DE1291512B - Verwendung von Titanlegierungen mit hoher Kriechfestigkeit bei 400íµ und darueber sowie guter Wasserstoffbestaendigkeit - Google Patents

Verwendung von Titanlegierungen mit hoher Kriechfestigkeit bei 400íµ und darueber sowie guter Wasserstoffbestaendigkeit

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DE1291512B
DE1291512B DEI17220A DEI0017220A DE1291512B DE 1291512 B DE1291512 B DE 1291512B DE I17220 A DEI17220 A DE I17220A DE I0017220 A DEI0017220 A DE I0017220A DE 1291512 B DE1291512 B DE 1291512B
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Fentiman William Percival
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Titanlegierungen, welche eine gute • Kriechfestigkeit bei 4000C und darüber besitzen und welche bei der Verwendung bei diesen hohen Temperaturen infolge Wasserstoffaufnahme nicht verspröden.
Legierungen für Gegenstände, die bei erhöhten Temperaturen angewandt werden, bei denen eine Stabilität der Abmessungen wichtig ist, wie beispielsweise bei Gasturbinenkompressorschaufeln, müssen nicht nur gute Kriecheigenschaften, sondern auch eine entsprechende Festigkeit besitzen, und sie müssen während des Gebrauchs sprödbruchsicher sein.
Es ist wünschenswert, daß Legierungen, die in derartiger Weise angewandt werden, möglichst viele der folgenden Eigenschaften besitzen: gute Festigkeit und ausreichende Duktilität bei Raumtemperatur, hohe Festigkeit und niedrige Kriechgeschwindigkeiten bei Temperaturen von 4000C und mehr, Sprödbruch-Sicherheit, eine geringe Wasserstoffempfindlichkeit, gute Schmiedbarkeit, geringe Dichte und gute Oxydationsbeständigkeit.
Titanlegierungen sind für die genannten Anwendungszwecke vorgeschlagen worden, da sie eine brauchbare niedrige Dichte und gute Oxydationsbeständigkeit besitzen, und gewisse Titanlegierungen haben auch gute Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Eine derartige Legierung, wie sie aus der französischen Patentschrift 1070 589 bekannt ist und die aus 1 bis 23% Zinn und 0,25 bis 7% Aluminium, Rest Titan, besteht und die gegebenenfalls noch zusätzlich 0,1 bis 20% eines oder mehrerer /^-Stabilisatoren, wie Molybdän, Zirkonium und Kupfer, enthalten kann, hat wohl gute Kriecheigenschäften, jedoch den Nachteil, daß bei gewissen Wasserstoffgehalten starke Versprödung bei Arbeitstemperatur eintritt, so daß eine derartige Legierung für die oben angegebenen Anwendungszwecke nicht in Frage kommt, wenn sie nicht im Vakuum geglüht wird, wodurch der Wasserstoffgehalt verringert wird. Dies ist jedoch ein sehr kostspieliges Verfahren, und die Herstellung von Gegenständen aus derartigen Legierungen wird erheblich verteuert.
Aus der französischen Patentschrift 1105 638 sind ferner ternäre Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen aus 0,5 bis 31% Zinn, 0,5 bis 10% Aluminium, Rest Titan, bekannt, die bei erhöhten Temperaturen eine gute Festigkeit und auch eine gute Kriechfestigkeit besitzen. Ähnliche Titan-Zinn-Aluminium-Legierungen mit Zirkoniumzusätzen von 0,5 bis 20% sind auch in der USA.-Patentschrift 2 669 513 beschrieben. Aus der USA.-Patentschrift 2 779 677 sind ferner Titanlegierungen, die unter anderem aus 1 bis 23% Zinn, 0,25 bis 8% Aluminium, 0,1 bis 3% Silizium und/oder Bor, Rest Titan, bestehen, bekannt.
Diese Vorveröffentlichungen behandeln ganz allgemein Titan-Zinn-Aluminium-Legierungen, und es ist bisher noch nicht vorgeschlagen worden, Titan mit Zinn, Aluminium und gegebenenfalls Zirkonium, Molybdän, Silizium, Kupfer und/oder Bor in bestimmten Zusammensetzungen zu legieren, um die Wasserstoffversprödung von Legierungen mit toner Kriechfestigkeit zu verringern, so daß solche Legierungen zur Herstellung von Flugzeugen oder Flugzeugteilen verwendet werden können.
Es wurde nun gefunden, daß durch Abwandlung der Zusammensetzung von Titan-Zinn-AIuminium-Legierungen solche mit guter Kriechbeständigkeit ohne Versprödung bei sämtlichen Wasserstoffgehalten erhalten werden können, wenn die Legierungen einer Wärmebehandlung unterworfen worden sind.
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Titanlegierungen, bestehend aus 10 bis 12% Zinn und 1,75 bis 2,75% Aluminium, gegebenenfalls zusätzlich noch 1 bis 10% Zirkonium, 0,5 bis 5% Molybdän, 0,05 bis 0,5% Silizium und 0,1 bis 2,5% Kupfer, einzeln oder zu mehreren, Rest Titan, und übliche Verunreinigungen, als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen, die im wärmebehandelten Zustand eine hohe Kriechfestigkeit bei 4000C und darüber und gute Beständigkeit gegen Versprödung bei Wasserstoffgehalten der Legierungen von über 0,001% besitzt.
Die Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierungen mit einem Zinn- und Aluminiumgehalt ergibt sich aus dem Diagramm, worin die einzelnen Punkte folgende Zusammensetzungen bezeichnen:
Punkt P:
Titanlegierung
Aluminium,
Punkt Q:
Titanlegierung
Aluminium,
Punkt R:
Titanlegierung
mit 12% Zinn und 1,75%
mit 12% Zinn und 2,75%
mit 10% Zinn und 2,75% Aluminium und
Punkt S:
Titanlegierung mit 10% Zinn und 1,75%' Aluminium.
Die üblichen Verunreinigungen von Titanlegierung sind Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Eisen, und es ist wünschenswert, daß die Mengen dieser Elemente so niedrig wie möglich gehalten werden. Wenn in der folgenden Beschreibung, insbesondere in den Tabellen, auf verschiedene Legierungszusammensetzungen hingewiesen wird, so ist bisweilen der Titangehalt derselben nicht erwähnt, jedoch ist grundsätzlich darauf hinzuweisen, daß der Rest der Legierungen immer aus Titan und den üblichen Verunreinigungen besteht.
Die Zinn- und Aluminiumgehalte der Legierungen bestimmen die Schmiedbarkeit und Beständigkeit gegenüber Versprödung in Gegenwart von Wasserstoff, und im folgenden werden nunmehr die Wirkungen dieser beiden Legierungselemente mit Bezug auf das Zeichnungsdiagramm näher erläutert.
Die Linie BC des Diagramms bezeichnet die Grenze der Zusammensetzung von Legierungen, welche Bruchdehnungen von nicht weniger als 10%, bezogen auf eine Meßlänge von 4 fF, mit einem Wasserstoffgehalt bis zu 180 ppm (=0,0180%) aufweisen und wobei der Wasserstoffgehalt an Proben bestimmt worden ist, welche 30 Minuten lang auf UOO0C erwärmt, an Luft abgekühlt, nochmals auf 800" C erwärmt und im Ofen abgekühlt wurden. Legierungen, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzungen auf der linken Seite der Linie" BC liegen, können übliche Wasserstoffgehalte aufweisen, ohne daß die Legierungen eine Versprödung zeigen, nachdem sie einer Wärmebehandlung unterworfen worden sind, um den Legierungen die besten Kriecheigenschaften zu erteilen.
