DE1458354C - Verwendung einer Titanlegierung warm und kriechfeste Gegenstande, die tieferen Temperaturen ausgesetzt sind - Google Patents
Verwendung einer Titanlegierung warm und kriechfeste Gegenstande, die tieferen Temperaturen ausgesetzt sindInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Titanlegierung als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen,
die geringes spezifisches Gewicht, Hoch-Warmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit,
Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch den bei tieferen Temperaturen, insbesondere
im Flugzeug- und Raketenbau auftretenden Beanspruchungen standhalten müssen.
Legierungen auf Titanbasis werden oft bei der Herstellung von schnellaufenden Flugzeugmotoren und
Strahltriebwerken verwendet. Für solche Verwendungszwecke sollte die jeweils gewählte Legierung
spezifisch leicht und stabil sein, hohe Temperatur- und Kriechfestigkeit sowie Zähigkeit besitzen und
gleichzeitig verform- und schweißbar sein, damit sie nach Wunsch verformt und verarbeitet werden kann.
Die Eigenschaften, die einer Legierung durch die üblichen Legicrungselemente verliehen werden, sind
bis zu einem gewissen Grade bekannt, doch hat die Zugabe solcher Einzelelemente oftmals die Wirkung,
daß eine bestimmte Eigenschaft zwar verbessert wird, eine andere Eigenschaft dagegen eine nachteilige
Beeinflussung erfährt. Es kann beispielsweise die Festigkeit von Titan bei hoher Temperatur durch
Zugabe von Aluminium als Legierungselement stark erhöht werden, wobei aber beim Überschreiten eines
bestimmten Höchstwertes an Legierungsgehalt eine Einbuße an Verformbarkeit der Legierung auftritt.
Zweck der Erfindung ist es, die Verwendung einer (!-Titanlegierung vorzuschlagen, die geringes spezifisches
Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Stabilität, Kriechfestigkeit und gute Zähigkeit, Schweißbarkeit
und Verformbarkeit aufweist, und zwar sollen alle diese Eigenschaften gleichwertig oder besser sein
als bei den bisher bekannten Legierungen, die zwar einzelne, aber nicht alle diese Merkmale besitzen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, eine Titanlegierung für
den obenerwähnten Zweck mit
5,5 bis 6,5% Aluminium,
1,7 bis 2,3% Zinn,
0,7 bis 3,0% Zirkonium,
0,7 bis 3,0% Molybdän,
bis zu 0,16% Sauerstoff,
Rest Titan
1,7 bis 2,3% Zinn,
0,7 bis 3,0% Zirkonium,
0,7 bis 3,0% Molybdän,
bis zu 0,16% Sauerstoff,
Rest Titan
40
45
und übliche Verunreinigungen zu verwenden. Eine vorteilhafte Zusammensetzung der erfindungsgemäß
zu verwendenden Titanlegierung besteht aus:
6% Aluminium, 2% Zinn,
2% Zirkonium,
1% Molybdän,
bis zu 0,12% Sauerstoff,
Rest Titan
und übliche Verunreinigungen.
Titanlegierungen mit 0,25 bis 7,5% Aluminium, 0,25 bis 16% Zinn, 0,1 bis 10% Zirkonium, bis 20%
Molybdän, bis 0,3% Sauerstoff, Rest Titan, als Werkstoffe Tür die Herstellung von Teilen, die nach dem
Schweißen dehnbar bleiben, sind bereits bekannt (deutsche Auslegeschrift I 142 445). Die für den
Zweck der Erfindung wesentlichen Tieftemperatureigenschaften der in diesem verhältnismäßig weiten
Bereich bekannten Titanlegierungen sind jedoch bisher nicht untersucht worden. Es würde nun festgestellt,
daß eine Titanlegierung aus dem bekannten Bereich mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
die geforderten Tieftemperatureigenschaften, wie sie insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten,
aufweist.
