Verunreinigungen und Zusätzen, gemacht.
Die Legierung war bei 1038° C homogenisiert- und bei 649° C einer Alterungsbehandung
variabler Dauer unterworfen worden, so daß sie eine Härte vön 166, 286, 318 bzw.
341 HV angenommen hatte. Mit jeder Probe wurde ein Torsionsdämpfungstest bei verschiedenen
Torsionsspannungswerten durchgeführt. Es ergaben sich Resultate, die in den vier
Kurven der Fig.6 dargestellt sind. Man erkennt, daß bei einer Härte von 166 und
341 HV das logarithmische Dekrement bei Belastungen zwischen 280 und-1120 kg/cm2
unterhalb 0,01 liegt. Die Proben mit Härten von 286 bzw. 318 HV zeigten beide viel
größere Dämpfungswerte.