I 291 512
Bei Legierungen, die auf der rechten Seite dieser Linie SC liegen, können übliche Wasserstoffgehalte oberhalb eines bestimmten Grenzwertes zu Versprödungen führen. Dieser Grenzwert ist um so niedriger, je weiter die Legierungszusammensetzung von dieser Linie entfernt ist. Diese Abnahme des zulässigen Wasserstoffgefialtes bei steigendem Legierungsgehalt von Aluminium geht sehr rasch vonsiatten, und die Linie XY bezeichnet die Grenzlinie der Zusammensetzung von Legierungen, weiche Bruchdehnungen von nicht weniger als 10%, bezogen auf eine Meßlänge von 4 ]fF, aufweisen, wenn der Wasserstoffgehalt den Wert von 10 ppm {= 0,0010%) nicht überschreitet. Es ist ersichtlich, daß der Unterschied in der Zusammensetzung von Legierungen auf der Grenzlinie BC und solchen auf der Grenzlinie XY verhältnismäßig gering ist und nur etwa 1,5% Aluminium entspricht. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind auf den kleinen Flächenbereich PQRS links der Linie BC beschränkt, und Legierungen, die außerhalb dieser Fläche liegen, besitzen mit wenigen Ausnahmen nicht die guten Eigenschaften, weiche die Legierungen aufweisen, die innerhalb der angegebenen Fläche liegen. Obwohl gewisse Legierungen außerhalb dieser Fläche wohl beispielsweise eine gute Duktilität aufweisen, können sie trotzdem geringe Festigkeit haben oder schlechte Schmiedeeigenschaften besitzen, oder andererseits können sie gute Zugfestigkeit aufweisen, jedoch ziemlich hohe Kriechgeschwiiidigkeit besitzen, und sie können spröde sein.
Es wurde gefunden, daß die ternären Titan-Zinn-Aluminium-Legieningen vom α-Typ mit den besten Kriecheigenschaften, welche die Grundlage für die erfindungsgeraäß zu verwendenden Legierungen bilden, ein nadeiförmiges Gefüge aufweisen und daß ein derartiges Gefüge durch Wärmebehandlungen erzielt werdea kann. Die Legierungen werden auf eine Temperatur innerhalb des ^-Feldes erwärmt, abgekühlt und in den oberen Teil des α-Feldes wieder erwärmt, wobei die Abkühiungsgeschwindigkeit aus dem /ϊ-Feld die Eigenschaften der Legierungen bestimmt. Eine geringe Abkühlungsgeschwindigkeit, beispielsweise durch Luftabkühlung, ergibt eine geringe Kriechgeschwindigkeit bei 5000C, während eine rasche Abkühlung, beispielsweise durch Abschrecken in Wasser, einen festeren Werkstoff ergibt, der aber eine etwas höhere Kriechgeschwiiidigkeit besitzt. Eine Wärmebehandlung, bei der sich herausgestellt hai, daß hierdurch befriedigende Ergebnisse erzielt werden, besteht darin, daß die Titan-Zinn-AluminJum - Legierung auf eine Temperatur von 11000C erwärmt, dann an Luft abgekühlt oder auf Raumtemperator abgeschreckt wird, worauf die Legierung ernetfi eine gewisse Zeit lang auf 700 bis 8000C erwärmt wird und erneut an Luft oder im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt wi"L Wenn die Abkühlung an Luft erfolgt, läßt man die Legierung mit natürlicher Geschwindigkeit an freier Luft abkühlen, und wenn die Legierung im Ofen abgekühlt wird, läßt man sie mit der Geschwindigkeit abkühlen, bei der der Ofen, wenn er geschlossen ist und die Heizquelle abgeschaltet ist, abkühlt.
Aus den Tabellen sind die Eigenschaften von erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen zu entnehmen. Die Wasserstoffgehalte der untersuchten Legierungen lagen bei etwa 0,018% (== 180 ppm).
In dem Diagramm gibt die Linie FG die Grenze der guten Schmiedbarkeit der Legierung bei 10000C an. Legierungszusammensetzungen auf der linken Seite dieser Linie besitzen eine gute Schmiedbarkeit. Legierungen auf der rechten Seite der Linie FG sind wohl schmiedbar, jedoch muß hierbei mehr Sorgfalt angewandt werden, als es bei den Legierungen auf der linken Seite dieser Linie der Fall ist.
Die Kriecheigenschaften der ternären Titan-Zinn-Aluminium-Grundlegierurig können durch Zusatz von folgenden Legierungselementen weiter verbessert werden. Diese Elemente sind hierbei 1 bis 10% Zirkonium, 0,5 bis 5% Molybdän, 0,05 bis 5% Silizium und/oder 0,1 bis 2,5% Kupfer, wobei Zirkonium ein α-Stabilisator und Molybdän ein ^-Stabilisator ist und Silizium und Kupfer ^-Stabilisatoren darstellen, welche unter gewissen Wärmebehandlungsbedingungen metallische Verbindungen bilden.
Die Wirksamkeit dieser Legierungsbestandteile,
ίο einzeln oder zu mehreren, wird im folgenden erläutert: Bei denjenigen Legierungen, bei denen die Zusatzkomponente allein aus Zirkonium besteht, werden bei einem 10%igen Zirkoniumzusatz höhere Festigkeitswerte bei Raumtemperatur und bessere Kriecheigenschaften bei 4000C erhalten als bei einer Legierung mit 5% Zirkonium. Die Legierung mit 5% Zirkonium ergibt bei 5000C bessere Kriecheigenschaften als die 10% Zirkonium enthaltende Legierung, und sie ist auch besser schmiedbar. Bei einem Vergleichsversuch, bei dem die Probestücke bei 1100 und 7000C in der vorher beschriebenen Weise wärmebehandelt wurden und wobei sie einem Kriechversuch bei 5000C unter einer Belastung von 23,6 kp/mm2 300 Stunden lang unterworfen wurden, zeigte sich, daß die Legierung mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium und 5% Zirkonium, Rest Titan, eine bleibende Gesamtdennimg von 0,049% aufweist, während eine Legierung mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium und 10% Zirkonium, Rest Titan, eine bleibende Gesamtdehnung von 0,08% besitzt. Nach dem Kriechversuch wurden folgende Festigkeitswerte bei einer Legierung mit 5% Zirkonium festgestellt: Zugfestigkeit 98,0 kp/mm2, Bruchdehnung 15%, bezogen auf eine Meßlänge von 4 ]βζ Bracheinschnürung 23% und bei einer Legierung mit 10% Zirkonium : Zugfestigkeit 103,9 kp/mm2, Bruchdehnung 15%, bezogen auf eine Meßlänge von 4 j/F7 Brucheinschnürung 19%. Aus diesen Werten ergibt sich, daß die Legierung mit einem Zirkoniumgehalt von 5% für gewisse bestimmte Zwecke brauchbar ist und eine solche mit einem Zirkoniumgehalt von 1Q% für anders Zwecke. Ein wünschenswerter Bereich der Legierungszusammensetzung ist daher in einem Falle 2,5 bis 7,5% Zirkonium, und ein geeigneter Bereich, der die zulässigen Veränderungen der Zusammensetzung in der Produktion berücksichtigt, ist 4 bis 6% Zirkonium. Andererseits ist ein wünschenswerter Bereich der Zusammensetzung derjenige von 6 bis 10% Zirkonium, und ein geeigneter Bereich, der die zulässigen Abweichungen bei der technischen Herstellung solcher Legierungen berücksichtigt, beträgt 8 bis 10% Zirkonium. Da Zirkonium ein a-Siabilisator ist, sind solche Legierungen vom α-Typ.
Ein Vergleich der U% Zinn, 2,25% Aluminium und 5% Zirkonium, Rest Titan, enthaltenden Legierung mit anderen bekannten Legierungen findet sich in Tabelle ί, worin die erforderlichen Belastungen
bei Kriechbeanspruchung angegeben sind, die notwendig sind, um eine 0,l%ige Gesamtdehnung innerhalb von 300 Stunden bei verschiedenen Temperaturen hervorzurufen. Obwohl gewisse der dort angegebenen Legierungen höhere Belastungen erfordern, um die Dehnung von 0,1% bei 300 Stunden und 4000C zu erreichen, ergibt sich aus der Tabelle eindeutig die Überlegenheit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen bei höheren Temperaturen als 4000C. ίο
Die Kriecheigenschaften einer Titanlegierung mit ll°/o Zinn und 2,25% Aluminium können ferner durch Zusatz von Silizium in Mengen von 0,05 bis . 0,5% verbessert werden. Die bevorzugte Menge an zugesetztem Silizium beträgt 0,2%, und hierdurch wird die Gesamtdehnung in höchst bemerkenswerter Weise verringert und auch die Zugfestigkeit vergrößert, wobei nur ein geringer Verlust an Duktilität „eintritt.