Weiterhin sind Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen mit Aluminiumgehalten bis 2,5% und Zinngehalten
von 7 bis 14% bekannt, die außerdem I bis 10% Zirkonium, I bis 5% Molybdän und übliche
Verunreinigungen an Sauerstoff enthalten (USA,-Patentschrift
3 049 425). Diese Legierungen zeichnen sich durch eine gute Kriechfestigkeit bei 400"C
und darüber aus und sollen bei hohen Temperaturen nicht verspröden.
Über die Verwendung einer Legierung aus dem bekannten Bereich, der mit dem Gehaltsbereich der
erfindungsgemäßen Legierung nicht zusammenfällt, bei tieferen Temperaturen ist nichts bekannt, so daß
der Fachmann keinen Anhalt über die Eignung einer Titanlegierung in den bekannten Grenzen bei tieferen
Temperaturen finden konnte.
Darüber hinaus sind noch weitere «-Titanlegierungen mit hoher Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen,
guter Schmiedbarkeit (schweizerische Patentschrift 340 633) sowie schweiß- und wärmebehandelbare
«,//-Tilanlegierungen mit guten Festigkeitseigenschaften
bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur, deren Zugfestigkeit durch eine Wärmebehandlung
iin'd Erhaltung der Duklililiit erhöht
werden kann, bekannt (USA.-Patentschrift 3 061 427). Die Eignung all dieser bekannten Titanlegierungen
für Tieftemperaturzwecke war jedoch nicht bekannt.
Bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung wird Aluminium im Bereich von 5,5 bis
6,5% hauptsächlich mit dem Ziel zugesetzt, die Hochwarmfestigkeit zu gewährleisten. Durch Zusatz von
weniger als 5,5% Aluminium werden die Vorteile geringen spezifischen Gewichts und hoher Festigkeit
nicht voll ausgenutzt, während die Legierung bei Aluminiumgehalten über 6,5% thermisch instabil
wird. Bekanntlich stabilisiert Aluminium die «-Titanphase. Ein Aluminiumgehalt in den angegebenen
Grenzen führt zu einer Titanlegierung vom reinen «-Typ, selbst wenn Molybdän als //-Stabilisator in
geringen Mengen vorhanden ist. Die Schweißbarkeit dieser Legierung ist gut, weil Erhitzen und Abkühlen
beim Schweißen keine Phasenänderung der Legierung bewirkt, wodurch ihr Einsatz als Werkstoff für zu
verschweißende Teile ermöglicht wird.
Zinn in den angegebenen Gehaltsgrenzen wirkt ebenfalls als «-Stabilisator und ergänzt das Aluminium
insofern, als seine Beimischung zu hoher Warmfestigkeit führt, ohne die Dehnung nachteilig zu beeinflussen.
Zirkonium wirkt mehr 'als «-Stabilisator, obwohl es den //-Transus der Legierung bis zu einem gewissen
Cirade herabsetzt. Die größte Verfestigungswirkung der Legierung durch dieses Element ohne übermäßig
nachteilige Beeinträchtigung des spezifischen Gewichts wird im Bereich zwischen 0,7 und 3,0% erzielt.
Die Menge an //-stabilisierendem Molybdän muß groß genug sein, um das Kristallgefüge der festen
Lösung zu verfestigen und eine gewisse Wärmebehandlungsfähigkeit zu erreichen. Aus diesem.
Grund sollte die vorhandene Menge nicht kleiner sein als 0,7%, um diese Wirkungen hervorzurufen,
während mehr als 3,0% nicht eingebracht werden sollten, da die zusätzlich auftretende //-Phase sich
nachteilig auf die Kriechfestigkeit und in einem ge-
wissen Maße auf die Schweißbarkeit auswirkt. Darüber hinaus ist Molybdän ein schweres Element mit etwa
dem doppelten spezifischen Gewicht von Titan und sollte nur bis zu einer Menge Verwendung finden,
bei welcher die Vorteile die durch das höhere spezifische Gewicht in Kauf genommenen Nachteile mehr
als wettmachen.
