DE1107947B - Verfahren zum Herstellen hitzebestaendiger Werkstoffe aus Titanlegierungen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen hitzebestaendiger Werkstoffe aus Titanlegierungen

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DE1107947B
DE1107947B DEA23668A DEA0023668A DE1107947B DE 1107947 B DE1107947 B DE 1107947B DE A23668 A DEA23668 A DE A23668A DE A0023668 A DEA0023668 A DE A0023668A DE 1107947 B DE1107947 B DE 1107947B
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DE
Germany
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phase
alloys
titanium alloys
alloy
resistant materials
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DEA23668A
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English (en)
Inventor
Harold Daniel Kessler
Franic Alphonso Crossley
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Armour Research Foundation
Original Assignee
Armour Research Foundation
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

  • Verfahren zum Herstellen hitzebeständiger Werkstoffe aus Titanlegierungen Titanlegierungen mit Vanadin und/oder Molybdän, die außerdem einen gewissen Aluminiumgehalt aufweisen, werden nach einem bekannten Verfahren zunächst im Mehrphasengebiet homogenisierend geglüht und nach Abschrecken weiterhin, ebenfalls bei erhöhter Temperatur, gealtert. Es bildet sich dabei in der ersten, d. h. der Glühstufe unter Vergröberung der Mikrostruktur eine kontinuierliche a-Phase, und beim Altern oder Aushärten regeneriert hieraus die j'-Phase. Die Homogenisierung bzw. Stabilisierung (erste Stufe) erfolgt nach diesem bekannten Verfahren bei 537 bis 593° C, während das Altern (zweite Stufe) durch eine bis zu 200 Stunden dauernde Behandlung bei Temperaturen bis zu 426° C durchgeführt wird. Die gewünschten Eigenschaften (gute Wärmestabilität, leichte Verformbarkeit, Zähigkeit usw.) werden nach dieser bekannten Methode weiterhin dadurch erreicht, daß man außer der erwähnten Temperaturbehandlung noch eine mechanische Behandlung (mehrstufiges Verstrecken bei über 700° C) einschaltet. Demgegenüber wurde nun gefunden, daß man aus Titanlegierungen mit 1 bis 6% Vanadin und/oder Molybdän, die daneben einen mindestens ebenso hohen Gehalt an Aluminium aufweisen, Werkstoffe mit besonders guten Eigenschaften herstellen kann, wenn man das Glühen 4 bis 24 Stunden bei Temperaturen zwischen 815 und 899° C und das Altern oder Aushärten nach raschem Abkühlen 12 bis 24 Stunden bei 540 bis 649° C durchführt.
  • Die erfindungsgemäß erhaltenen Werkstoffe zeigen auch unter extremen Temperaturbedingungen, insbesondere in der Hitze, Zug- und Bruchfestigkeitswerte, die sie allen Anforderungen, welche an derartige Legierungen gestellt werden können, gewachsen sein lassen. Während die bekannten vergleichbaren Werk-stoffe meist bei höheren Temperaturen spröde werden, wodurch ihre Verwendbarkeit stark eingeschränkt ist, besteht diese Neigung bei den durch die Wärmebehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren veredelten Titanlegierungen nicht mehr.
  • Das Titan, welches das Grundmetall für die erfindungsgemäß zu behandelnden Legierungen darstellt, kann rein oder von handelsüblicher Beschaffenheit sein, d. h. die üblichen Gehalte an Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff aufweisen. Wasserstoff soll nur in Spuren (vorzugsweise unter 0,02%, höchstens bis etwa 0,03 @0; o) darin vorhanden sein, da höhere Wasserstoffgehalte den Erfolg der Veredelung beeinträchtigen.
  • Der Aluminiumgehalt soll aus dem gleichen Grund etwa 80;o nicht übersteigen, andererseits jedoch mindestens die Höhe des Vanadin- und/oder Molybdängehaltes erreichen. Er liegt vorzugsweise zwischen 4 und 6%.
