DE1758778B1 - Verwendung einer aushaertbaren titanlegierung fuer gegen staende mit hoher festigkeit und guter verformbarkeit bei raumtemperatur und erhoehten temperaturen sowie hoher dauerstandfestigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Titanlegierung, die als einen wesentlichen Bestandteil Wolfram enthält zur Herstellung von Gegenständen, die hohe Festigkeit und gute Verformbarkeit bei Raumtemperatur, hohe Warmfestigkeit, thermische Stabilität und gute Dauerstandfestigkeit aufweisen müssen. Diese Eigenschaften sind besonders wünschenswert bei der Herstellung von Bauteilen für moderne Hochleistungsstrahltriebwerke.

Auf Grund seines geringen spezifischen Gewichts und seines hohen Schmelzpunkts eignet sich Titan vorzüglich für die Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen für den Flugzeugbau u. dgl. Das reine Metall allein besitzt jedoch keine ausreichende Festigkeit für die meisten Verwendungszwecke, so daß es mit anderen Metallen legiert werden muß, damit dieser Mangel beseitigt wird. Aluminium läßt sich zur Erzielung einer höheren Festigkeit mit Titan legieren, wobei die Aluminiummenge jedoch unter etwa 8 % gehalten werden muß, um die Verformbarkeit des Werkstoffes zu erhalten. Zinn, Zirkonium und Molybdän tragen ebenfalls zu einer erhöhten Festigkeit des Werkstoffs bei, wobei festgestellt worden ist, daß eine Zusammensetzung aus Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Schweißbarkeit ergibt. Um aber eine annehmbare Dauerstandfestigkeit im Temperaturbereich von 500 bis 600°C zu erreichen, muß Silizium bis etwa 0,25 % zugegeben werden. Obgleich das Vorhandensein von Silizium in einer Titanlegierung die Dauerstandfestigkeit, insbesondere bei höheren Temperaturen, verbessert, bringt sein Zusatz dennoch auch Probleme mit sich. Silizium hat die Tendenz, während des Schmelzens zu seigern. Auch führen schon kleine Mengen dieses Elements zu starker Versprödung der Legierung.

Die Erfindung beruht nun auf der Feststellung, daß Silizium in Titanlegierungen der obengenannten Zusammensetzung völlig entfallen kann, wenn Molybdän durch Wolfram ersetzt wird. Es ist festgestellt worden, daß der Zusatz von Wolfram die Herstellung einer Titanlegierung ermöglicht, die sich durch Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen, Festigkeit und Verformbarkeit auszeichnet.

Erfindungsgemäß ist der Wegfall von Silizium in Titanlegierungen möglich, ohne daß der hierdurch zu erwartende Verlust an Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen eintritt. Darüber hinaus bleiben die Verformbarkeit und die Festigkeit erhalten. Des weiteren ist festgestellt worden, daß durch Schmieden, Walzen oder anschließendes Glühen der Titanlegierung bei einer Temperatur im Beta-Bereich, d.h. über etwa 1030°C, eine außergewöhnliche Kombination von Festigkeit, Dauerstandfestigkeit, Kerbschlagzähigkeit und thermischer Stabilität erzielt werden kann, die bei keiner der gegenwärtig bekannten Titanlegierungen zu finden ist.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung besteht aus 5 bis 7 % Aluminium, 1 bis 4 % Zinn, 2 bis 5 % Zirkonium, 1 bis 4 %, insbesondere 2 oder 4 %, Wolfram, Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff in einer Gesamtmenge bis zu 0,5 %, wobei bevorzugt der Stickstoffgehalt 0,1 % und der Kohlenstoffanteil 0,2 % nicht übersteigen sollte, Rest Titan mit unvermeidlichen Verunreinigungen.

Eine bevorzugt zu verwendende Titanlegierung besteht neben Titan aus 6 % Aluminium, 2 % Zinn, 4 % Zirkonium, 2 bis 4, insbesondere 2 oder 4 %, Wolfram.

Eine weitere bevorzugt zu verwendende Legierung besteht aus 5,96 % Aluminium, 2,13 % Zinn, 3,90 % Zirkonium, 4,38 % Wolfram, 0,134 % Sauerstoff, 0,078 % Eisen, 0,004 % Stickstoff, Rest Titan.

Um eine Gegenüberstellung der Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung und bekanntermaßen verwendeter ähnlich zusammengesetzter mit einem Siliziumgehalt zu ermöglichen, wurden Zusammensetzungen entsprechend der nachfolgenden Tabelle I erschmolzen.

Geschmiedete Proben derselben wurden unter verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen geprüft. Die erzielten Ergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.