Der Sauerstoffgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung sollte höchstens bis 0,16%
betragen, vorzugsweise in Grenzen zwischen 0,08 und 0,16% vorhanden sein. Titan und Legierungselemente
zur Herstellung von Legierungen mit weniger als etwa 0,08% Sauerstoff sind nicht so leicht erhältlich und
sind teuerer als solche mit einem höheren Sauerstoffgehalt. Bei einer Legierung mit 6% Aluminium,
2% Zinn, 2% Zirkonium und 1% Molybdän sollte Sauerstoff in einer Menge bis 0,12% und vorzugsweise
zwischen 0,08 und 0,12% vorhanden sein. Größere Sauerstoffmengen haben einen nachteiligen Einfluß
auf die Stabilität dieser Legierungen. Die Toleranz der Sauerstoffgehaltsgrenzen wird sich selbst bei
kleinen Schwankungen der Mengen an anderen Bestandteilen, insbesondere der α-Stabilisatoren Aluminium,
Zinn und Zirkonium ändern.
Das Vorhandensein von Sauerstoff in einer gewissen Menge als Verunreinigung, und seien es nur
einige hundertstel Prozent, ist bei der Verwendung handelsüblichen Titanschwamms und von Legierungselementen
sowie bei der Anwendung normaler Schmelzverfahren unvermeidbar, gemäß der Erfindung
ist aber ein die angegebene obere Grenze nicht überschreitender Sauerstoffgehalt erwünscht und notwendig,
um die beschriebenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit und das Aushärtungsverhalten
hervorzubringen.
Die üblichen Verunreinigungen, welche in der Legierung vorhanden sein dürfen, sollen insgesamt nicht
größer sein als 0,4%, damit sie weder einzeln noch zusammen die wesentliche Beschaffenheit der zu verwendenden
Legierung und ihre beschriebenen Eigenschäften nachteilig beeinflussen. Andere Verunreinigungen,
wie Kohlenstoff, Stickstoff sowie Sauerstoff, sollen zusammen nicht mehr als etwa 0,2% ausmachen,
wobei die Sauerstoffmenge innerhalb der enger gefaßten Grenzen, wie vorstehend beschrieben,
liegen soll.
Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung vom Typ 6% Al,
2% Sn, 2% Zr und 1 % Mo sind so, daß sie sich für eine Vielzahl verschiedener Verwendungszwecke eignet.
So läßt sie sich beispielsweise zur Herstellung von Strahltriebwerken' verwenden, wo Festigkeit, Dehnung
und Dauerstandfestigkeit wesentlich sind. Zur Verwendung im Flugzeugbau dürften sich ihre Festigkeit
bei Raum- und Hochtemperatur als vorteilhaft erweisen. Für die Herstellung von Raketengeschossen
macht sie ihre Festigkeit und ihr geringes spezifisches Gewicht geeignet. Im Bereich niedriger Temperaturen,
beispielsweise bei der Fertigung von Tiefsttemperaturflaschen und Raketenflüssiggasbehältern
kommt noch ihre Zähigkeit bei niedrigsten Temperaturen zu den sonstigen guten Eigenschaften hinzu.
Nachstehend sind verschiedene Eigenschaften der Legierung aufgezeigt: Das spezifische Gewicht einer
Legierung mit 6% Al, 2% Sn, 2% Zr und 1% Mo, Rest Titan, beträgt 4,5 p/cm3, das mit ungeliertem
Titan vergleichbar und geringer ist als das vieler Legierungen auf Titanbasis, die große Mengen an
Schwermetallen, wie beispielsweise Vanadium, Eisen, Molybdän, Niob oder Tantal, enthalten.
In den folgenden Tabellen 1, 2 und 3 sind mechanische Eigenschaftswerte für eine erfindungsgemäß
zu verwendende Legierung vom Typ 7% Al, 2% Sn, 2% Zr, 1% Mo, 0,074% O2, Rest Ti, aufgeführt.