  • Der Anteilsbereich für Vanadin bzw. Molybdän oder beide Metalle zusammen liegt erfindungsgemäß zwischen einem Mindestgehalt von etwa 1 bis 2-%, wobei bereits eine deutliche Verbesserung der Festigkeit und Formbarkeit eintritt und einem Maximum von etwa 6"lo, oberhalb dessen keine offensichtlichen Vorteile bei der erfindungsgemäßen Behandlung mehr erzielt werden. Es hat den Anschein, daß ein Molybdängehalt bei geringen Anteilsmengen vorteilhafter ist als ein Vanadingehalt, so daß 1 % Molybdän etwa 21/o Vanadin entsprechen. Gewöhnlich ist es vorteilhaft, bei Vanadin allein im Bereich von 4 bis 6%, vorzugsweise von 3 bis 511/o, zu bleiben, während bei Verwendung von Molybdän allein der vorteilhafte Anteilsbereich zwischen etwa 1 und 5,9/o, vorzugsweise zwischen 3 und 4%, liegt. Derartige Legierungen entsprechen am besten den Vorbedingungen, die an das Ausgangsmaterial zu stellen sind.
  • Hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Aluminium einerseits und Vanadin und/oder Molybdän andererseits ist zu sagen, daß verhältnismäßig hohe AI-Gehalte zwar die Festigkeit der Werkstoffe erhöhen, jedoch ihre Formbarkeit unter Umständen herabsetzen. Als Mindestwert für das Verhältnis von Al: V bzw. Mo oder V + Mo wurde oben bereits der Wert 1:1 genannt. Vorteilhaft ist ein Wert von 2:1 für dieses Verhältnis mit der Maßgabe, daß nicht mehr als 8 °/o Al (also nicht mehr als 4% V bzw. Mo bzw. V + Mo) vorhanden sind.
  • Gegebenenfalls sind geringe Siliciumgehalte in der Ausgangslegierung nicht nur unschädlich, sondern erhöhen die Wirkung des Veredelungsverfahrens. Der bevorzugte Bereich hierfür liegt bei 0,5 bis 1,0 % Si, mehr als 1,5019 Si sind nachteilig.
  • Die als Ausgangsmaterial dienenden Legierungen sind Mehrphasenlegierungen, die hauptsächlich aus Titan in der a-Form mit wenigstens einer weiteren ausgesprochen mikrokristallinen Phase bestehen, die als fl ,-Form des Titans bekannt ist. Ein Erhitzen der Legierung auf extrem hohe Temperaturen würde zum so gut wie vollkommenen Übergang in eine einzige mikrokristalline Phase, vermutlich die ß-Phase, führen. Erfindungsgemäß wird jedoch die Legierung nicht auf eine Temperatur gebracht, bei der das Mehrphasengebiet überschritten wird.
  • Andererseits ist es bekannt, daß das Erhitzen innerhalb des Mehrphasengebietes zur Vergröberung der Mikrostruktur führt, falls die entsprechende Temperatur eine beträchtliche Zeit lang eingehalten wird. Diese Vergröberung ist demnach eine metallurgische Erscheinung, bei welcher der Zeitfaktor eine große Rolle spielt. Das Glühen allein reicht offensichtlich noch nicht aus, um die Vergröberung einzuleiten, vielmehr muß die Legierung beträchtliche Zeit bei hoher Temperatur gehalten werden, wobei es sich gewissermaßen um eine Ankubations«-Zeit handelt, die erforderlich ist, damit sich in der Legierung das notwendige Energiegleichgewicht einstellt, bei welchem die Vergröberung beginnt. Auch in ihrem weiteren Verlauf ist die Vergröberung eine Funktion der Zeit.
  • Bei der bekannten Verarbeitung von Titanlegierungen ist häufig von »Nachglühen« die Rede, wobei ein Umkristallisieren erzielt wird, jedoch keine wesentliche Zunahme der Korngröße bzw. kein Wiederauflösen von Carbiden. So hält man beispielsweise nach der USA.-Patentschrift 2 596 489 die Legierung etwa 31/s Stunden bei 850' C, was als zweckmäßig zur Erzielung einer Umkristallisation beschrieben wird, wobei jedoch kein wesentliches Anwachsen der Korngröße stattfindet.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen bestehen zum größten Teil aus Titan in der a-Phase, und die übrigen Phasen, wie die /;-Phase, zeigen sich beim Ätzen als dispergierte Körper oder Lamellen in der Mikrostruktur, wobei die a-Phase den »interlamellaren« Raum ausfüllt. Die erfindungsgemäß erreichte Vergröberung besteht im Anwachsen des durchschnittlichen Abstandes der Körper oder Lamellen und führt letztlich zur Ausbildung einer kontinuierlichen u-Phase. Es ist anzunehmen, daß die Entstehung einer kontinuierlichen a-Phase während des Vergröberungsvorganges von Bedeutung ist, da hierdurch die einzelnen f-Phasenteilchen von einer zusammenhängenden a-Titanmatrix umhüllt werden, in der sie dispergiert sind. Die a-Phase weist aber wahrscheinlich eine gewisse Elastizität auf, was der Legierung eine größere Dehnbarkeit verleiht. Dies wirkt sich besonders dann aus, wenn die a-Phase als kontinuierliche Phase vorliegt.
