DE1558461B1

DE1558461B1 - Verwendung einer titanlegierung fuer gegenstaende die ein geringes spezifisches gewicht hochwarmfestigkeit kriech festigkeit gute zaehigkeit schweissbarkeit und verform barkeit erfordern und tieftemperaturbeanspruchungen stand halten

Info

Publication number: DE1558461B1
Application number: DE19671558461
Authority: DE
Inventors: Peebles Roger Edward
Original assignee: CONTIMET GmbH
Current assignee: CONTIMET GmbH
Priority date: 1966-06-20
Filing date: 1967-04-18
Publication date: 1971-08-26
Also published as: SE336471B

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Titanlegierung als Werkstoff für Gegenstände, die ein geringes spezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch bei tiefen Temperaturen den Beanspruchungen, wie sie insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten, standhalten nach Patent P 14 58 354.1-24.

Legierungen auf Titanbasis finden häufig bei der Herstellung von Flugzeugen und Düsentriebwerken Verwendung. Für diesen Verwendungszweck muß die jeweilige Legierung spezifisch leicht und stabil sein, hohe Festigkeit bei erhöhter Temperatur, Zeitstandfestigkeit und Zähigkeit besitzen sowie gleichzeitig verformbar und schweißbar sein, damit aus ihr das gewünschte Profil geformt werden kann. Die durch herkömmliche Legierungselemente erzielten Eigenschaften sind bis zu einem gewissen Grad bekannt, doch haben die Wirkungen der Zugabe derartiger Einzelelemente, obwohl sie eine oder mehrere bestimmte Eigenschaften verbessern mögen, oftmals einen nachteiligen Einfluß auf irgendeine andere Eigenschaft. So läßt sich beispielsweise die Festigkeit von Titan bei erhöhten Temperaturen durch Zugabe des die α-Phase stabilisierenden Elements Aluminium merklich verbessern, doch geht dies über einen bestimmten Höchstwert hinaus auf Kosten der Verformbarkeit und Wärmestabilität im allgemeinen.

Aus diesem Grund besteht Bedarf für eine Titanlegierung vom α-Typ, welche die obengenannten Eigenschaften aufweist.

In dem Hauptpatent P 14 58 354.1-24, dem die vorveröffentlichte belgische Patentschrift 654 466 entspricht, ist zur Lösung dieses Problems die Verwendung einer Titanlegierung 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%, vorzugsweise 0,08 bis 0,16% Sauerstoff, Rest Titan und übliche Verunreinigungen vorgeschlagen worden bzw. aus der belgischen Patentschrift 654 466 bereits bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Festigkeit und Kriechfestigkeit der gemäß Hauptanmeldung zu verwendenden Titanlegierung unter Beibehaltung der sonstigen guten Eigenschaften jener Legierung weiter zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung einer Titanlegierung mit

5,5 bis 6,5% Aluminium,
1,7 bis 2,3% Zinn,
0,7 bis.5,0% Zirkonium,
0,7 bis 3,0% Molybdän,
0,1 bis 0,4% Silizium,

0 bis 0,25% insgesamt an Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, Rest Titan,

als Werkstoff für Gegenstände vorgeschlagen, die ein . geringes spezifisphes , Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch bei tiefen Temperaturen den Beanspruchungen, wie sie-insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten, standhalten nach Patent P 14 58 354.1-24.

Aus der zuvor genannten belgischen Patentschrift 466 ist eine Titanlegierung 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 und bis zu 0,16% Sauerstoff bekannt. Demgegenüber weist die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung einen auf maximal 5,0% erhöhten Zirkoniumgehalt und einen zusätzlichen Siliziumgehalt von 0,1 bis 0,4% auf. Sowohl die Erhöhung des Zirkoniumgehalts gegenüber der aus der belgischen Patentschrift 654 466 bekannten Titanlegierung als auch der zusätzliche Siliziumgehalt in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung haben sich zur Erhöhung der Festigkeit und Kriechfestigkeit als notwendig erwiesen. Ein entsprechender Hinweis ist dem belgischen Patent 654 466 nicht zu entnehmen. Die Erhöhung des Zirkoniumgehalts auf Werte von 3,0 bis 5,0% allein bewirkt eine Festigkeitssteigerung bei Raumtemperatur von über 10% und bei höheren Temperaturen von nahezu 100%. Der Zusatz von Silizium in der Größenordnung von 0,1 bis 0,4% zu einer Titanlegierung mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung bewirkt, wie sich aus Tabelle II ergibt, eine Erhöhung der Kriechfestigkeit und gemäß Tabelle III auch eine Erhöhung der Festigkeitseigenschaften. DieseZusammenhängekonnten aus der belgischen Patentschrift 654 466 nicht hergeleitet werden.