Die in Tabelle 2 aufgeführten Werte sind gemessen an einer geschmiedeten Vierkantprobe derselben Zusammensetzung
wie in Tabelle 1, sie wurde aber 1 Stunde bei 985° C gehalten, in Luft abgekühlt, dann
bei 595° C 8 Stunden angelassen und wieder in Luft abgekühlt.
In Tabelle 3 ist die Zugfestigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit der oben angegebenen
Zusammensetzung an einer 1,78 mm dicken Blechprobe mit NASA-Scharfkerbe (zwei symmetrische
60°-Kerben mit einem Radius im Kerbgrund von maximal 0,025 mm und einer Formzahl
ak > 17) ermittelt, die bei 7903C 1 Stunde geglüht und
in Luft abgekühlt worden war, und zwar einmal ohne weitere Behandlung und zum anderen nach
einer weiteren 95stündigen Glühung bei 54O0C und
anschließender Luftkühlung.
In Tabelle 4 sind Ergebnisse von Versuchen an zwei Proben aus 6% Al, 2% Sn, 1,8% Zr, 1% Mo,
0,108% O2, Rest Titan, aufgeführt, die unterschiedlicher
Wärmebehandlung unterworfen wurden. Bei der Probe 1 handelt es sich um einen Rundstab und
bei der Probe 2 um einen Walzblechabschnitt. Die Probe 1 wurde in einem Kerbschlagbiegeversuch bei
Raumtemperatur und bei —62° C (Charpyscher Pendelschlaghammertest)
untersucht; die Probe 2 nur bei —62° C. Außerdem wurden Zugfestigkeit, Streckgrenze,
Einschnürung und Dehnung der Proben bei Raumtemperatur ermittelt.
Die Abmessung der Proben ist wie folgt:
Probe 1 :
Rundstab mit 11,5 mm Durchmesser und 54,86 mm Länge und einer 60°-Kerbe in der Probenmitte,
deren Grundradius 0,254 mm und Durchmesser 9,68 mm betragen.
Probe 2:
Charpy-'V-Kerbprobe üblicher Art mit 10mmD
und 54,86 mm Länge mit einer 45°-V-Mittelkerbe, Kerbgrundradius 0,254 mm und einer Kerbtiefe
von 2 mm.
Wie aus den Ergebnissen des Kerbschlagbiegeversuchs gemäß Tabelle 4 ersichtlich, weist die erfindungsgemäß
zu verwendende Legierung gute Zähigkeitseigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als
auch .bei —62° C auf. Zugfestigkeit und Dehnung
im wärmebehandelten Zustand sind ebenfalls gut, wobei diese Eigenschaften auch in einer Schweißzone
keine wesentliche Beeinträchtigung erfahren. Beachtenswert ist die Duktilität, wie sie durch die
Einschnürung von 38% und die Dehnung von 18% bei der geschweißten Probe ausgewiesen ist.
Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung läßt sjch nach einem bekannten Verfahren herstellen,
nach welchem das Titan und die Legierungselemente unter Bildung einer im wesentlichen homogenen Zusammensetzung
miteinander verschmolzen werden. Titanschwamm der geforderten Reinheit, insbesondere
in bezug auf seinen Sauerstoffgehalt, wird mit feinzerkleinertem Aluminium, Zinn, Zirkon und Molybdän
in den richtigen Mengenverhältnissen gemischt
und das Gemisch zu Körpern verpreßt. Die Preßkörper werden zu einer Elektrode verschweißt, die
in einem mit Abschmelzelektrode arbeitenden Lichtbogenschmelzofen zu einem Legierungsblock ver
arbeitet wird. Der so hergestellte Legierblock kann als Elektrode neuerlich zu dem endgültigen Legierblock
umgeschmolzen werden, um die Homogenität zu verbessern.