Silizium kann gegebenenfalls der 11% Zinn, 2,25% Aluminium und 5% Zirkonium enthaltenden Titanlegierung zugesetzt werden, um die Zugfestigkeit zu verbessern, wobei die Duktilität nur in geringer Welse gesenkt wird.
Die vorteilhafteste Wirkung des Siliziumzusatzes besteht darin, daß eine Verbesserung der bleibenden Dehnung nach Wärmebehandlung auftritt, die in einer Erwärmung in den /S-Bereich bei Temperaturen von 975°C oder höher, Luftabkühlen und Altern bei Temperaturen in dem Bereich von 500 bis 7000C bestehen. Bei einer bestimmten Wärmebehandlung findet eine Erwärmung auf 10000C, Luftabktihlung und erneute Erwärmung auf 7000C und Luftabkühlung statt, und hierbei wird die bleibende Dehnung auf 0,083% in 300 Stunden unter einer Belastung von 31,5 kp/mm2 bei 5000C verringert, während bei einer anderen Wärmebehandlung, wobei eine Erwärmung auf 10000C, Luftabkühlung und Wiedererwärmen auf 500°C und Luftabktihlung stattfindet, die bleibende Dehnung unter den gleichen Prüfbedingungen auf 0,07% verringert wird.
Die Verbesserungen der Eigenschaften der Legierung mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium und 5% Zirkonium, Rest Titan, die durch Siliziumzusätze und durch Wärmebehandlung erzielt werden, sind in den Tabellen II, III und IV niedergelegt. Hieraus ergibt sich, daß der Siliziumzusatz vorzugsweise 0,2% beträgt. Ein brauchbarer Bereich des Siliziumzusatzes beträgt 0,05 bis 0,3%, und unter Zugrundelegung der Produktionsverhältnisse liegt der Bereich einer 0,2% Silizium enthaltenden Legierung bei 0,1 bis 0,25%.
Der 11% Zinn und 2,25% Aluminium enthaltenden Titanlegierung kann noch Kupfer zwischen 0,1 und 2,5% zugesetzt werden, jedoch ist dieser Kupferzüsatz hinsichtlich der Verbesserung der Kriecheigenschaften nicht so wirksam wie ein Siliziumzusatz.. Die Ergebnisse von Kriechversuchen, die bei 4000C unter einer Belastung von 39,4 kp/mm2 300 Stunden lang mit einer 1 bzw. 1,5% Kupfer enthaltenden Legierung durchgeführt wurden, sind in Tabelle V niedergelegt. Wenn zu der 11% Zinn, 2,25% Aluminium und 5% Zirkonium enthaltenden Titanlegierung Kupferzusätze zugesetzt werden, so liegen diese zwecks Erreichung der maximalen Wirkung vorzugsweise in dem oberen Teil des Bereiches und betragen 1 bis 2,5%. Kupfer und Silizium können den Legierungen zusammen in den oben für die einzelnen Bestandteile angegebenen Mengen zugesetzt werden, ohne daß die guten Eigenschaften, welche von dem Einzelzusatz an Kupfer oder Silizium erzielt werden, beeinträchtigt werden.
Ein Legierungsbestandteil, der hinsichtlich der Verringerung der Gesamtdehnung mindestens ebenso wirksam wie Zirkonium ist, ist Molybdän, und die Wirkung der Zusätze dieses Legierungselementes zu der 11% Zinn und 2,25% Aluminium enthaltenden Titanlegierung im Vergleich zu anderen Legierungselementen, einschließlich Zirkonium, sind in den Tabellen VI und VII enthalten. Die Proben liegen in der Tabelle VI in geglühtem Zustand vor, d.h., sie wurden 20Stunden lang auf 8000C erwärmt, im Ofen abgekühlt, während in Tabelle VII die Proben im wärmebehandelten Zustand vorliegen, d.h., sie wurden 20Minuten lang auf 11000C erwärmt, luftabgekühlt, erneut 1 Stunde auf 700°C erwärmt und im Ofen abgekühlt. In beiden Tabellen wurden die Kriechversuche bei 4000C unter einer Belastung von 39,4 kp/mm2 300 Stunden lang durchgeführt. Die Werte für die 0,01%-Warmdehngrenze bei 4000C sind in diesen Tabellen angegeben, und da der minimal zulässige Wert für eine Anwendung bei höheren Temperaturen 39,4 kp/mm2 beträgt, sind viele der in diesen Tabellen angegebenen Elemente als Zusatzelemente ungeeignet. Von den verbleibenden Elementen ergibt Germanium im geglühten Zustand eine nicht genügende Duktilität, wobei dieses Element kostspielig ist, und Mangan verflüchtigt sich während des Schmelzens und ist aus diesem Grund unbrauchbar. Es werden also Zirkonium und Molybdän den anderen Elementen aus den obigen Gründen vorgezogen neben den Vorteilen, die sich hinsichtlich der bleibenden Dehnung ergeben.
Durch den Zusatz von Zirkonium bzw. Molybdän werden die ■ Zugfestigkeitseigenschaften von Titanlegierungen, die Zinn und Aluminium enthalten, bei höheren Temperaturen verbessert. Der Betrag der Verbesserung kann aus Tabelle VIII entnommen werden, in der die Eigenschaften von bevorzugten ternären Legierungszusammensetzungen mit quaternären Legierungen mit gleichem Zinn- und Aluminiumgehalt verglichen werden, die verschiedene Mengen Zirkonium bzw. Molybdän enthalten und die bei Raumtemperatur und zwei erhöhten Temperaturen geprüft wurden. Sämtliche Proben wurden wie folgt wärmebehandelt: 15 Minuten bei 11000C geglüht, luftabgekühli und erneut 1 Stunde bei 7000C geglüht und im Ofen abgekühlt. Ein Zusatz von 1% Molybdän hat bei 400 und 5000C einen ähnlichen Effekt auf die Zugfestigkeitseigenschaften, wie ein Zusatz von 5% Zirkonium, und aus der Tabelle VIII ist ersichtlich, daß die Festigkeitseigenschaften und die Duktilität sowohl bei 4000C als auch bei 5000C sehr gut sind. Wenn der Titanlegierung mit 11% Zinn und 2,25% Aluminium 4% Molybdän zugesetzt wird, so kann unter Berücksichtigung der praktischen Verhältnisse ein Bereich von 3 bis 4,5% Molybdän vorliegen, und in dem Fall einer 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 5% Zirkonium und 1% Molybdän enthaltenden Titanlegierung kann der Bereich des Molybdängehaltes 0,8 bis 1,2% betragen. Bei einer 2% Molybdän enthaltenden Titanlegierung kann der tatsächliche Bereich 1,5 bis 2,5% betragen.
Silizium kann der 11% Zinn und 2,25% Aluminium enthaltenden Titanlegierung neben Molybdän
oder Molybdän und Zirkonium in Mengen innerhalb des Bereiches von 0,1 bis 0,5% zugesetzt werden, und die bevorzugt zugesetzte Menge beträgt 0,3 % Silizium. Ein guter Bereich für die praktische Herstellung der Legierungen liegt unter Berücksichtigung der üblichen Abweichungen zwischen 0,2 und 0,5% Silizium. Silizium hat, wie schon erwähnt, eine gute Wirkung hinsichtlich der Zugfestigkeit bei den angegebenen zinn-aluminium-zirkoniumhaltigen Titanlegierungen.