Tabelle I

In Tabelle II sind die Festigkeitseigenschaften der Titanlegierungen 1 und 2 bei Raum- und erhöhter Temperatur unter den verschiedenen angegebenen Wärmebehandlungsbedingungen enthalten. Zu der Wärmebehandlung gehört ein Lösungsglühen bei einer Temperatur im kleines Alpha + kleines Beta-Phasenbereich, anschließender Luftabkühlung und Auslagerung.

Es ist zu beachten, daß sich im ausgehärteten Zustand Werte für die Zugfestigkeit und eine 0,2-Grenze von 105 bis 112 kp/mm[hoch]2 bei gleichzeitig ausgezeichneter Bruchdehnung und -einschnürung ergeben.

Tabelle II

[hoch]1) Bruchfestigkeit.

[hoch]2) Streckgrenzenfestigkeit.

[hoch]3) Brucheinschnürung.

[hoch]4) Bruchdehnung.

Die nachstehende Tabelle III zeigt die weitere Zunahme der Festigkeit der erfindungsgemäßen Titanlegierungen 1 und 2 im ausgehärteten Zustand bei gleicher Wärmebehandlung mit Wasserabschreckung an Stelle der Luftabkühlung von der Lösungsglühtemperatur.

Tabelle III

[hoch]1) Bruchfestigkeit. [hoch]3) Brucheinschnürung.

[hoch]2) Streckgrenzenfestigkeit. [hoch]4) Bruchdehnung.

Die Kerbfestigkeitseigenschaften der Titanlegierung 1 bei Raumtemperatur, nämlich die Bruchzeit bei gegebener Belastung, die Kerbzugfestigkeit und die Kerbschlagfestigkeit, sind aus nachstehender Tabelle IV im Anschluß an die verschiedenen aufgezeigten Wärmebehandlungen ersichtlich.

Tabelle IV

Bei einer Formzahl kleines Alpha[tief]k = 8 vermochte die Legierung einer 5stündigen Belastung mit 126 kp/mm[hoch]2 standzuhalten. Durch Verringerung der Formzahl auf kleines Alpha[tief]k = 3,8 war es möglich, die Legierung einer 5stündigen Belastung von 140 kp/mm[hoch]2 auszusetzen. Im Falle des schärferen Kerbs von kleines Alpha[tief]k = 8 lag die Kerbzugfestigkeit bei über 140 kp/mm[hoch]2, während bei kleines Alpha[tief]k = 3,8 die Kerbzugfestigkeit auf 154 kp/mm[hoch]2 anstieg. Bei einem Wert von kleines Alpha[tief]k = 2,8 betrug die Kerbzugfestigkeit sogar 162 kp/mm[hoch]2. Die Kerbschlagzähigkeit lag bei etwa 1,25 mkp, verglichen mit Werten von 2,8 bis 3,5 mkp bei der Legierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo mit gleichem Querschnitt und gleicher Wärmebehandlung.

Die kleines Alpha-kleines Beta/kleines Beta-Phasengrenze von der Legierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W liegt bei etwa 1030°C. Die Kerbzugfestigkeit (NASA-Spitzkerbprobe) dieser Legierung 2 nach Verarbeitung und Lösungsglühen bei Temperaturen um den kleines Alpha-kleines Beta-Bereich sind in Tabelle V aufgezeigt.

Tabelle V

Aus der Tabelle V ist ersichtlich, daß sich die Kerbzugfestigkeit mit zunehmender Auslagerungsdauer bei etwa 600°C verringert. Andererseits zeigt die Tabelle V aber auch, daß bei Erhöhung der Lösungsglühtemperatur die Kerbzugfestigkeit bei jeder Auslagerung ansteigt. So wurden bei 24 Stunden bei 600°C ausgelagerten Proben durch Erhöhung der Lösungsglühtemperatur von 915°C auf 970°C und dann auf 995°C die Kerbzugwerte von 79 auf 81 und dann auf 83 kg/mm[hoch]2 gesteigert. Hieraus läßt sich erkennen, daß durch Anwendung der höheren Lösungsglühtemperaturen eine Verbesserung der Kerbzugfestigkeit von der Legierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W erwartet werden kann. Die Dauerstandfestigkeitseigenschaften von den Legierungen 1 und 2 nach Verarbeitung und Lösungsglühen im kleines Alpha + kleines Beta-Temperaturbereich sind in der Tabelle VI aufgeführt.

Tabelle VI

*) Thermische oder metallurgische Stabilität. [hoch]1) Zugfestigkeit.

[hoch]2) 0,2-Grenze.

[hoch]3) Brucheinschnürung.

[hoch]4) Bruchdehnung.