Titanlegierungen der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung sind an sich bekannt (schweizerische Patentschrift 340 633). Die bekannten Titanlegierungen können unter anderem bis 10% Aluminium, bis 10% Zirkonium, bis 8% Zinn, bis 10% Molybdän und bis 2% Silizium, 0,02 bis 0,3% Sauerstoff, 0,02 bis 0,2% Stickstoff, Rest Titan, enthalten. Diese Titanlegierungen sind als fest, kriechfest bei 30. höheren Temperaturen, schweiß- und schmiedbar bekannt. Aus dem vorgenannten bekannten Bereich ist erfindungsgemäß eine Titanlegierung für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck beansprucht, deren Eigenschaften insgesamt auf optimale Werte ausgerichtet sind. Da die aus der schweizerischen Patentschrift 340 633 vorbekannte Titanlegierung eine Vielzahl von Legierungselementen in sehr weit gesteckten Grenzen enthalten kann, war es nicht ohne erfinderische Leistung möglich, eine Titanlegierung der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung mit den guten Eigenschaften zu schaffen, wie sie unten an Beispielen aufgezeigt werden.

Weiterhin sind Titanlegierungen mit 2,5% Aluminium und Zinngehalten zwischen 7 und 14% bekannt, die außerdem 1 bis 10% Zirkonium, 1 bis 5% Molybdän und übliche Verunreinigungen an Sauerstoffenthalten können (USA.-Patentschrift 3 049 425). Diese bekannte Legierung ist fest und kriechfest, bleibt jedoch insbesondere im Hinblick auf die Zugfestigkeit unter den Werten, die von der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung gefordert werden. Infolge des hohen Zinngehalts der bekannten Legierung ist auch ihr spezifisches Gewicht im Vergleich zu der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung höher, was bei Bauteilen, die spezifisch leicht sein ,müssen, insbesondere für Flugzeugbau, nachteilig ist. Der USA.-Patentschrift 3 049 425 ist kein Hinweis auf eine Titanlegierung der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung zu entnehmen.

Für die Bemessung der Gehaltsgrenzen der Zusatzelemente in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung waren folgende Überlegungen bestimmend:

Aluminium wird in Mengen zwischen 5,5 und 6,5% zugesetzt mit dem Hauptziel, eine erhöhte Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten. Bei Verwendung von weniger als 5,5% Aluminium werden die Möglich-

keiten hinsichtlich eines spezifisch leichten Gewichts und der Festigkeit verleihenden Eigenschaften dieses Elements nicht voll ausgenutzt, während Mengen von mehr als 6,5% thermische Instabilität hervorrufen. Wie bekannt ist, dient Aluminium zur Stabilisierung der a-Titanphase, wobei sein Vorhandensein in einer Menge wie hierin beschrieben — selbst bei Vorhandensein der geringen Menge an Molybdän als /S-Stabili- , sator — zu einer fast reinen α-Legierung führt. Eine solche Legierung wird für die Verwendungszwecke bevorzugt, bei denen geschweißt werden muß, da die Erhitzung und Abkühlung infolge der eigentlichen Schweißbehandlung bzw. Behandlung nach dem Schweißen zu keiner nachteiligen Versprödung führt.

Der Zinngehalt der Legierung wirkt ergänzend zum Aluminium zur Erzielung einer stark erhöhten Temperaturbeständigkeit und Zeitstandfestigkeit ohne Beeinträchtigung der Verformbarkeit. Bei einer Menge von weniger als 1,7% Zinn kommt seine Wirkung nicht zum Tragen, während ein Gehalt von mehr als 2,3% nicht notwendig ist, um optimale Werte zu erzielen. Eine höhere Menge als 2,3% Zinn ist auf Grund des dann eintretenden nachteiligen Einflusses auf das spezifische Gewicht nicht wünschenswert.