Da Molybdän ein ^-stabilisierendes Element ist, sind die Molybdän enthaltenden Legierungen gemäß der Erfindung solche des α + ß-Typs.
Kriechversuche mit den bevorzugten ternären Titan-Zinn-Aluminium-Legierungen unter Zusatz von Zirkonium und Molybdän, und zwar getrennt und zusammen, zeigen, daß diese Zusätze im allgemeinen bei einer Temperatur von 4000C wirksam sind, wobei die Gesamtdehnung verringert wird, während bei Temperaturen von 500°C überwiegend ein niedrigerer Kriechbetrag erreicht wird. Die Ergebnisse der Kriechversuche mit derartigen Legierungen sind in Tabelle IX wiedergegeben, und zwar ist hierbei die Wärmebehandlung die gleiche wie in Tabelle VIII.
Die Kriecheigenschaften von erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierungen des α + /?-Typs sind von gewissen Gefügetypen abhängig. Ein nadeiförmiges Gefüge, das durch Lösungsglühen bei 11000C und Altern bei 7000C unter entsprechenden Abkühlungsgeschwindigkeiten hergestellt worden ist, ergibt niedrigere Kriechgeschwindigkeiten als ein gleichachsiges Gefüge, das bei niedrigeren Temperaturen hergestellt' wurde, und zwar eine größere Duktilität, jedoch vergrößerte Kriechgeschwindigkeiten ergibt. Beispiele der Wirkungen von zwei Arten der Wärmebehandlung auf das Gefüge und auf die Kriecheigenschaften sind in Tabelle X wiedergegeben, wobei die Kriechversuche bei 4000C unter einer Belastung von 55,1 kp/mm2 300 Stunden lang durchgeführt wurden.
Weitere Verbesserungen der Kriecheigenschaften von Titanlegierungen des a+ß-Typs mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 5% Zirkonium, 1% Molybdän kann durch Zusatz von 0,05 bis 0,5% Silizium zu der Legierung erreicht werden. Dabei ist eine zunehmende Verringerung der bleibenden Dehnung bis zu 0,2% Silizium festzustellen, und bei dieser Zusammensetzung ist die anfängliche bleibende Dehnung verschwunden. Die Festigkeitseigenschaften einer derartigen Legierung sind gut, und diese ist auch nicht spröde. Zwischen einem Siliziumgehalt von 0,2 und 0,5% ändern sich die Eigenschaften der Legierung nicht wesentlich, und bei einem Gehalt über 0,5% Silizium wird die Legierung inhomogen und spröde. Eine Zusammensetzung von 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 5% Zirkonium, 1% Molybdän und 0,3% Silizium, Rest Titan, ist eine besonders brauchbare Legierung für die Anwendung bei erhöhten Temperaturen, wenn die Anforderungen nicht größer als 0,1% bleibende Gesamtdehnung bei 4000C unter einer Belastung von 55,1 kp/mm2 in 100 Stunden sind.
Die Wirkung verschiedener Siliziumgehalte auf die Kriecheigenschaften ergibt sich aus der Tabelle XI, bei der die Proben folgender Wärmebehandlung unterworfen wurden: 1 Stunde bei 9000C geglüht, luftabgekühlt, erneut auf 5000C 24 Stunden lang erwärmt und luftabgekühlt. Kriechversuche wurden bei 4000C unter" einer Belastung von 55,1 kp/mm2 300 Stunden lang durchgeführt.
Die beste Wärmebehandlung für eine Legierung mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 5% Zirkonium, 1% Molybdän und 0,3% Silizium läßt sich aus der Tabelle XII entnehmen.
Die Wirkung veränderter Alterungstemperaturen auf die Kriecheigenschaften der Legierung ergibt sich aus Tabelle XII, aus der ersichtlich ist, daß
ίο unter Zugrundelegung der gleichen Kriechbedingungen, wie in der Tabelle XI, durch Erhöhung der Alterungstemperatur eine Vergrößerung der bleibenden Dehnung und Verringerung der Zugfestigkeit nach den Kriechversuchen eintritt, wobei ebenfalls eine gewisse Abnahme an Duktilität festzustellen ist.
Die Legierung mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 5% Zirkonium, 1% Molybdän und 0,3% Silizium kann auf Temperaturen oberhalb der ^-Umwandlung von 9500C erwärmt werden, ohne daß sie eine Versprödung erfährt. Dies ergibt sich aus Tabelle XIII, bei der die Proben nach dem Erwärmen auf verschiedene Temperaturen innerhalb des /?-Feldes einem Lösungsglühen bei 9000C unterworfen und dann bei 5000C gealtert wurden. Diese besondere Legierung kann innerhalb des ß-Feldes geschmiedet werden, ohne daß die Gefahr eines nachfolgenden Bruches auftritt und ohne daß besondere Vorsichtsmaßnahmen während des Schmiedens angewandt werden müßten, um das Verspröden der Legierung zu vermeiden. Diese Eigenschaft der Legierung ist von großer Bedeutung, da hierdurch die Herstellung von Kompressorschaufeln und -scheiben für Gasturbinen erleichtert wird.
Zwei weitere Legierungen, die gute Kriecheigenschaften aufweisen, sind solche mit 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 2% Molybdän, Rest Titan, und 11% Zinn, 2,25% Aluminium und 4% Molybdän, Rest Titan. Die Kriecheigenschaften solcher Legierungen können durch Zusatz von Silizium bis zu 0,5% verbessert werden, und die Wirkung solcher Zusätze ergibt sich aus der Tabelle XIV, bei der die Proben der gleichen Wärmebehandlung wie in Tabelle XI unterworfen wurden und die Kriechversuche bei 4000C unter einer Belastung von 55,1 kp/mm2 300 Stunden lang durchgeführt wurden. Diese Legierungen erfordern zum Erreichen der besten Kriecheigenschaften wesentlich mehr Silizium als die vorher beschriebene Legierung.
Die Wirkung verschiedener Kombinationen von Lösungsglüh- und Alterungstemperaturen ergibt sich aus Tabelle XV. Die Bedingungen, unter denen die Kriechversuche durchgeführt wurden, sind die gleichen wie in Tabelle XI, und die Zugfestigkeitseigenschäften sind dieselben wie vor dem Kriechversuch. Es ist festzustellen, daß hohe Festigkeitswerte Hand in Hand gehen mit der geringsten bleibenden Gesamtdehnung und guter Duktilität. Die ß-Umwandlungstemperatur dieser Legierung liegt bei etwa 9500C.
Die Wirkung der Verringerung der Lösungsglühtemperatur vom Optimalwert von 9000C besteht darin, daß die bleibende Gesamtdehnung vergrößert wird und die Festigkeitswerte geringer werden, wobei die Duktilität etwas erhöht wird. Bei einer Erhöhung
der Alterungstemperatur von etwa 500°C treten ähnliche Tendenzen ein.
Die Wirkung von veränderten Molybd^ängehalten bei solchen Legierungen ergibt sich aus Tabelle XVI.
909513/186^
ίο
Dabei ist eine Erhöhung der Zugfestigkeitswerte und eine Verringerung der Duktilität festzustellen, und " es ist weiterhin festzustellen, daß selbst bei einer Zugfestigkeit von 137,7 bzw. 138,0 kp/mm2 eine hinreichende Duktilität auftritt. Der optimale Molybdängehalt für eine maximale Duktilität beträgt etwa 2,25%, und zur Erreichung einer optimalen Festigkeit in Verbindung mit einer angemessenen Duktilität ist ein Molybdängehalt von 3,5% besonders geeignet. Die Legierungen der Tabelle XVI wurden bei 9000C lösungsgeglüht und bei 5000C in der vorher beschriebenen Weise gealtert.
