DE1533199B1

DE1533199B1 - Verwendung einer titanlegierung fuer warm- und kriechfeste gegenstaende

Info

Publication number: DE1533199B1
Application number: DE19661533199
Authority: DE
Inventors: Roger Edward Peebles
Original assignee: CONTIMET GmbH
Current assignee: CONTIMET GmbH
Priority date: 1963-10-17
Filing date: 1966-02-25
Publication date: 1972-06-08
Also published as: SE317518B; FR89637E; BE677115A; GB1095076A; US3343951A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Titan- 25 legierung als bekannt herleiten mit 0,25 bis 8,0 % Al, legierung vom «-Typ, als Werkstoff für die Herstellung 1 bis 23% Sn, 0,5 bis 50% Mo, 0,5 bis 50% Zr, bis von Gegenständen, die ein hohes Verhältnis von 0,5% O₂, Rest Titan. Legierungen aus diesem beFestigkeit zu spezifischem Gewicht und eine hohe kannten Bereich sollen eine hohe Festigkeit und Duk-Warm- und Kriechfestigkeit besitzen müssen, nach tilität bis zu höheren Temperaturen besitzen. Über die Patent 1 458 354. 3° besonders gute Kriechfestigkeit einer Legierung der

Legierungen auf Titanbasis werden oft bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung Herstellung von Schnellauf enden Flugzeugmotoren aus dem verhältnismäßig weiten bekannten Legierungsund Strahltriebwerken verwendet. Für solche Ver- bereich bei höheren Temperaturen ist dieser Patentwendungszwecke sollte die jeweils gewählte Legierung schrift nichts zu entnehmen.

spezifisch leicht und stabil sein, hohe Temperatur- 35 Das gleiche gilt für die aus der schweizerischen und Kriechfestigkeit sowie Zähigkeit besitzen und Patentschrift 340 633 bekannte Titanlegierung mit bis gleichzeitig verform- und schweißbar sein, damit sie 10% Al, bis 8% Sn, bis 10% Mo, bis 10% Zr, 0,02 nach Wunsch verarbeitet werden kann. Die Eigen- bis 0,3% O₂, Rest Titan. Auch aus dem verhältnisschaften, die einer Legierung durch die üblichen mäßig weit abgesteckten Legierungsbereich der deut-Legierungselemente verliehen werden, sind bis zu 40 sehen Auslegeschrift 1142 445 mit 0,25 bis 7,5 % Al, einem gewissen Grade bekannt, doch hat die Zugabe 0,25 bis 16% Sn, 0,1 bis 2,5% Mo, 0,1 bis 10% Zr, solcher Einzelelemente oftmals die Wirkung, daß eine bis 0,3 % ^z> R^est Eisen mit weiteren notwendigen bestimmte Eigenschaft zwar verbessert wird, eine Zusätzen von Wismut, Eisen, Nickel, Mangan und andere Eigenschaft dagegen eine nachteilige Beein- Chrom konnte eine Titanlegierung der erfmdungsflussung erfährt. Es kann beispielsweise die Festigkeit 45 gemäß zu verwendenden Zusammensetzung mit der von Titan bei hoher Temperatur durch Zugabe von geforderten Kriechfestigkeit nicht ohne weiteres her-Aluminium als Legierungselement stark erhöht werden, geleitet werden.

wobei aber beim Überschreiten eines bestimmten Gegenüber den aus den USA.-Patentschriften Höchstwertes an Legierungsgehalt eine Einbuße an 3 049 425 und 3 061427 sowie der deutschen AusVerformbarkeit und Warmfestigkeit der Legierung 50 legeschrift 1161 435 bekannten Titanlegierung ist die auftritt. erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung in

Das Hauptpatent 1 458 354 betrifft die Verwendung ihrer Zusammensetzung abgegrenzt. Außerdem weisen einer Titanlegierung mit die aus den letztgenannten Patentschriften bekannten

, ,. , ₀. .. . . Titanlegierungen nicht die Eigenschaften auf, die für

5,5 bis ö,5 /„ Aluminium, _{55 den} erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendungs-

' vin»/rT' · zweck gefordert werden.