Zirkonium wirkt als α-Stabilisator und Verfestiger, obwohl es in einem gewissen Grade die α + ß/ß-Urawandlungstemperatur verringert. Sein maximaler Verfestigungseinfluß ohne nachteilige Wirkung auf das spezifische Gewicht ergibt sich zwischen 0,7 und 5,0%. Sowohl Zinn als auch Zirkonium sind α-Titan-Bildner.

Die Molybdänmenge ist ebenfalls kritisch, weil einerseits eine ausreichende Menge verwendet werden muß, um die Mischkristallverfestigung zu steigern und eine schwache /?-Phase zu erhalten, die für eine gewisse Wärmebehandlungsfähigkeit erforderlich ist. Zur Erzielung dieses Ergebnisses sollte daher die vorhandene Menge nicht unter 0,7% liegen, während bei mehr als 3% die verbleibende ß-Phase einen nachteiligen Einfluß auf die Schweißbarkeit hat und in einem gewissen Grade auch die Zeitstandfestigkeit beeinträchtigt. Darüber hinaus ist Molybdän ein spezifisch schweres Element, welches das doppelte spezifische Gewicht von Titan hat, und sollte daher nur bis zu einer solchen Menge zugesetzt werden, bei der der Nutzen den Gewichtsnachteil noch überwiegt.

Der Sauerstoffgehalt der Legierung ist ebenfalls kritisch und sollte eine Höchstmenge von 0,20% und bei Hochtemperatureinsatzzwecken möglichst eine solche von 0,16% nicht übersteigen. Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff sollten insgesamt nicht mehr als 0,25% betragen, wobei der Sauerstoffgehalt innerhalb der vorerwähnten Grenzen gehalten werden muß. Auch der Gehalt an Stickstoff sollte auf Grund seiner Versprödungstendenz nicht mehr als 0,1 % ausmachen. Die Verunreinigungen sollten insgesamt nicht mehr als 0,4% ausmachen.

Es wurde nun gefunden, daß die Zeitstandfestigkeit verbessert und die Kriechdehnung bei hohen Temperaturen verringert werden kann, wenn man der gemäß der Hauptanmeldung P 14 58 354.1 zu verwendenden Titanlegierung noch Silizium in Mengen von 0,1 bis 0,4% zusetzt. Dadurch werden die anderen günstigen Eigenschaften dieser Legierung nicht verschlechtert. Eine bevorzugte Zusammensetzung der erfmdungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung besteht aus 6% Aluminium, 2% Zinn, 2% Zirkonium, 1% Molybdän, 0,1 bis 0,25% Silizium, Rest Titan und übliche Verunreinigungen. Eine weitere Legierung für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck kann aus 6% Aluminium, 2% Zinn, 4% Zirkonium, 2% Molybdän, 0,1 bis 0,25% Silizium, Rest Titan und übliche Verunreinigungen bestehen. Die letztgenannte Legierung ist weitaus fester als die erstere. Die in den angegebenen Bereichen vorhandenen Mengen an Legierungselementen sind erforderlich, um die Kombinationswirkung zu erzielen, welche zu den Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung führt.

Um eine Kriechdehnung von nicht mehr als 0,1% nach 150stündiger Belastung mit 21 kp/mm² bei 540° C zu erreichen, kann die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung bei einer Temperatur oberhalb der α + |8//?-Umwandlungstemperatur lösungsgeglüht werden. Nach dem Lösungsglühen soll die Legierung auf Raumtemperatur abgeschreckt werden.

Um die Kriecheigenschaften weiter zu verbessern, soll die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung, beginnend bei einer Temperatur oberhalb der α + /?//S-Um Wandlungstemperatur und endend bei einer Temperatur im α + /Ϊ-Temperaturgebiet, plastisch verformt, bei einer Temperatur hoch im α + /3-Temperaturgebiet geglüht und anschließend auf Raumtemperatur abgeschreckt werden.

Das spezifische Gewicht der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung liegt zwischen 4,5 und 4,7 kg/dm³, wobei der tatsächliche Wert im wesentlichen von den Gehalten der Legierung an Aluminium und Molybdän abhängt, von denen das erstere das spezifisch leichteste und das letztere das spezifisch schwerste ist. Die Zugfestigkeit der Legierung beträgt mindestens 85 kp/mm², gemessen bei Raumtemperatur. Die Streckgrenze ist gut und liegt im Bereich von 70 kp/mm² und höher. Auch die Verformbarkeit ist gut. So bietet die Legierung also hohe Festigkeit, Duktilität, Stabilität, verbunden mit guter Verformbarkeit.