Gewisse typische Eigenschaften von drei erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind in Tabelle XVII niedergelegt, wobei die Legierungen in der bisher beschriebenen Weise lösungsgeglüht und gealtert wurden. Wenn es bei der Herstellung oder Behandlung von Legierungen des α- und a+ß-Typs erforderlich ist, sie in dem ß-Feld zu erwärmen, so findet in gewissen Fällen ein Verlust der Duktilität statt, insbesondere wenn diese durch Brucheinschnürung gemessen wird, und diese Legierungen können einen grobkörnigen Bruch aufweisen. Obwohl die Duktilität der Legierungen wieder hergestellt werden kann, indem die Legierungen in dem a+ß- Feld in beträchtlichem Maße bearbeitet werden, kann einem ernsthaften Verlust der Duktilität dadurch begegnet werden, daß der Legierung Bor zugesetzt wird. Bor kann auch dazu verwendet werden, die Festigkeit der Legierungen zu ver-.größern, ohne daß ein Verlust der Duktilität eintritt, und um die bleibende Gesamtdehnung unter Kriechbedingungen, insbesondere bei Temperaturen um 4000C, zu verringern. Die Verbesserungen der Kriecheigenschaften und der Festigkeitswerte, die durch Zusätze von Bor erhalten werden, ergeben sich aus der Tabelle XVIII, bei der die Proben einer Wärmebehandlung unterworfen wurden, indem sie von 11000C luftabgekühlt, dann wieder auf 7000C und im Ofen abgekühlt wurden. Der Bereich, innerhalb dessen die Borzusätze in dieser Hinsicht wirksam sind, liegen von 0,005 bis 0,5% und vorzugsweise von 0,005 bis 0,2%. Die tatsächliche Menge des zugesetzten Bors hängt von den Erfordernissen der jeweiligen Legierung ab, jedoch haben sich Zusätze der Größenordnung von 0,025% bei vielen Legierungen als vorteilhaft erwiesen. Erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen können somit durch Zusatz von Bor innerhalb der oben angegebenen Bereiche abgewandelt werden, um einen ernsthaften Verlust der Duktilität beim Erwärmen in das /9-Feld zu vermeiden. Dies ist insofern wichtig, als es hierdurch möglich ist, daß Schmiedebehandlungen innerhalb des /9-Feldes durchgeführt werden können, ohne daß die Duktilität ernsthaft beeinflußt wird.
Die oben beschriebenen ausgezeichneten Kriecheigenschaften hängen in erster Linie von der Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verwendenden Titan-Zinn-Aluminium-Grundlegierungen ab, die bei sämtlichen in der Praxis vorkommenden Wasserstoffgehalten gute Kriecheigenschaften besitzen und die nicht spröde sind. Durch die Zusatzelemente werden die Eigenschaften der Grundlegierung abgewandelt, ohne daß das Sprödbruchverhalten der Grundlegierung beeinflußt wird, die eine geringe Duktilität unter Kriechbedingungen aufweist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß durch geeignete Auswahl der Legierungsbestandteile eine Legierung hergestellt werden kann, welche die optimalen Eigenschaften für die erfindungsgemäße Verwendung aufweist, und zwar im Hinblick auf die vorkommenden Arbeitstemperaturen und die dabei auftretenden Beanspruchungen. So ist es nunmehr möglich, eine bleibende Dehnung von 0,1% bei 4000C in 100 Stunden bei einem Kriechversuch unter einer Belastung von 55,1 kp/mm2 mit einer Titanlegierung zu erreichen, ohne daß die Legierung spröde wird, und dies stellt eine wesentliche Bereicherung auf dem Gebiet der bisher bekannten Titanlegierungen dar.
Tabelle I
Erforderliche Belastung bei Kriechversuchen in kp/mm2, um bei verschiedenen Titanlegierungen in 300 Stunden bei verschiedenen Temperaturen eine 0,l%ige Gesamtdehnung herbeizuführen
"C 11% Sn, 2,25% Al,
57o Zr, Rest Ti		 2,5% Sn, 5% AI,
Rest Ti*)		 4% AI, 4% Mn,
Rest Ti*)		 6% AI, 4% V,
Rest Ti*)		 7% Al, 37o Mo,
Rest Ti*)		 47o Al, 47o Mo,
27o Sn, 0,570 Si,
Rest Ti
400 42,4 34,7 17,3 14,6 44,9 52,8
450 38,9 18,1
500 29,9 12,6 weniger als 1,89 6,3 etwa 1,58
1,58
550 13,4
600 1,6
*) Gehören nicht zu den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen.
Tabelle II
Einfluß von Siliziumzusätzen auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 5% Zr, Rest Titan. Wärmebehandlung 8 Stunden bei 8000C luftabgekühlt; Kriechversuch unter
einer Belastung von 39,4 kp/mm2 bei 4000C
Zusammensetzung in 7o (Rest Ti)
Al
Zr
Kriechversuch
Gesamtdehnung in 300 Stunden
Zugfestigkeit
kp/mm2
Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch
Bruchdehnung,
bezogen auf 4 fF
/0
Brucheinschnürung
%
+2,25 +2,25
+5 — +5+0,1 Si
0,050
0,092
91,7
91,8
19
19
44 42
11 Al Zr 1 291 512 12 Tabelle III Bruchdehnung,
bezogen auf 4-\~F 		Brucheinschnürung
+ 2,25 + 5+0,2 Si % %
Zusammensetzung in To + 2,25 + 5+0,4 Si Fortsetzung 18 39
(Rest Ti) Kriech versuch 16 34
Gesamtdehnung in
300 Stunden
Sn % Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch
11 0,070 Zugfestigkeit
11 0,076 kp/mm2
95,0
102,4
Einfluß der Wärmebehandlung auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 5% Zr, Rest Titan, mit und ohne 0,2% Si. Kriecheigenschaften geprüft unter einer Belastung von
39,4 kp/mm2 bei 4000C
Zusammensetzung in % Al Ti) Zr Wärmebehandlung Kriechversuch Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruchdehnung,
bezogen auf 4|fF		 Bruch
einschnürung
(Rest + 2,25 + 5 — Gesamtdehnung
in 300 Stunden		 Zugfestigkeit % %
Sn 1 Stunde bei 900° C, % kp/mm2 20 42
11 +2,25 + 5+0,2 Si luftabgekühlt 0,055 101,3
+ 2,25 + 5 — desgl. 17 39
11 1 Stunde bei 900°C, 0,067 105,2 20 38
11 luftabgekühlt, 0,043 98,1
und 24 Stunden
bei 50O0C,
+ 2,25 + 5+0,2 Si luftabgekühlt
desgl. 16 37
11 0,048 104,6
Tabelle IV
Einfluß von Si-Zusätzen auf die Kriecheigenschaften bei 5000C und die Zugfestigkeitseigenschaften einer
Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 5% Zr, Rest Titan
Zusammensetzung in To Al Zr Wärmebehandlung Kriechversuch Gesamt
dehnung in		 Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruch Bruchein
schnürung
(Rest Ti) + 2,25 + 5 — 300 Stunden dehnung,
bezogen
Belastung % Zugfestigkeit auf.41'7 %
8 Stunden bei 0,112 % 37
Sn +2,25 + 5+0,1 Si 8000C, kp/mm2 kp/mm2 18
11 +2,25 + 5+0,2 Si luftabgekühlt 23,6 91,8
+ 2,25 + 5+0,4Si desgl. · 0,206 38
+ 2,25 + 5 — desgl. 0,202 18 38
11 desgl. 23,6 0,300 95,8 18 34
11 1 Stunde bei 23,6 0,144 97,3 13 27
11 1000°C, 23,6 105,2 16
11 luftabgekühlt, 31,5 95,0
und 1 Stunde