ηίν ino/ffii^^m' ^{Von der aus der} belgischen Patentschrift 654 466

π η ifiQ/ ς tff bekannten Titanlegierung, die der gemäß dem Haupt-

bis u,iei/o bauerstott, patent obengenannter Zusammensetzung entspricht,

Rest Titan und unvermeidbare _6o unterscheidet sich die erfindungsgemäß zu verwendende Verunreinigungen, Titanlegierung in einem auf 5,0 % erhöhten Zirkoniumais Werkstoff für Gegenstände, die ein geringes gehalt und auf 0,20% erhöhten Sauerstoffgehalt. Daspezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriech- durch lassen sich die Raum- und Hochtemperaturfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Ver- festigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden formbarkeit erfordern und auch bei tiefen Tempera- 65 Titanlegierung, wie aus der folgenden Tabelle hervorturen den Beanspruchungen, wie sie insbesondere im geht, gegenüber einer Titanlegierung gemäß Haupt-Flugzeug- und Raketenbau auftreten, standhalten. patent und der diesem entsprechenden belgischen Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ver- Patentschrift 654 466 beträchtlich verbessern.

Eigenschaften

Ti - 5,7Al - 2Sn - 2Zr - IMo - 0,074 O₂ RT I 430⁰C I HTB*) Ti - 6Al - 2Sn - 4Zr - 2MO - 0,083 O₂
RT I 430⁰C I HTB*)

95,7 61,2

86,6 50 83,8

19 17

— — 0,25

*) HTB = Hochtemperaturbelastung mit 21,2 kp/mm^a, 150 Stunden bei 54O⁰C.

Zugfestigkeit (kp/mm²) ..
0,2-Dehngrenze (kp/mm²)

Dehnung (%)

Kriechdehnung (%)

108,2
103
18

86,6

69

20

110
100
17
0,33

Aluminium wird 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 a-Titanphase. Ein Aluminiumgehalt in den angegebenen Grenzen führt zu einer Titanlegierung vom reinen «-Typ, selbst wenn Molybdän als jS-Stabilisatoi in geringen Mengen vorhanden ist. Die Schweißbarkeit dieser Legierung ist gut, weil Erhitzen und Abkühlen beim Schweißen oder Nachschweißen keine schädliche Sprödigkeit der Legierung bewirkt.

Zinn in den erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen ergänzt das Aluminium insofern als seine Beimischung zu hoher Warmfestigkeit führt, ohne die Dehnung nachteilig zu beeinflussen. Ein Zinngehalt von weniger als 1,7% hat keinen wahrnehmbaren Einfluß und mehr als 2,3 % ist nicht notwendig, um die günstigste Wirkung hervorzurufen, würde aber einen ungünstigen Einfluß auf das spezifische Gewicht der Legierung haben.

Zirkonium wirkt mehr als «-Stabilisator, obwohl es den /3-Transus der Legierung bis zu einem gewissen Grade herabsetzt. Die Festigkeit der Legierung kann gegenüber einer bekannten Legierung mit 3% Zirkonium gemäß der belgischen Patentschrift 654 466 ohne übermäßig nachteilige Beeinträchtigung des spezifischen Gewichts durch einen Zusatz bis 5,0% Zirkonium verbessert werden.

Die Menge an Molybdän ist gleichfalls kritisch, da genügend vorhanden sein muß, um das Kristallgefüge der festen Lösung zu verfestigen und für eine gewisse Wärmebehandlungsfähigkeit eine kleine ausreichende Menge ß-Phase zu liefern. Aus diesem Grunde 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 zusatzlieh zurückgehaltene /?-Phase sich nachteilig auf die Schweißbarkeit und in einem gewissen Maße auf die Kriechfestigkeit auswirkt. Darüber hinaus ist Molybdän ein spezifisch 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 soll bis 0,20% betragen.

