DE1458416B1 - Beta-titanlegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine /^-Titanlegierung, bei der die /i-Phase stabilisiert ist.

Der Elastizitäts-(E-)-Modul von Titanlegierungen (etwa 11,25 χ 10³ kp/mm² bei Raumtemperatur) ist allgemein niedrig gegenüber dem Ε-Modul von Stahl (21 χ 10³ kp/mm²). Weiterhin nehmen die E-Moduln von nicht legiertem Titan und der Alpha- und Alpha-Beta-Titanlegierungen bei steigender Temperatur schnell ab. Obgleich.der Ε-Modul solcher Legierungen bekanntermaßen durch Zuführung von Bor, insbesondere zu Legierungen mit einem Aluminiumgehalt, beachtlich verbessert werden kann, nehmen die Festigkeit und der Ε-Modul schnell mit zunehmender Temperatur ab.

Aus der britischen Patentschrift 796 781 sind bereits Titanlegierungen bekannt, die Molybdän, Niob, Tantal, Aluminium und Bor enthalten. Diese Legierungen bestehen aus 2 bis 10% Aluminium, 1 bis 10% Molybdän und 0,1 bis 2% Silicium; sie können weiterhin 1 bis 10% Vanadium, 1 bis 10% Niob, 1 bis 10% Tantal und bis zu 2% Bor enthalten.

In der britischen Patentschrift 873 774 sind Alpha- und Alpha-Beta-Legierungen bekannt, die 0,005 bis 0,5% Bor, bis zu 15% Molybdän oder bis zu 10% Aluminium oder bis zu 20% Vanadium enthalten.

Aus der britischen Patentschrift 822 750 ist es bekannt, daß Legierungen mit 6% Aluminium und 4% Vanadium einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen. Es wird weiterhin angegeben, daß der Modul durch Zusatz von Kohlenstoff und/oder Bor oder anderen Elementen, welche in der Legierung harte zweite Phasen bilden, noch verbessert werden kann. Die Tabelle I zeigt Elastizitätsmodulwerte, die auf Titanblechen bestimmt wurden, welche auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen mit einer Titanlegierung beschichtet waren, die 2,5% Kohlenstoff enthielt. Die Tabelle II zeigt die Moduln, die mit einem Titanblech erhalten wurden, das 2% Bor enthielt und das mit einer 2,5% Kohlenstoff enthaltenden Titanlegierung beschichtet war. Diese Patentschrift beschreibt auch Titanlegierungen, die 1,5% Kohlenstoff oder 1% Bor enthalten.

In der französischen Patentschrift 1 092 641 sind Legierungen beschrieben, die 0,1 bis 15% Beta-Stabilisatoren, und zwar ein oder mehrere der folgenden: 1 bis 10% Niob, 0,1 bis 20% Tantal, 0,1 bis 30% Vanadium, 0,1 bis 10% Wolfram und 0,1 bis 10% Zirkonium, und außerdem 0,1 bis 15% Chrom oder Molybdän und 0,5 bis 5% Bor enthalten. Diese Patentschrift diskutiert die Erstarrungsbereiche von Legierungen, die Niob, Tantal, Wolfram und Zirkonium enthalten, und zwar unter besonderer Bezugnahme ihrer Einflüsse auf die Schweißbarkeit von Legierungen, in denen sie vorkommen. Es findet sich auch ein Hinweis auf den schädlichen Einfluß von Kohlenstoff und Bor, da sie die Schweißbarkeit verschlechtern. Die USA.-Patentschrift 2 938 789 bezieht sich auf eine Legierung, die 30 bis 50% Molybdän und 0,1 bis 2,0% Bor oder Silicium enthält. Es findet sich kein Hinweis auf Kohlenstoff.

Von diesen Patentschriften befassen sich die britischen Patentschriften 796 781, 873 774 und 822750 lediglich mit dem Verhalten von Alpha- oder Alpha-Beta-Legierungen, wogegen die erfindungsgemäßen Legierungen Beta-Legierungen sind. Die britische Patentschrift 822 750 beschreibt die Verbesserung des Moduls eines Blechs, das mit binären borhaltigen bzw. kohlenstoffhaltigen Legierungen beschichtet ist.