  • Die erste Stufe des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens bewirkt diese vorteilhafte Vergröberung der Mikrostruktur der Legierung unter Ausbildung einer kontinuierlichen und groben a-Phase. Ein ähnliches Resultat wird durch die üblichen Herstellungsverfahren für Legierungen, d. h. zweimaliges Schmelzen im Lichtbogen u. dgl., nicht erreicht, auch nicht durch eine mechanische Bearbeitung der Legierung etwa durch Verstrecken (Walzen oder Schmieden). Im übrigen schreiben alle bekannten Verfahren vor, die Legierung nicht längere Zeit bei einer Temperatur zu halten, bei der eine Strukturvergröberung eingeleitet oder gar in einem Ausmaß durchgeführt wird, wie es zur Bildung einer kontinuierlichen a-Phase notwendig ist.
  • Erfindungsgemäß wird demgegenüber die Vergröberung auf Grund der vorgeschriebenen Glühtemperatur und -dauer zumindest so weit getrieben, bis der durchschnittliche interlamellare Abstand in der Mikrostruktur verdoppelt ist, vorzugsweise so, daß der mittlere Abstand um 300 bis 500 % zunimmt.
  • Nach dem Glühen wird die Legierung schnell abgekühlt, was in einer inerten Atmosphäre, in Luft oder durch Abschrecken der vergröberten Legierung erfolgen kann. Das Abkühlen kann bis auf etwa Raumtemperatur getrieben werden, wobei dann für die nachfolgende Alterungsstufe wieder erhitzt wird, oder es kann lediglich darin bestehen, daß man die Legierung bis zu der Temperatur abkühlt, bei welcher die Alterung in der letzten Stufe der Wärmebehandlung stattfindet.
  • Bei der Alterung, die auch als Stabilisierung angesehen werden kann, wird die Legierung bei Temperaturen gehalten, die der Anwendungstemperatur für derartige hitzebeständige Legierungen entsprechen, d. h. bei mindestens 540° C. Erfindungsgemäß wird die Alterung im Bereich von 540 bis 649° C durchgeführt, was etwas über den im allgemeinen in Betracht kommenden Anwendungstemperaturen (gewöhnlich etwa 430 bis 540° C) liegt. Die Alterung ist beendet, wenn die fl-Phase, die beim Ätzen dunkel erscheint, gebildet ist, was nach 12 bis 24 Stunden der Fall ist.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zum Herstellen hitzebeständiger Werkstoffe aus Titanlegierungen mit 1 bis 6% Vanadin und/oder Molybdän und mindestens ebenso hohem Aluminiumgehalt, wobei ein Gußstück aus diesen Legierungen zunächst im Mehrphasengebiet geglüht wird, so daß sich eine vergröberte Mikrostruktur mit kontinuierlicher a-Phase bildet, worauf abgeschreckt und in der Wärme gealtert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei 815 bis 899° C während 4 bis 24 Stunden geglüht und 12 bis 24 Stunden bei 540 bis 649 C gealtert wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1085 628.
DEA23668A 1954-10-27 1955-10-27 Verfahren zum Herstellen hitzebestaendiger Werkstoffe aus Titanlegierungen Pending DE1107947B (de)

Applications Claiming Priority (1)

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US1107947XA 1954-10-27 1954-10-27

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1289992B (de) * 1964-09-18 1969-02-27 Imp Metal Ind Kynoch Ltd Verwendung von Titanlegierungen fuer hochfeste, korrosionsbestaendige Gegenstaende, die mit Fluor verunreinigten Atmosphaeren ausgesetzt sind
EP0181713A1 (de) * 1984-10-18 1986-05-21 AlliedSignal Inc. Verfahren zur Wärmebehandlung von Titangussstücken
DE3740732A1 (de) * 1987-01-28 1988-08-11 Ohara Co Dentalgussstuecke aus titanlegierung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1085628A (fr) * 1952-11-01 1955-02-04 Rem Cru Titanium Perfectionnements aux alliages stables de titane contenant la structure bêta de celui-ci

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