Sauerstoff findet sich als Bestandteil im Titanmetall und in den Legierungsstoffen, wie sie zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung verwendet werden, und kann darüber hinaus auch von der Legierung während der verschiedenen Herstellungsphasen, beispielsweise beim Schmelzen, aufgenommen werden. Diese Sauerstoffaufnahme während der Verarbeitung und beim Schmelzen der Legierung kann im allgemeinen innerhalb angemessener Grenzen vorherbestimmt werden, wobei Titanschwamm und Legierungselemente oder Vorlegierungen so gewählt werden können, daß sich eine Legierung herstellen läßt mit einem Sauerstoffgehalt bis 0,2%. Es wurde festgestellt, daß durch Zusatz von Sauerstoff bis 0,20% die gewünschten mechanischen Eigenschaften noch verbessert werden konnten.

Die üblichen Verunreinigungen dürfen in der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung in Mengen vorhanden sein, die sich aus den Verunreinigungen des verwendeten Titans und der Legierungsmetalle ergeben. Diese Verunreinigungen sollen insgesamt nicht mehr als bis 0,4% betragen.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung läßt sich 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, Zirkonium 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 verarbeitet wird. Der so hergestellte Legierungsblock kann als Elektrode neuerlich zu dem endgültigen Legierungsblock umgeschmolzen werden, um die Homogenität zu verbessern.

Claims

Patentanspruch- besserung der Festigkeitseigenschaften der Titan

legierung gemäß Hauptpatent ohne wesentliche Beein-

Verwendung einer Titanlegierung mit trächtigung der Dehnung und insbesondere Kriech-

,,,. ,.., ., . . dehnung.

ι'? ν?' Ji 7- ^mmm' 5 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

i'JS'i'i uTu- ^löst> ^{daß bei der} Titanlegierung obiger Zusammen-

nn u* Λ o;° -τ-ι ·^an' setzung gemäß Hauptpatent der Zirkoniumgehalt auf

P πίλο/ « !"# ⁵'°% ^{und der} Sauerstoffgehalt auf 0,20% erhöht

bis υ,16 /ο !sauerstoff, _{wird) W0<}j_Urch neben einem spezifischen Gewicht von

Rest iitan _{10 0j}00445 bis 0,00472 kp/cm³, eine Zugfestigkeit von

für warm- und kriechfeste Gegenstände nach wenigstens 85 kp/mm² bei Raumtemperatur und von Patent 1 458 354, wobei jedoch der Zirkonium- wenigstens 49,2 kp/mm² bei 427° C sowie eine Kriechgehalt bis 5,0% und der Sauerstoffgehalt bis dehnung von weniger als 0,6 % nach einer 150stündi-0,20 % beträgt, als Werkstoff für Gegenstände, gen Zugbelastung unter 21,1 kp/mm² bei 536⁰C erdie ein spezifisches Gewicht von 0,00445 bis 15 reicht werden. Damit übertrifft die erfindungsgemäß 0,00472 kp/cm³, eine Zugfestigkeit von wenigstens zu verwendende Titanlegierung, wie sich aus der 85 kp/mm² bei Raumtemperatur und von wenig- nachfolgenden tabellarischen Gegenüberstellung ergibt, stens 49,2 kp/mm² bei 427⁰C sowie eine Kriech- die gemäß Hauptpatent bzw. die der diesem entdehnung von weniger als 0,6 % nach einer 150stün- sprechenden belgischen Patentschrift 654 466 hinsichtdigen Zugbelastung unter 21,1 kp/mm² bei 536⁰C ao lieh ihrer Festigkeitseigenschaften bei Raum- und aufweisen. Hochtemperatur.

Titanlegierungen des erfindungsgemäß zu verwendenden Typs sind an sich bereits bekannt. So läßt sich aus der USA.-Patentschrift 2 779 677 eine Titan-