Die französische Patentschrift befaßt sich nur mit dem Schweißen und gibt keinerlei Informationen über den Elastizitätsmodul. Die USA.-Patentschrift bezieht sich nur auf Titan-Molybdän-Legierungen, die Bor und/oder Silicium enthalten. Es finden sich keinerlei Angaben über die Auswirkungen auf den Elastizitätsmodul.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun Beta-Legierungen, die bezüglich des Elastizitätsmoduls stark verbessert sind, da sie bei Temperaturen von 500⁰C einen Modul haben, der gleich dem Modul der besten Alpha-Legierungen ist, und da sie bei höheren Temperaturen einen noch besseren Modul aufweisen. Es wurden also Beta-Legierungen, welche sich normalerweise gut schmieden lassen, insofern verbessert, als sie nun einen höheren Modul, und zwar insbesondere bei erhöhten Temperaturen, aufweisen, weshalb sie nun auch bei Verwendungen herangezogen werden können, bei denen solche Temperaturen auftreten.

Es wurde gefunden, daß mit den nachfolgend beschriebenen Titanlegierungen eine Verbesserung des Ε-Moduls zusammen mit einer Verbesserung der Festigkeit bei Temperaturen bis hinauf zu 600⁰C erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird eine Titanlegierung mit einer MikroStruktur geschaffen, welche im wesentlichen aus einer Dispersion von Titan-Borid in einer Matrix von voll stabilisierter Beta-Phase besteht. Die intermetallische Verbindung Ti₂Al kann ebenfalls in der Matrix dispergiert sein.

Gegenstand der Erfindung ist eine Beta-Titanlegierung, welche Bor und die /i-Bildner Molybdän, Vanadium, Niob und Tantal, einzeln oder zu mehreren, sowie Kohlenstoff und gegebenenfalls Aluminium enthält, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus Molybdän, Vanadium, Niob und Tantal in einer Menge, die von dem unteren Grenzwert, bei dem die Beta-Phase bei Ofenabkühlung beibehalten wird, bis 48,65% reicht und 0,6 bis 1,5% Kohlenstoff, 0,75 bis 1,5% Bor, mit der Maßgabe, daß die Legierung noch zusätzlich bis 8% Aluminium enthalten kann, wenn der Borgehalt größer als 1% ist, Rest mindestens 50% Titan neben den üblichen Verunreinigungen besteht.
Diese Legierungen können auch noch einen weiteren Zusatz an einem oder mehreren der Eutektoide bildenden Elemente Chrom, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Silicium, Mangan, Wolfram in niedrigeren Anteilen, als sie zur Bildung von Korngrenzniederschlägen notwendig sind, auf Kosten der Beta-Bildner enthalten.

Aluminium kann vorteilhaft in Gehalten bis zu 8%, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 bis 7%, vorliegen. Wenn Aluminium vorliegt, soll die untere Grenze des Borgehalts jedoch größer als 1% sein.

Als Verunreinigungen gelten im allgemeinen die Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, welche in ihren Anteilen dann möglichst niedrig liegen sollen. Von diesen Zwischenelementen überschreitet der Kohlenstoff als Verunreinigung nicht einen Gehalt von 0,1%, sondern liegt tatsächlich normalerweise sehr weit darunter. Kohlenstoff kann jedoch den erfindungsgemäßen Legierungen in verhältnismäßig großen Anteilen als Legierungselement zugefügt werden, wie dies im folgenden angegeben ist.

Die Schmiedbarkeit kann durch Zusätze von 0,6 bis 1,5%, vorzugsweise 0,75 bis 1,25%, Kohlenstoff verbessert werden, wobei der Kohlenstoff als Legierungselement, üblicherweise als Titankarbid, zugefügt wird.

Die erfindungsgemäßen Legierungen können durch Schmelzen in einem Vakuum-Lichtbogenofen oder einem Elektronenstrahlofen in bekannter Weise hergestellt werden.

Hinsichtlich der Gehaltsgrenzen der beta-isomorphen Elemente liegt die untere Grenze, bei welcher die Beta-Phase nach einer Ofenabkühlung aufrechterhalten wird, für jedes Element unterschiedlich, jedoch sind diese Grenzen bekannt. Wenn mehr als ein derartiges Element oder Aluminium oder Eutektoidbildner vorliegen, sind die unteren Grenzen in einigen Fällen wiederum unterschiedlich; die tatsächlichen Zusammensetzungen, bei welchen die Legierung nach einer Ofenabkühlung in ihrer Gesamtheit in der Beta-Modifikation vorliegen, können leicht durch routinemäßige Verfahren bestimmt werden, beispielsweise durch mikroskopische Prüfungen der MikroStruktur. Beispielsweise sind die unteren Grenzen von Molybdän und Vanadium in Ti-Mo-Al-B-C- und Ti-V-Al-B-C-Beta-Legierungen 15% Molybdän bzw. 20% Vanadium, in Ti-Mo-V-Al-B-C-Beta-Legierungen liegen jedoch die Grenzen dieser beiden Elemente niedriger. Die obere Grenze der beta-isomorphen Elemente liegt bei 48,65%.

