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Verfahren zur Herstellung von gut warmverformbaren Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen,
die bessere Verformbarkeit bei Temperaturen über 955°C aufweisen.
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Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen, insbesondere mit 501, Al,
2,50/, Sn, Rest Titan, wurden in erster Linie zur Verwendung in Form von
Blechen bei hohen Temperaturen für Flugzeuge und ferngelenkte Geschosse entwickelt.
Diese im wesentlichen einphasigen Legierungen vereinigen in sich hohe Festigkeit
bei hohen Temperaturen und die ausgezeichneten Schweißeigenschaften, die für x-Titanlegierungen
charakteristisch sind.
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Die bekannten Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen werden gewöhnlich hergestellt,
indem elementares Zinn und Aluminium zu einem Grundmetall aus Titanschwamm gegeben
werden. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß auf diese Weise hergestellte Legierungen
bei Temperaturen um 955°C beginnen, eine derartige Warmbrüchigkeit aufweisen, daß
eine Warmverformung oberhalb dieser Temperatur sehr schwierig, wenn nicht unmöglich
ist. Bei etwa 955°C macht sich die Erscheinung der Warmbrüchigkeit durch starke
Kantenrisse bemerkbar. Die Warmbrüchigkeit ist oberhalb von 1040°C nicht mehr vorhanden,
jedoch ist eine Warmverformung oberhalb dieser Temperatur durch das Auftreten übermäßig
starker Oxydation und von Kornwachstum ausgeschlossen. Demzufolge war es bisher
erforderlich, auf die beschriebene Weise hergestellte Legierungen bei einer Temperatur
unter 955°C zu bearbeiten, und häufig konnte die Verformung unter 913'C nicht
fortgesetzt werden, da das Material bei dieser Temperatur nicht mehr verformbar
war. Diese Beschränkungen ließen einen Temperaturspielraum von weniger als 42°C
für die Bearbeitung von Titanlegierungen zu, die durch Zusatz von Zinn und Aluminium
zu Titanschwamm hergestellt worden waren.
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Gemäß der Erfindung wird ein Gemisch aus einer Titan-Aluminium-Zinn-Vorlegierung,
die 30 bis 70 Gewichtsprozent Titan enthält, Rest Aluminium und Zinn im Gewichtsverhältnis
von 2: 1, und elementarem Titan geschmolzen, wobei eine Titan-Aluminium-Zinn-Legierung
gebildet wird, die bessere Duktilität oberhalb des normalen Bereichs der Warmformungstemperaturen
aufweist. Unter dem hier verwendeten Ausdruck »Vorlegierung« ist eine Legierung
zu verstehen, die 30 bis 70 Gewichtsprozent Titan enthält, Rest Aluminium und Zinn
im Gewichtsverhältnis von 2 Teilen Aluminium zu 1 Teil Zinn und zufällige Verunreinigungen.
Die Vorlegierung muß ferner so viel Aluminium und Zinn enthalten, daß die fertige
Legierung nach Verdünnung mit Titanschwamm die Bestandteile im gewünschten Verhältnis
enthält. Die Verwendung einer Titan-Vorlegierung als Träger zur Einführung von Aluminium
und Zinn in Titanschwamm im Gegensatz zu der bisher angewendeten Methode des Zusatzes
von elementarem Aluminium und Zinn zu Titanschwamm ermöglicht die Herstellung einer
fertigen Legierung, die bessere Verformbarkeit oberhalb des für die Warmverformung
der betreffenden Legierungen in Frage kommenden normalen Temperaturbereichs aufweist,
und erhöht die Temperatur, bei der die Warmbrüchigkeit sich während der Warmverformung
der Legierung nachteilig bemerkbar macht.
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In Legierungen, die durch Zugabe von Zinn und Aluminium zu Titanschwamm
hergestellt wurden, neigt die Zinnkomponente der Legierung dazu, sich an den Korngrenzen
der fertigen Legierung auszuscheiden, anstatt zusammen mit dem Aluminium in der
Titan-Grundmasse in fester Lösung zu bleiben. Diese Erscheinung führt zu Warmbrüchigkeit.
Die Homogenität der Endlegierung wird bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
d. h. bei Herstellung unter Verwendung der Vorlegierung, erhöht. Die erhöhte Homogenität
bewirkt eine Verbesserung
der Duktilität über die normale Warmverformungstemperatur,
also über 955°C hinaus und verringert dadurch die Neigung, daß die Titanlegierung
bei einer bestimmten Temperatur warmbrüchig wird.