bei 7000C,
+ 2,25 + 5+0,1 Si im Ofen
+ 2,25 +5+0,2 Si abgekühlt
+ 2,25 +5+0,4 Si desgl. 0,111 20
+2,25 + 5 — desgl. 0,083 13 17
11 desgl. 31,5 0,110 100,0 11 30
11 1 Stunde bei 31,5 0,136 103,8 16
11 10000C, 31,5 105,8
11 luftabgekühlt, 31,5
und 24 Stunden
+2,25 +5+0,2 Si bei 550° C,
luftabgekühlt
desgl. ' 0,080
—
U 31,5 —
Fortsetzung
Zusammensetzung in % Al Zr Wärmebehandlung Kriechversuch Gesamt
dehnung in		 Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruch Bruchein
schnürung
(Rest Ti) + 2,25 + 5 — 300 Stunden dehnung,
bezogen
Belastung % Zugfestigkeit auf 4 |/F 0/
/o
1 Stunde bei 0,160 0/
/o
Sn 1000°C, kp/mm2 kp/mm2
11 luftabgekühlt, 31,5
und 24 Stunden
+ 2,25 + 5+0,2 Si ' bei 500° C,
luftabgekühlt
desgl. 0,070 —
—
11 31,5 —
Tabelle V
Einfluß von Kupferzusätzen auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, Rest Titan. Kriechversuch bei 400°C unter Belastung von 39,4 kp/mm2
Zusammensetzung in % Sri (Rest Ti)
Al		 Wärmebehandlung Kriechversuch Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruchdehnung,
bezogen auf 4|'T
%		 Bruch
einschnürung
%
11 ' +2,25 — 8 Stunden bei 8000C,
luftabgekühlt		 Qesamtdehnung
in 300 Stunden
% · 		Zugfestigkeit
kp/mm2 		20 40
11 + 2,25 + 1,0Cu desgl. 2,360 85,4 20 44
11 +2,25 + 1,5Cu desgl. 1,150 87,2 20 50
, 11 + 2,25 - 8 Stunden bei 8000C,
luftabgekühlt, und
96Stundenbei600°C,
luftabgekühlt		 0,455 89,5 21 40
11 + 2,25+1,0Cu desgl. 2,681 83,5 21 39
11 +2,25 + 1,5Cu desgl. 0,895 86,7 22 36
11 + 2,25 — 20 Minuten bei 110O0C,
. luftabgekühlt, und
1 Stunde bei 700° C,
luftabgekühlt		 0,340 87,8 13 34
11 + 2,25 + 1,5Cu desgl. 0,788 83,5 13 31
0,168 91,3
Tabelle VI
Einfluß des Zusatzes verschiedener Legierungselemente auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11 % Sn, 2,25% Al, Rest Titan, die 20 Stunden bei 800° C wärmebehandelt und im Ofen abgekühlt wurde. Kriechversuche bei 400° C unter Belastung von 39,4 kp/mm2
Zusammensetzung in % Sn Al Kriech versuch 0,01-Warmdehn Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruchdehnung^ Bruch
(Rest Ti) 11 + 2,25 — Gesamtdehnung grenze bei 400° C bezogen auf 4| F einschnürung
11 + 2,25+ 1 Mn*) in 300 Stunden Zugfestigkeit % %
11 +2,25+ 2Mn*) % kp/mm2 • kp/mm2 20 37
11 + 2,25+ 2Mo 1,814 32,0 87,5 18 40
11 +2,25+ 4Mo 0,108 39,4 98,8 15 20
11 + 2,25+ 5Zr 0,127 39,4 -105,3 15 28
11 + 2,25 + 1OZr 0,136 39,4 101,8 19 31
11 + 2,25+ 2Ag*) 0,144 39,4 100,2 19 . 36
11 + 2,25+ 4Ag*) 0,113 39,4 93,3 16 30
11 +2,25+ 2Sb*) 0,072 39,4 98,4 26 40
11 + 2,25+ 2In*) 0,176 36,4 85,9 23 39
11 +2,25+ 1,25Ge*) 0,689 34,7 82,8 22 37
0,179 37,3 86,4 22 37
0,572 32,4 84,8 14 23
0,100 34,7 92,8
*) Gehören nicht zu den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen.
Tabelle VII
Einfluß des Zusatzes verschiedener Legierungselemente auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, Rest Titan, die 20 Minuten bei 1100°C wärmebehandelt, luftabgekühlt und 1 Stunde bei 700°C geglüht und im Ofen abgekühlt wurde. Kriechversuche bei 4000C unter Belastung
von 39,4 kp/mm2
Z
Sn		 usammensetzung in %
(Rest Ti)
Al		 Kriech versuch
Gesamtdehnung
in 300 Stunden
%		 0,01-Wärmdehn-
grenzebei 4000C
kp/mm2 		Eestigkeitsei
Zugfestigkeit
kp/mm2 		genschaften nach K
Bruchdehnung^
bezogen auf 4 \ F
%		 riechversuch
Bruch
einschnürung
%
11 +2,25 — 0,438 29,5 85,4 13 27
11 + 2,25+ 1 Mn*) 0,106 >39,4 96,3 11 14
11 + 2,25+ 2Mn*) 0,147 >39,4 101,5 12 20
11 + 2,25+ 2Mo 0,054 >39,4 I 103,7 10 10
11 + 2,25+ 4Mo 0,096 >39,4 119,9 3 3
11 +2,25+ 5Zr 0,050 >39,4 96,3 14 25
11 +2,25 + 10Zr 0,045 >39,4 102,6 14 15
11 + 2,25+ 2Ag*) .■ 0,301 29,9 96,4 15 26
11 + 2,25+ 4Ag*) 0,474 29,1 83,5 17 28
11 + 2,25+ 2Sb*) 0,202 31,7 85,1 15 20
11 + 2,25+ 2In*) 0,393 29,9 85,1 16 25
11 + 2,25+ 1,25Ge*) 0,119 39,4 94,4 23 40
*) Gehören nicht zu den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen.
Tabelle VIII
Einfluß von Mo- oder Zr-Zusätzen auf die Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, Rest Titan, die 20 Minuten bei HOO0C wärmebehandelt, luftabgekühlt, 1 Stunde bei 7000C geglüht und im
Ofen abgekühlt wurde
Zusammensetzung in % Sn Al Prüf Proportio 0,05-Dehn- Zugfestigkeit Bruchdehnung Bruch-
(Rest Ti) 11 + 2,25 — temperatur nalitätsgrenze grenze kp/mm2 bezogen auf 4\F einschnurung
11 + 2,25+ 1 Mo 0C kp/mm2 kp/mm2 87,3 % %
11 + 2,25+ 2Mo 20 70,1 76,7 93,7 12 27
11 + 2,25+ 5Zr 20 68,8 76,1 97,0 9 17
11 + 2,25 + 10Zr 20 78,8 83,8 102,4 4 6
11 + 2,25 — 20 77,6 86,5 101,4 16 31
11 + 2,25+ 1 Mo 20 80,2 86,5 48,7 10 14
11 + 2,25+ 2Mo 400 27,7 33,2 63,2 18 35
11 + 2,25+ 5Zr 400 35,1 43,5 74,3 18 53
11 + 2,25 + 10Zr 400 42,8 54,2 62,5 14 21
11 + 2,25 — 400 37,3 43,2 75,4 19 30
11 + 2,25+ 1 Mo 400 45,4 52,8 45,4 13 26
11 + 2,25+ 2Mo 500 26,0 32,3 58,6 18 31
11 + 2,25+ 5Zr 500 34,0 40,8 70,1 21 68
11 + 2,25 + 10Zr 500 44,4 51,3 59,1 12 —
500 34,3 40,0 68,8 19 42
500 40,0 46,6 14 28
909513/1866
Tabelle IX ■
Kriecheigenschaften einer wärmebehandelten Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, Rest Titan, die noch Mo- und/oder Zr-Zusätze enthält, bei 400 und 500°C (wärmebehandelt wie in Tabelle VIII)
Zusammensetzung in %
(Rest Ti)		 Sn Al Belastung Kriechver
Tempe
ratur		 such
Gesamtdehnung
in 300 Stunden		 0,01-Warm- '
dehngrenze
bei Prüf
temperatur		 Festigk
Zugfestigkeit		 eitseigenschaft
Kriechversuch
Bruch
dehnung
bezogen,
auf 4|/F		 en nach
Bruchein
schnürung
11 +2,25+ 5Zr kp/mm2 0C ' % kp/mm2 kp/mm2 % %
11 +2,25+10Zr 55,1 400 0,196 34,3 95,3 14 15
11 +2,25+ 2Mo 55,1 400 0,200 49,1 107,7 10 12
11 +2,25+ 5Zr
+ 0,5Mo		 55,1 400 0,415 47,4 104,7 8 10
11 +2,25+ 5Zr
+ IMo		 55,1 400 0,234 43,6 98,3 12 15
11 +2,25+ 5Zr 55,1 400 0,096 >55,1 108,5 9. 10
11 +2,25+10Zr 23,6 500 0,049 >23,6 98,6 15 23
II +2,25+ 2Mo 23,6 500 0,080 >23,6 104,0 15 19
11 +2,25+ 5Zr
+ 0,5Mo		 23,6 500 0,398 >23,6 110,3 8 8
11 +2,25+ 5Zr
+ 1 Mo		 23,6 500 0,132 >23,6 103,8 7 10
23,6 500 0,202 >23,6 110,1 6 6
Tabelle X
Einfluß der Wärmebehandlung auf das Gefiige und die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, Rest Titan, die noch Mo- und Zr-Zusätze enthält
Sn Al Wärmebehandlung Gefüge Kriech Festigkeitseigenschaften nach
Kriechversuch		 Bruch Bruchein
Il +2,25+5 Zr+1Mo versuch