12,7 mm Profil | Raumtemperatur | Bei 426° C |
Zugfestigkeit (kp/mm2) Streckgrenze (0,2%-Grenze) (kp/mm2) Einschnürung (%) Dehnung auf 2,54 cm (%) |
96,0 86,8 45 19 |
61,0 50,0 48 17 |
Vierkant-Schmiedestab | 90,0 80,0 36 18 |
Nach Belastung mit 21,10 kp/mm2 auf die Dauer von 8 Stunden bei 5400C |
Zugfestigkeit (kp/mm2) Streckgrenze (0,2%-Grenze) (kp/mm2) Einschnürung (%) Dehnung auf 2,54 cm (%) Kriechverformung (%) |
90,0 84,0 38 18 0,25 |
|
Nach 95stündiger Erwärmung auf 540°C und Abkühlung in Luft
Zugfestigkeit (kp/mm2)
97,0
94,0
K2' | -62CC | z3» | S41 | E5' |
mkp | 2,76 | gemessen | bei Räumt | emper |
Raum | 2,89 | |||
temperatur | 2,55 | kp/mm2 | kp/mm2 | % |
3,06 | 3,42 | 107,56 | 100,53 | 42 |
3,15 | 3,15 | 99,12 | 92,79 | 44 |
2,89 | 3,31 | 103,34 | 97,72 | 43 |
4,35 | 3,17 | 97,72 | 89,28 | 46 |
3,73 | 2,76 | 101,23. | 96,31 | 45 |
4,42 | 2,04 | 95,61 | 82,25 | 27 |
4,03 | 3,84 | 97,72 | 85,06 | 28 |
2,73 | 101,93 | 95,61 | 32 | |
4,97 | 103,34 | 99,12 | 35 | |
2,48 | 95,61 | 87,17 | 33 | |
2,42 | 95,61 | 88,58 | 36 | |
3,06 | 96,31 | 89,98 | 37 | |
3,15 | 97,72 | 90,69 | 35 | |
3,38 | 97,01 | 87,88 | 31 | |
95,61 | 85,77 | 36 | ||
96,31 | 86,47 | 38 | ||
D61 itur
Probe 1
im Walzzustand
815°C, 2 Stunden, LK
8150C, 2 Stunden, LK; 5400C, 4 Stunden, LK
950°C, 15 Minuten, LK
950° C, 15 Minuten, LK; 54O0C, 4 Stunden, LK
10400C, 5 Minuten, LK
1040°C, 5 Minuten, LK; 5400C, 4 Stunden, LK
Probe 2
im Walzzustand
im Walzzustand
9500C, 15 Minuten. LK
950°C, 15 Minuten, LK
950° C, 15 Minuten, LK; 54O0C, 4 Stunden, LK
9500C, 15 Minuten, LK; 54O0C, 4 Stunden, LK
1040° C, 5 Minuten, LK; 5400C, 4 Stunden, LK
10400C, 5 Minuten, LK; 540° C, 4 Stunden, LK
im geschweißten Zustand
im geschweißten Zustand
LK = Luftkühlung. Z3) = Zugfestigkeit.
R1) = Prüfrichtung. S4) = Streckgrenze.
L = Walzlängsrichtung, E5) = Einschnürung.
Q = Walzquerrichtung. D6) = Dehnung.
K2) = Kerbschlagzähigkeit.
K2) = Kerbschlagzähigkeit.
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
16 19 19 20 21 16 15
14 13 17 15 21 17 15 20 18
Claims (2)
- i 4Ö8 354Patentansprüche: 1. Verwendung einer Titanlegierung mit5,5 bis 6,5% Aluminium,
1,7 bis 2,3% Zinn,
0,7 bis 3,0% Zirkonium,
0,7 bis 3,0% Molybdän,
bis zu 0,16% vorzugsweise
0,08 bis 0,16% Sauerstoff,
Rest Titanund übliche Verunreinigungen als Werstoff für Gegenstände, die ein geringes spezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch bei tiefen Temperaturen denBeanspruchungen, wie sie insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten, standhalten. - 2. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus6% Aluminium,2% Zinn,2% Zirkonium,1% Molybdän,bis zu 0,12%, vorzugsweise0,08 bis 0,12% Sauerstoff,Rest Titanund übliche Verunreinigungen, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.009 537/96
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