Die sich durch den Zusatz von Silizium zu der Titanlegierung gemäß der Hauptanmeldung P14 58 354.1-24 in bezug auf die Kriechdehnung ergebenden Verbesserungen gehen aus den nachfolgenden Tabellen hervor.

In Tabelle I sind zwei Legierungen der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung mit einer gemäß der Hauptanmeldung zu verwendenden Legierung in bezug auf ihr Kriechverhalten im lösungsgeglühten Zustand bei verschiedenen Temperaturen und unter einer 150stündigen Belastung bei 540⁰C 'mit 21 kp/mm² verglichen:

Tabelle I

Legierung

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
Ή-6Α1-2 Sn-4 Zr-2 Mo-0,125 Si
Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo-0,25 Si

Kriechdehnung
Lösungsglühtemperatur

910°C
%

0,546
0,949
1,860

985¹C
%

0,331
0,380
0,507

1040X

0,134 0,071 0,037

Aus Tabelle I ist ersichtlich, daß die Kriechdehnung der Titanlegierung sowohl ohne als auch mit Siliziumzusätzen sich mit steigender Lösungsglühtemperatur

verringert. Es ist weiter ersichtlich, daß sich die weitaus niedrigsten Kriechdehnungswerte bei einer Titanlegierung mit Siliziumzusatz ergeben, wenn diese einer Lösungsglühbehandlung oberhalb 1000° C unterworfen wird.

Die sich aus der Kombination der Wärmebehandlung oberhalb der α +/5//S-Umwandlungstemperatur und des Zusatzes an Silizium ergebende Verbesserung gegenüber einer gemäß der Hauptanmeldung P 14 58 354.1-24 zu verwendenden Titanlegierung ist nicht auf die unter Belastung bei 540° C gemessene Kriechdehnung begrenzt, wie die nachfolgende Tabelle II zeigt. In ihr sind die Kriechdehnung und mechanischen Eigenschaften einer erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung vom Typ

ΤΪ-6Α1-2 Sn-4 Zr-2 Mo-0,25 Si

nach einer Wärmebehandlung bei 1020° C für die Dauer einer halben Stunde mit anschließender Luftabkühlung, Glühung bei 595⁰C während der Dauer von 8 Stunden mit anschließender Luftabkühlung enthalten und zum Vergleich Kriechdehnungswerte einer entsprechenden Legierung, aber ohne Siliziumgehalt eingetragen. Die Versuche wurden bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Belastungen jeweils während der Dauer von 150 Stunden durchgeführt.

Tabelle II

	kp/mm²	Kriechversuch	%	²) %	³⁾ , kp/mm²	Zugfestigkeitseigenschaften nach Kriechversuch	⁵) %	⁶) %
⁰C	42	Stunden	0,048		115	kp/mm	8	6
426	45,5	150	0,056	(0,07)	114	100	12	10
426	45,5	150	0,104	(0,22)	115	98	10	6
454	35	150	0,072	(0,40)	112	100	11	9
482	21	150	0,072	(0,38)	113	98	10	6
537 -	24,5	150	0,112	(0,60)	112	98,5	7	6
537	21	150	0,320	—	112	101,5	6	4
565	150			103,5

^x) Kriechdehnung.

²) Typische Kriechdehnung einer entsprechenden Legierung ohne Si.

³) Zugfestigkeit.
*) Streckgrenze.

³) Brucheinschnürung.

⁶) Bruchdehnung (Meßlänge J₀ = Ad).

Die gute Verformbarkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit Siliziumgehalt, wie sie aus Tabelle II zu entnehmen ist, kann noch weiter verbessert werden, wenn eine abschließende plastische Verformung vom /J-Temperaturgebiet bis hinein in das α + jß-Temperaturgebiet durchgeführt wird, gefolgt von einem Lösungsglühen hoch im α + /S-Temperaturgebiet. Die dann erzielten Ergebnisse sind in der Tabelle III niedergelegt.

Den Versuchen lag eine Titanlegierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo-0,15 Si

zugrunde, die nach einer Wärmebehandlung (1 Stunde bei 955°C, Luftabkühlung und 8 Stunden bei 595° C, Luftabkühlung) vom ß-Temperaturgebiet ausgehend bis ins α + /J-Temperaturgebiet fertiggewalzt wurde. Die in Klammern gesetzten Werte in der Tabelle sind Vergleichswerte einer entsprechenden Legierung, aber ohne Siliziumgehalt.