Gesamt		 dehnung, schnürung
Zusammensetzung in % dehnung nac bezogen
(Rest Ti) 300 Stunden
bei 4000C		 auf 4 [/"F %
unter Be Zugfestigkei % 10
20 Minuten bei nadel- lastung von 9
UOO0C, luft förmig 55, f kp/mm2 kp/mm2
abgekühlt, und % 108,5
1 Stunde bei 700° C, 0,096
im Ofen abgekühlt 42
1 Stunde bei 900° C, gleich 20
11 +2,25+2 Mo luftabgekühlt, und achsig
24 Stunden bei 106,2
500° C, luft 0,225
abgekühlt 10
20 Minuten bei nadei 8
11000C, luft förmig
abgekühlt, und 104,7
1 Stunde bei 700° C, 0,415
im Ofen abgekühlt 38
1 Stunde bei 900°C, gleich 18
11 +2,25+4 Mo luftabgekühlt, und achsig
24 Stunden bei 106,2
500° C, luft 0,913
abgekühlt ■ 30
!Stunde bei 900°C, gleich 16
luftabgekühlt, und achsig
24 Stunden bei 126,8
500° C, luft 0,385
abgekühlt
Tabelle XI
20
Einfluß verschiedener Siliziumzusätze auf die Kriecheigenschaften (Belastung 55,1 kp/mm2, bei 400° C) und die Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 5% Zr, 1% Mo, Rest Titan, die 1 Stunde bei 900° C geglüht, luftabgekühlt und 24 Stunden bei 500° C wärmebehandelt und luftgekühlt wurde
Ausgangs Kriechversuch bleibende Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruchdehnung, Bruch
Si dehnung Kriechdehnung Gesamtdehnung Zugfestigkeit •bezogen auf 4)'7 einschnürung
% nach 300 Stunden % AW b*^^ · »rf U b * ^^*b m*m w. % %
% 0,057 % 0,225 kp/mm2 20 42 .
0 0,039 0,168 0,143 106,2 16 37
0,05 0,017 0,104 0,111 113,2 20 45
0,10 0,029 0,094 0,121 114,2 15 36
0,15 0 0,092 0,098 117,3 17 34
0,20 0 0,098 0,093 112,5 15 30
0,5 0,093 113,2
Tabelle XII
Einfluß verschiedener Alterungstemperaturen auf die Kriech- (Belastung 55,1 kp/mm2 bei 400°C) und die Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 5% Zr, 1% Mo, 0,3% Si, Rest Titan
Kriechversuch Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruchdehnung,
bezogen auf 4 ]/T 		i 13 Brucheinschnürung
Wärmebehandlung bleibende Dehnung
in 300 Stunden		 Zugfestigkeit % %
% kp/mm2
1 Stunde bei 900° C geglüht, luft
abgekühlt, und 24 Stunden bei 15 40
500° C geglüht, luftabgekühlt ... 0,095 120,6
1 Stunde bei 900°C geglüht, luft
abgekühlt, und 24 Stunden bei 15 40
600° C geglüht, luftabgekühlt ... 0,179 118,9
1 Stunde bei 900° C geglüht, luft
abgekühlt, und 24 Stunden bei 28
7000C geglüht, luftabgekühlt ... 0,270 107,7
Tabelle XIII
Einfluß der Erwärmung auf Temperaturen oberhalb der /9-Umwandlung auf die Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 5% Zr, 1% Mo, 0,3% Si, Rest Titan. Samtliche Proben wurden nach der ^-Wärmebehandlung noch 1 Stunde auf 900° C erwärmt, luftabgekühlt und 24 Stunden auf 500° C erwärmt und luftabgekühlt. Kriechversuche bei 400° C und einer Dauer von 300 Stunden
/!-Behandlung 1 Stunde bei
Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch
),1-Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung,
bezogen auf AyF 		Bruch
einschnürung
kp/mm2 kp/mm3 % %
101,6 112,8 15 35
97,3 112,3 16 40
100,6 114,3 19 41
93,6 109,9 17 31
97,5 112,8 13 27
92,1 111,0 17 30
97,5 114,5 11 18
96,1 115,0 11 η
100,8 118,6 Π 13
94,5 113,2 ' 3 3
102,1 116,6 4 7
950° C, luftabgekühlt
950° C, in Wasser abgeschreckt
10000C, luftabgekühlt
1000° C, in Wasser abgeschreckt
1040°C, luftabgekühlt
10400C, in Wasser abgeschreckt
10700C, luftabgekühlt
10700C, in Wasser abgeschreckt
HOO0C, luftabgekühlt
UOO0C, in Wasser abgeschreckt Tabelle XIV
Einfluß verschiedener Siliziumzusätze auf die Kriecheigenschaften (bei 400°C unter Belastung von 55,1 kp/mm2) und die Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 2 bzw. 4% Mo, Rest Titan, die wie folgt wärmebehandelt wurde: 1 Stunde bei 900°C geglüht, luftabgekühlt, und 24 Stunden bei 500°C
geglüht und luftabgekühlt
Grundlegierung in O/
/O 		Silizium Ausgangs«
dehnung		 kriechversuch bleibende Festigkeitseigenschaften nach Kriechversuch Bruchein
schnürung
% ( r Gesamt
dehnung		 Bruch %
Mo % -f 0,045 Kriech % dehnung,
bezogen
auf 4]T 		38
+ 2 O 0,012 dehnung
nach
3Ö0 Stunden		 0,913 Zugfestigkeit 0/
/o		 45
Sn + 2 0,10 0,014 % 0,137 kp/mm2 18 35
11 +2 0,25 0 0,868 0,132 106,2 20 37
11 +2 0,5 0,014 0,125 0,123 109,6 19 30
11 +4 0 0 0,118 0,385 113,6 17 11
11 +4 0,1 ' 0 0,123 0,218 115,3 16 20
11 +4 0,5 0,371 0,132 126,8 9
11 Al 0,218 126,8 10
11 +2,25 0,132 135,1
+2,25
+2,25
+2,25
+2,25
+2,25
+ 2,25
Tabelle XV
Einfluß verschiedener Wärmebehandlungen auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25% Al, 4% Mo, 0,3% Si, Rest Titan. Kriechversuche bei 400°C unter einer Belastung von
55,1 kp/mm2
Stunde Lösungsglühen 900° C, luftabgekühlt 24 Stunden •Bei Vterung * luftabgekühlt Kriech
versuch		 Festigkeitseigenschaften nach
Kriechversuch		 Bruch
dehnung,		 Bruchein
Stunde 900°C, luftabgekühlt 24 Stunden bei luftabgekühlt bleibende bezogen schnürung
Stunde 900°C, luftabgekühlt 24 Stunden bei luftabgekühlt Gesamt
dehnung jn		 Zug auf 4 VT
Stunde 850°C, luftabgekühlt 24 Stunden bei luftabgekühlt 300 Stun festigkeit % ■%
Stunde bei 850°C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 50Ö°C, luftabgekühlt den 10 23
Stunde bei 850° C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 600°C, luftabgekühlt % , kp/mm2. 11 25
1 Stunde bei 800° C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 700°C, luftabgekühlt 0,095 142,9 15 34
1 Stunde bei 800° C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 500°C, luftabgekühlt 0,118 134,3 9 30
1 Stunde bei 800° C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 600° C, luftabgekühlt 0,433 117,0 10 35
1 Stunde bei 750° C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 700° C, luftabgekühlt 0,152 144,4 16 35
1 Stunde bei 750° C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 500°C, luftabgekühlt 0,326 129,4 15 39
1 Stunde bei 750°C, luftabgekühlt 24 Stunden bei 600° C, luftabgekühlt 1,220 113,1 15 35
1 bei 70O0C, 0,176 132,3 16 30
1 bei 500° C, 0,444 124,3 13 27
1 bei 600°C, 1,425 115,3 15 29
1 bei 700°C, 0,236 128,8 15 28
1 0,718 124,9
1 1,317 119,1
Tabelle XVI
Einfluß verschiedener Molybdänzusätze auf die Zugfestigkeitseigenschaften von Legierungen mit 11% Sn,
2,25% Al, 0,3% Si, Rest Titan
Grundlegierung in % Sn Al Si Molybdän 0,1-Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung,
bezogen auf 4] ~F 		Bruch
einschnürung .