Aus Tabelle VI ist ersichtlich, daß die Dauerstandfestigkeit sehr gut ist. Nach 150stündiger Belastung bei 540°C und 21 kg/mm[hoch]2 wurden bleibende Verformungen von 0,2 bis 0,4 % festgestellt, was dem Wert der Legierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo (Nr. 5) unter den gleichen Bedingungen entspricht. Die Stabilität von der Legierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W nach der Dauerstandsprüfung ist ebenfalls gut mit einer einzigen Ausnahme, und zwar der bei 1030°C nahe der kleines Alpha-kleines Beta/kleines Beta-Phasengrenze (die bei diesen Prüflingen auf etwa 1032°C geschätzt wird) lösungsgeglühten und bei einer Temperatur von 595°C belasteten Prüflinge.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung zeichnet sich durch bemerkenswerte Festigkeitseigenschaften aus, wenn sie einer kleines Beta-Verarbeitung oder kleines Beta-Glühbehandlung unterzogen wird. Die kleines Beta-Verarbeitung erfolgt durch Walzen oder Schmieden der Legierung bei einer über ihrer kleines Alpha + kleines Beta-Phasengrenze, d.h. über etwa 1030°C liegenden Temperatur. Die kleines Beta-Glühbehandlung wird durchgeführt, indem man die Legierung einer Temperatur über ihrer kleines Alpha + kleines Beta/kleines Beta-Phasengrenze, d.h. 1030°C, auf die Dauer etwa einer 1/2 Stunde aussetzt, an Luft auf 595°C abkühlt, ungefähr 8 Stunden bei dieser Temperatur hält und dann weiter an Luft auf Raumtemperatur abkühlt.

Die wichtigen Festigkeitseigenschaften von einer kleines Beta-Glühbehandlung oder kleines Beta-Verarbeitung unterzogenen Legierungen 1 und 2 sind in Tabelle VIII enthalten. Die Prüflinge mit kleines Beta-Verarbeitung wurden nachträglich im kleines Alpha + kleines Beta-Phasenbereich bei 995°C lösungsgeglüht, worauf alle Prüflinge einer 8stündigen Auslagerung bei 595°C unterzogen wurden. Gemäß der Tabelle VII liegen die 0,2-Grenzen sowohl bei der kleines Beta-Glühbehandlung als auch bei der kleines Beta-Verarbeitung im Bereich von 95 bis 105 kg/mm[hoch]2. Außerdem wurde der Elastizitätsmodul der Prüflinge durch die kleines Beta-Behandlung erhöht.

Die Verformbarkeit der Prüflinge mit kleines Beta-Verarbeitung war gut, wobei die Prüflinge eine Brucheinschnürung von etwa 30 % aufwiesen.

Die 0,2-Grenze der erfindungsgemäßen Prüflinge bei erhöhten Temperaturen war sehr gut und betrug 58 kg/mm[hoch]2 bei 425°C bzw. 53 kg/mm[hoch]2 bei 540°C. Ebenfalls wurde festgestellt, daß die 0,2-Grenze der erfindungsgemäßen Prüflinge, d.h. der Legierung aus Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W, ständig die des Werkstoffes Nr. 4, Ti-6 Al-5 Zr-1 W-0,25 Si, übertraf.

Die wohl bemerkenswerteste entweder durch kleines Beta-Glühbehandlung oder durch kleines Beta-Verarbeitung des Werkstoffes Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W (Nr. 1, 2) bedingte Verbesserung lag bei der in Tabelle VII gezeigten Dauerstandfestigkeit. Unter beiden Bedingungen war die Dauerstandfestigkeit ausgezeichnet, wobei die bleibende Dehnung nach 150stündiger Belastung bei 540°C mit 21 kg/mm[hoch]2 etwa bei 0,1 % lag. Bei einer Belastung mit 10,5 kg/mm[hoch]2 während 150 Stunden bei 595°C betrug sie immer noch annähernd 0,1 %. Kleines Beta-verarbeiteter oder kleines Beta-geglühter Werkstoff Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W besitzt somit über den gesamten Temperaturbereich von 425 bis 595°C eine ähnlich gute Dauerstandfestigkeit wie die Legierung Ti-5 Al-5 Sn-5 Zr. Es ist dies die einzige bekannte kleines Alpha-kleines Beta-Legierung, die dieses Qualitäts- bzw. Gütemerkmal besitzt.

Tabelle VII

[hoch]1) Bruchfestigkeit.

[hoch]2) Streckgrenzenfestigkeit.

[hoch]3) Brucheinschnürung.

[hoch]4) Bruchdehnung.

(Fortsetzung)

Die Tabelle VIII zeigt die Ergebnisse bei Erhöhung des Wolframgehalts der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung auf einen Betrag von 4 %, wie ihn die Legierung 3 enthält.