In ähnlicher Weise ist die obere Grenze der wahlweisen, Eutektoide bildenden Elemente unterschiedlich für jedes Element, kann jedoch durch routinemäßige Verfahren, beispielsweise durch Prüfung der MikroStruktur, leicht bestimmt werden, wobei feststellbar ist, ob an den Korngrenzen eine Ausscheidung erfolgt ist oder nicht.

Die obere Grenze der beta-stabilisierenden Elemente beider Arten kann nach Belieben gewählt werden, solange die Legierung in ihrer Gesamtheit in der Beta-Modifikation verbleibt. Eine praktische Grenze ergibt sich jedoch dadurch, daß die Dichte nicht durch Steigerung des Gehalts an beta-stabilisierenden Elementen übermäßig erhöht werden sollte. Die Verwendung von Mengen an beta-stabilisierenden Elementen, die stark über den Mengen liegen, die zur Bildung einer vollständigen Beta-Struktur nötig ist, wird deshalb nicht angeraten.

Während erfindungsgemäße Legierungen spezifische Ε-Moduln, d. h. ein Verhältnis des Ε-Moduls zur Dichte, etwas unterhalb der besten Alpha-Legierung bei Raumtemperatur aufweisen, findet andererseits ein wesentlich langsamerer Abfall der Ε-Moduln bei steigender Temperatur statt, so daß bei etwa 500⁰C die Ε-Moduln etwa gleich sind. Bei höheren Temperaturen sind Beta-Legierungen mit Bor den Alpha-Legierungen überlegen, und die besten Zusammensetzungen sind somit besonders zur Anwendung in Gasturbinen geeignet, welche hinreichende Festigkeit und Steilheit bei Temperaturen von etwa 600⁰C erfordern.

In Tabelle I sind die Ε-Moduln einer Alpha- und Beta-Legierung, einer Beta-Legierung mit Bor und von technisch reinem Titan bei Raumtemperatur dargestellt; in Fig. 1 sind graphisch die E-Moduln der gleichen Legierung bei erhöhten Temperaturen gezeigt. Die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung ist bei allen Temperaturen über 100⁰C gegeben.

Untersuchungen des Einflusses der Temperatur auf die Festigkeit durch Härtemessungen, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist, zeigten, daß erfindungsgemäße Beta-Legierungen bei Temperaturen über 500° C wesentlich fester als Alpha- oder Alpha-Beta-Legierungen sind. Die Beta-Titanlegierung mit Bor (Ti-20Mo-10V-6A1-U B) ist bei 600° C etwa um 26% fester als eine technische Hochtemperaturlegierung aus 11% Zinn, 2,25% Aluminium, 5% Zirkonium, 1% Molybdän, 0,18% Silicium, Rest Titan, und fast 90% fester als die beste bekannte Titanlegierung mit hohem E-Modul.

Tabelle II zeigt die Auswirkungen der Zusätze von Bor allein, von Bor und Aluminium und zusätzlichen beta-isomorphen Elementen zu einer Beta-Legierung auf den Ε-Modul bei Raumtemperatur. Aluminium bildet eine intermetallische Verbindung Ti₂Al, welche in Verbindung mit in der Beta-Matrix dispergiertem Borid den Ε-Modul noch weiter verbessert.

Die Tabellen III und IV zeigen die Veränderungen des Ε-Moduls mit der Zeit bzw. der Temperatur bei einer Legierung aus 20% Molybdän, 10% Vanadium, 6% Aluminium, 1,1% Bor, Rest Titan, welche einen gegenüber den bekannten Legierungen mit hohem Ε-Modul beachtlich besseren Ε-Modul aufweist.

Erfindungsgemäße Legierungen können gealtert werden, um über den gesamten Temperaturbereich höhere Ε-Module zu ergeben. Während des Alterns ändert sich der Modul mit der Haltezeit bei der Alterungstemperatur, jedoch sind die Legierungen in dem völlig gealterten Zustand stabil. Tabelle III zeigt die Änderung des Ε-Moduls mit der Zeit bei der Alterungstemperatur (600⁰C); es ist ersichtlich, daß diese besondere Legierung bei 600⁰C verhältnismäßig langsam altert, jedoch ein Gleichgewicht bei 68 Stunden erreicht, wenn keine weitere meßbare Änderung des Ε-Moduls auftritt. Die für jeden Gleichgewichtszustand erforderliche Zeit hängt von der Alterungstemperatur ab. Legierungen können bei derjenigen Temperatur auf Gleichgewicht gealtert werden, welche im späteren Betrieb verwendet wird.