Tabelle III

	Belastung	Kriechversuch	Kriechdehnung	%	^l)	Zugfestigkeitseigenschaften	%	⁴)
	kp/mm²		• %	(0,111)	kp/mm²	nach Kriechversuch	29 (37)	%
	49		0,068	(0,089)	111 (105)	²)	30 (38)	16 (18)
⁰C	49	Std.	0,073	(0,259)	110 (105)	kp/mm²	28 (36)	18 (19)
426	21	150	0,069	(0,268)	113 (106)	98 (97)	26 (38)	17 (19)
426	21	150	0,052	(0,608)	112 (106)	101 (97,5)	19 (36)	16 (19)
537	10,5 ·	150	0,253	(0,447)	109 (103)	102 (97,5)	16 (21)	13 (17)
537	10,5	150	0,435		107 (107)	101 (99)		14 (14)
593	150		101 (97,5)
593	150	102 (101)

*) Zugfestigkeit.

²) Streckgrenze.

³) Brucheinschnürung.

*) Bruchdehnung (Meßlänge /₀ = Ad).

Aus Tabelle III ist ersichtlich, daß man auch gute Verformungswerte ohne eine Glühung oberhalb der α + /?//?-Umwandlungstemperatur der Legierung, die bei 980° C liegt, erreicht, wenn man dafür nach einer Wärmebehandlung unterhalb der α + /?//?-Umwandlungstemperatur eine plastische Verformung der Legierung vornimmt.

Somit können geringe Kriechdehnungen der erfindungsgemäß zu verwendenden siliziumhaltigen Legierung erreicht werden, wenn man sie einer ß-Glühbehandlung oder einer plastischen Verformung, ausgehend vom ^-Temperaturbereich, unterwirft.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung kann auf irgendeine geeignete Weise hergestellt werden, z. B. indem das Titan und die Legierungselemente homogen geschmolzen werden. Bevorzugt wird Titanschwamm der erforderlichen Reinheit, insbesondere im Hinblick auf seinen Sauerstoffgehalt, dem zerkleinertes Aluminium, Zinn, Zirkonium, Molybdän und Silizium in den entsprechenden Mengen zugesetzt wird, wobei dann die Mischung zu kompakten Körpern verdichtet wird. Diese Körper werden zu einer Elektrode miteinander verschweißt, die in einem Elektro-Lichtbogenschmelzofen zu einem Legierungsblock umgeschmolzen wird. Der auf diese Weise hergestellte Legierungsblock kann bei einer weiteren Umschmelzung selbst wieder als Elektrode verwendet werden, um in einem endgültigen Legierungsblock die Homogenität zu verbessern.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung machen sie als Werkstoff für eine Vielzahl von Gegenständen geeignet. So kann sie z. B. für die Herstellung von Düsentriebwerken verwendet werden, wo ihre Zähigkeit, Verformbarkeit und Zeitstandfestigkeit von Bedeutung sind. Für Flugzeugteile erweisen sich ihre Schweißbarkeit und Stabilität als vorteilhaft. Auch für den Schiffsbau sind ihre Festigkeit, ihr geringes spezifisches Gewicht, Schweißbarkeit und vor allem ihre Korrosionsbeständigkeit wichtig. Für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen wie beispielsweise in kryogenen Flaschen und Raketenflüssiggasbehältern kommen ihre guten Tieftemperatureigenschaften zu ihren sonstigen guten Eigenschaften hinzu.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Titanlegierung mit

5,5 bis 6,5% Aluminium,

1,7 bis 2,3% Zinn,

0,7 bis 5,0% Zirkonium,

0,7 bis 3,0% Molybdän,

0,1 bis 0,4% Silizium,

0 bis 0,25% insgesamt an Kohlenstoff,

Sauerstoff und Stickstoff,

Rest Titan,

als Werkstoff für Gegenstände, die ein geringes spezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch bei tiefen Temperaturen den Beanspruchungen, wie sie insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten, standhalten, nach Patent P 14 58 354.1-24.

2. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 6% Aluminium, 2% Zinn, 2% Zirkonium, 1% Molybdän, 0,1 bis 0,25% Silizium, Rest Titan, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 6% Aluminium, 2% Zinn, 4% Zirkonium, 2% Molybdän, 0,1 bis 0,25% Silizium, Rest Titan, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

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