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Zum Vergleich des gemäß der Erfindung erhaltenen Produkts mit einem
nach dem bekannten Verfahren hergestellten Produkt wurden Zerreißprüfungen bei verschiedenen
Temperaturen durchgeführt, um den Einfluß der bekannten und neuen Herstellungsverfahren
auf die Duktilität der Legierungen zu untersuchen. Die Bedingungen und Resultate
sind in Tabelle I aufgeführt. Die Herstellung wurde wie folgt vorgenommen Nach dem
bekannten Verfahren wurde eine Titanlegierung hergestellt; indem 5 Gewichtsprozent
feinteiliges Aluminium (maximale Teilchengröße 0,84 mm), 2,5 Gewichtsprozent feinteiliges
Zinn (maximale Teilchengröße 0,84 mm) und 92,5 Gewichtsprozent Titanschwamm (einer
Brinellhärte von 113) gemischt wurden.
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wurde eine Mischung aus einer
Titan-Vorlegierung, die 20 Gewichtsprozent Zinn, 40 Gewichtsprozent Aluminium und
40 Gewichtsprozent Titan enthielt, mit Titanschwamm (einer Brinellhärte von 113)
gemischt: Durch Pressender beiden Mischungen wurden zwei 50,8-mm-Abschmelzelektroden
hergestellt. Die gepreßten Elektroden wurden dann unter hohem Vakuum unter Verwendung
von Gleichstrom geschmolzen, wobei aus jeder Ausgangsmischung ein Block von 101,6
mm Durchmesser und folgender Zusammensetzung erhalten wurde: 92,5 % Titan, 5 % Aluminium,
2,5 % Zinn.
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Aus jedem der hergestellten Blöcke wurden genormte Zerreißstäbe von
6,35 mm Durchmesser hergestellt und Kurzzeit-Zerreißprüfungen bei hoher Temperatur
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in TabelleI zusammengestellt. Eine Zunahme der
Dehnung und der Einschnürung läßt eine Zunahme der Duktilität erkennen. Eine Zunahme
der Einschnürung wird gewöhnlich als besseres Maß für eine Verringerung der Neigung
zu Warmbrüchigkeit angesehen als eine Zunahme der Dehnung. Tabelle I Bei erhöhter
Temperatur durchgeführte Zerreißprüfungen an genormten Zerreißstäben von 6,35 mm
Durchmesser
| Temperatur Zugfestigkeit Dehnung, o/o Einschnürung |
| (Meßlänge |
| 0C kg/cm, 25,4 mm) °/o |
| Durch Zusatz der elementaren Legierungs- |
| bestandteile hergestellte Titanlegierung |
| 927 519,9 76 69 |
| 954 471,6 32 47 |
| 982 354,5 54 48 |
| 1010 238;4 68 73 |
| 1038 195,3 59 |
| 80 |
| Gemäß der Erfindung unter Verwendung der |
| Vorlegung hergestellte Titanlegierung |
| 899 651,9 80 92 |
| 927 545,0 78 90 |
| 954 517,1 90 88 |
| 982 388,5 126 79 |
| 1010 259;3 104 95 |
| 1038 168,8 76 99 |
| 1066 106;2 90 99 |
Aus diesem Beispiel ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Duktilität über den Bereich
der üblichen Walztemperaturen für Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen stark verbessert
wird. Die bessere Duktilität kann zur Homogenität des Produkts in direkte Beziehung
gebracht werden, wie sich aus Tabelle II ergibt. Die nach dem bekannten Verfahren,
d. h. unter Zusatz der elementaren Legierungsbestandteile hergestellte Legierung
wies eine geringe Homogenität in bezug auf Aluminium und Zinn auf als die unter
Verwendung der Vorlegierung gemäß der Erfindung hergestellte Legierung.
| Tabelle II |
| Analyse der Blöcke |
| Unter Verwendung Durch Zugabe |
| der Vorlegierung der elementaren |
| hergestellte Legierungszusätze |
| Probenahme- Legierung hergestellte |
| stelle Legierung |
| minium Zinn # tim Zinn |
| 0 / 0 0 / 0 0 / 0 |
| 0 / 0 |
| Außen oben . . 5,66 2,74 5,10 2,47 |
| Außen Mitte. . 4,95 2,51 4,35 1,58 |
| Außen unten 4,58 2,35 4,24 1,53 |
| Innen oben ... 5,59 2,77 5,12 2,67 |
| Innen Mitte . . 5,46 2,69 4,85 2,20 |
| Innen unten . . 4,91 2,44 4,37 1,69 |
Im vorstehenden Beispiel wurde eine aus 92,5 % Titan, 5% Aluminium und 2,5 Gewichtsprozent
Zinn bestehende Legierung geprüft. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann zur Herstellung
von Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen angewendet werden, mit der einzigen Einschränkung,
daß die im Verfahren verwendete Vorlegierung 30 bis 70 Gewichtsprozent Titan, Rest
Aluminium und Zinn, bei einem Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Zinn von 2: 1
enthalten muß.