11 ■ +2,25; +0,3 % kp/mm2 kp/mm2 % %
11 . +2,25 +0,3 0 88,2 94,3 22 38
11 , +2,25: +0,3 1,0 98,9 108,7 22 48
11 • +2,25 +0,3 2,0 105,8 119,9 18 50
2,5 104,7 119,7 19 51
Fortsetzung
Orundlegierung in % Sn Al Si Molybdän 0,1-Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung,
bezogen auf 4\Ύ 		Brucfc-
einschnSrung
11 +2,25 + 0,3 % kp/mm2 kp/mm2 % O/
' /0
11 + 2,25 +0,3 3,0 113,1 130,1 15 35
11 +2,25 +0,3 3,5 , 118,9 137,7 14 31
11 + 2,25 +0,3 4,0 119,1 138,0 10 16
5,0 140,8 165,7 2 ' 4
Typische Kriech- und
unterworfen wurden: 1
Tabelle XVII
Zugfestigkeitseigenseiiaften von drei Legierungen, die folgender Wärmebehandlung Stunde bei 900° C geglüht, luftabgekühlt, 24 Stunden bei 500° C geglüht und luftabgekiihlt
Kriechver siic'i)
Belastung zum		 ■ — Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur Zugfestigkeit Bruchdehnung, Brach- 10 bis 15 20 bis 45
Erreichen einer 69,3 kp/mm2 bezogen auf 4JF einschnürung
Zusammensetzung in % Temperatur bleibenden Deh- 58,3 % %
ming von 0,1% 39,4 0,1-Dehngrenze
0C kp/mm2 2ί,3 kp/mm2 111,8
ll|Sn+2,25Al + 5Zr 18 41
+ 1 Mo + 0,3 Si, — 17 49
Rest Titan Raumtemperatur 77,2 100,8
300 55,1
400 21,3 ■
450 5,5 138,6
500
ltSn+2,25Al+4Mo —
+0,3 Si, Rest Titan Raumtemperatur 55,1 ' 118,1
300 23,6
400
450 118,1
500
llSn+2,25Al + 2Mo
+0,3Si, Rest Titan Raumtemperatur 99,2
400
450
Tabelle XVIII
Einfluß von Bor auf die Kriech- und Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung mit 11% Sn, 2,25°/o AI5 5 oder
10% Zr, Rest Titan, mit und ohne JViolybdänzusatz		 Setzung in %
stTi)
Zr		 Belastung
kp/mm2 		Kriechversuc
Temperatur
QC		 h
bleibende
Gesamtdehnuüsg
in 300 Stunden
% ■ 		Zug
festigkeit
kp/mm2 		Bruch
dehnung,
. bezogen
auf4|T
O,
/O		 Bruchein-
schnürung
%
Sn Zusammen
(Re
Al		 + 5 — 55,1 400 1,424 98,4 17 27
11 + 2,25 + 5+0,025 B 55,1 400 0,784 101,4 18 31
11 + 2,25 + 5+0,05 B 55,1 400 .0,674 97,6 18 37
11 - +2,25 + 5+0,10B ' 55, 400 0,479 97,9 15 35
11 + 2,25 + 5+0,20B 55, 400 0,300 — 15 32
- 11 + 2,25 + 10 — 55,1 400 0,265 100,6 15 20
11 + 2,25 + 10+0,025B' 55, 400 0,242 104,1 15 15
Il + 2,25 + 10+0,05B 55,1 400 0,215 107,4 14 24
11 + 2,25 + 10+0,10B 400 0,186 110,4 15 30
11 + 2,25 + 10+0,20B 400 0,160 112,9 16 25
11 + 2,25 + 5+0,5Mo 500 0,132 103,3 - 7 io
11 + 2,25
55,1
55,1
23,6
909513/1866
Fortsetzung
Zusammensetzung in %
(Rest Ti)		 Zr Belastung Kriechversuc h
bleibende		 Zug Bruch
dehnung,		 Bruchein
+ 5+0,5Mo kp/mm2 Temperatur Gesamtdehnung festigkeit bezogen
ff A IJ p		 schnürung
Sn AI 23,6 "C in 300 Stunden
% -		 kp/mm3 auf qy F
%		 %
11 +2,25 + 5+1,0Mo 500 0,139 107,5 16 31
+0,2B + 5+1,0Mo 55,1
11 + 2,25 55,1 400 0,096 107,2 10 12
11 +2,25 400 0,093 108,6 13 23
+0,025B
Sämtliche Proben 1 Stunde bei 11000C wärmebehandelt, luftabgekühlt und darauf 1 Stunde bei 7000C wärmebehandelt und im Ofen abgekühlt.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verwendung von Titanlegierungen, bestehend aus 10 bis 12% Zinn und 1,75 bis 2,75% Aluminium, gegebenenfalls zusätzlich noch 1 bis 10% Zirkonium, 0,5 bis 5% Molybdän, 0,05 bis 0,5% Silizium und 0,1 bis 2,5% Kupfer, einzeln oder zu mehreren, Rest Titan, und übliche Verunreinigungen, als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen, die in wärmebehandeltem Zustand eine hohe Kriechfestigkeit bei 4000C und darüber und gute Beständigkeit gegen Versprödung bei Wasserstoifgehalten der Legierungen von über 0,001% besitzen.
2. Verwendung von Legierungen der im Anspruch 1 genannten Zusammensetzung, die jedoch zusätzlich noch 0,005 bis 0,5% Bor enthalten, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.
3. Verwendung von Legierungen der im Anspruch 1 oder 2 genannten Zusammensetzung, wobei der Zirkoniumgehalt 2,5 bis 7,5%, vorzugsweise 4 bis 6%, bzw. 6 bis 10%, vorzugsweise 8 bis 10%, ausmacht, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.
4. Verwendung von Legierungen der in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zusammensetzungen, wobei der Molybdängehalt 3 bis 4,5%, 0,8 bis 1,2% bzw. 1,5 bis 2,5% ausmacht, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DEI17220A 1958-11-14 1959-11-12 Verwendung von Titanlegierungen mit hoher Kriechfestigkeit bei 400íµ und darueber sowie guter Wasserstoffbestaendigkeit Pending DE1291512B (de)

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