An Hand der in Tabelle VIII enthaltenen Werte ist ersichtlich, daß die Legierung 3 (Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-4 W) eine noch höhere Warmfestigkeit und Dauerstandfestigkeit besitzt als die Legierungen 1 und 2, obwohl sie bei Temperaturen über 540°C eine geringere metallurgische Stabilität aufweist.

Tabelle VIII

[hoch]1) Bruchfestigkeit.

[hoch]2) Streckgrenzenfestigkeit.

[hoch]3) Brucheinschnürung.

[hoch]4) Bruchdehnung.

Die Tabelle IX zeigt eine Gegenüberstellung der Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung 1 (Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 W) mit kleines Beta-Verarbeitung und denen anderer Legierungen, die nicht in den Rahmen der Erfindung fallen, aber dennoch generell der gleichen Art sind, z.B. Legierungen 4 (Ti-6 Al-5 Zr-1 W-0,2 Si) und 5 (Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo-0,25 Si).

Tabelle IX

Aus Tabelle IX ergibt sich, daß bei Raumtemperatur die 0,2-Grenze der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung etwas höher ist als die der siliziumhaltigen Legierungen. Bei erhöhten Temperaturen jedoch zeigte die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung wesentlich höhere 0,2-Grenzen als die siliziumhaltige Legierung, die auch Wolfram enthielt. Ihre 0,2-Grenze lag andererseits zwar bei 540°C etwas unter der der einen siliziumhaltigen Legierung, übertraf aber bezüglich der Kerbfestigkeit und Dauerstandfestigkeit beide siliziumhaltigen Legierungen erheblich.

Die Kerbzugfestigkeit (NASA-Spitzkerb) für die siliziumfreie erfindungsgemäß zu verwendende Legierung betrug zwischen 77 und 72 kg/mm[hoch]2, wenn sie unterschiedlich lange bei 595°C ausgelagert wurde. Die Kerbzugfestigkeit für die siliziumhaltigen Legierungen lag demgegenüber zwischen 50 und 70 kg/mm[hoch]2 bei entsprechenden Auslagerungsbedingungen.

Der Kriechwiderstand der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung bei erhöhten Temperaturen lag wesentlich höher als der der Legierung mit Silizium. Bei 595°C zeigte die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung weniger als die Hälfte der bleibenden Dehnung, wie sie die siliziumhaltigen Legierungen unter gleichen Belastungsbedingungen und nach gleichen Zeiten aufwiesen.

Daraus geht hervor, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung eine vorteilhafte Verbindung guter Zugfestigkeit, Dauerstandfestigkeit, Kerbzähigkeit und Verformbarkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist, wie sie bei keiner anderen bisher bekannten Legierung vorlag. Die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung können durch eine Verarbeitung oder Glühung im Temperaturbereich der kleines Beta-Phase noch weiter verbessert werden.

Claims (9)

1. Verwendung einer aushärtbaren Titanlegierung mit 5 bis 7 % Aluminium, 1 bis 4 % Zinn, 2 bis 5 % Zirkonium, 1 bis 4 % Wolfram, einer Gesamtmenge von bis zu 0,5 % Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff, Rest Titan mit unvermeidlichen Verunreinigungen zur Herstellung von Gegenständen mit hoher Festigkeit und guter Verformbarkeit bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen, sowie hoher Dauerstandfestigkeit bis zu einer Temperatur von etwa 600°C.

2. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, wobei ihr Gehalt an Wolfram 2 % beträgt, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, wobei ihr Gehalt an Wolfram 4 % beträgt, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

4. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit 6 % Aluminium, 2 % Zinn, 4 % Zirkonium, 2 bis 4 % Wolfram, Rest Titan, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

5. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 4 angegebenen Zusammensetzung, wobei ihr Gehalt an Wolfram 2 % beträgt, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

6. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 4 angegebenen Zusammensetzung, wobei ihr Gehalt an Wolfram 4 % beträgt, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

7. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 genannten Zusammensetzung mit 5,96 % Aluminium, 2,13 % Zinn, 3,90 % Zirkonium, 4,38 % Wolfram, 0,134 % Sauerstoff, 0,078 % Eisen, 0,004 % Stickstoff, Rest Titan, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

8. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 genannten Zusammensetzung im ausgehärteten Zustand für den im Anspruch 1 genannten Zweck, wobei die Gegenstände zusätzlich eine Zugfestigkeit von mindestens 105 kg/mm[hoch]2 und eine Bruchdehnung von mindestens 10 % aufweisen müssen.

9. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, die bei einer im kleines Beta-Bereich liegenden Temperatur verformt und anschließend auf Raumtemperatur abgeschreckt und zwischen 480 und 820°C ausgelagert worden sind, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.