Tabelle I
Ε-Modul von Titanlegierungen bei Raumtemperatur

Legierungsart	Legierungs zusammensetzung	E-Modul (kp mm2) ■	Tempe ratur C
Beta	Ti-20 Mo-	13,90 χ 103	20
	10V-6 Al-IJB
Alpha	Ti-5A1-1,17B	14,11 χ 103	20
Alpha+ Beta	Ti-IlSn-	11,54 χ 103	20
	2.25 Al-5 Zr-
	IMo-0,18 Si
Unlegiert	reines Han	11,25 χ 103	20
	delstitan

Tabelle II

E-Modul von 7All-Beta-Titanlegierungen

bei Raumtemperatur nach Abschrecken in

Wasser von 950⁰C

	E-Modul (kp mm2)	Tempe
Legierung		ratur
	10,43 χ 103	C
T1-3OM0	8,66 χ 103	23,8
T1-2OM0	10,75 χ 103	26,5
Ti-20Mo-l,5B	12,08 χ 103	23,8
Ti-20Mo-6Al-1.5B	12,74 χ 103	24,0
Ti-20 Mo-10 V-6 Al-I,IB	23,1

Tabelle III

Die Änderung des Ε-Moduls mit der Zeit bei Alterung der Legierung

bei 60O⁰C

Zeit	Ε-Modul bei	Zeit	Ε-Modul bei
Stunden	600°C(kp/mm2)	Stunden	600°C(kp/mm2)
0	11,61 χ 103	28,5	11,91 χ 103
1	11,66 χ 103	43,5	12,01 χ 103
3,5	11,68 χ 103	46	12,00 χ 103
19,5	11,82 χ 103	49	12,03 χ 103
22	11,83 χ 103	52,5	12,05 χ 103
25	11,88 χ 103	68	12,07 χ 103

Tabelle IV

Die Änderung des Ε-Moduls mit der Temperatur von Ti-20Mo-10V-6Al-l,lB

Tempe	E-Modul	Tempe	E-Modul
ratur 'C	(kp/mrn2)	ratur 0C	(kp/mm2)
21	13,89 χ 103	334	12,69 χ 103
115	13,59 χ 103	354	12,95 χ 103
130	13,56 χ 103	378	12,86 χ 103
145	13,52 χ 103	410	12,76 χ 103
160	13,47 χ 103	438	12,65 χ 103
178	13,43 χ 103	465	12,55 χ 103
197	13,38 χ 103	495	12,46 χ 103
212	13,34 χ 103	520	12,38 χ 103
232	13,27 χ 103	538	12,30 χ 103
255	13,22 χ 103	562	12,21 χ 103
272	13,17 χ 103	590	12,12 χ 103
288	13,14 χ 103	611	12,03 χ 103
318	13,05 χ 103	—	—

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Beta-Titanlegierung, welche Bor und die /9-Bildner Molybdän, Vanadium, Niob und Tantal, einzeln oder zu mehreren, sowie Kohlenstoff und gegebenenfalls Aluminium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Molybdän, Vanadium, Niob und Tantal in einer Menge, die von dem unteren Grenzwert, bei dem die Beta-Phase bei Ofenabkühlung beibehalten wird, bis zu 48,65% reicht und 0,6 bis 1,5% Kohlenstoff, 0,75 bis 1,5% Bor, mit der Maßgabe, daß die Legierung noch zusätzlich bis 8% Aluminium enthalten kann, wenn der Borgehalt größer als 1% ist, Rest mindestens 50% Titan neben den üblichen Verunreinigungen besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Zusatz an einem oder mehreren der Eutektoide bildenden Elemente Chrom, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Silicium, Mangan, Wolfram, in niedrigeren Anteilen, als sie zur Bildung von Korngrenzenniederschlägen notwendig sind, auf Kosten der Beta-Bildner.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 bis 7% Aluminium enthält.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,75 bis 1,25% Kohlenstoff enthält.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus 20% Molybdän, 10% Vanadium, 6% Aluminium, 1,1% Bor, Rest Titan sowie übliche Verunreinigungen.

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus 20% Molybdän, 1,5% Bor, Rest Titan sowie übliche Verunreinigungen.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus 20% Molybdän, 6% Aluminium, 1,5% Bor, Rest Titan sowie übliche Verunreinigungen.

8. Verfahren zur Wärmebehandlung der Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie 68 Stunden bei 600⁰C gealtert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen