DE1758888C

DE1758888C - Verwendung einer kriechfesten, aus hartbaren Titanlegierung fur Gegenstande mit hoher 0,2 Grenze, Warmfestigkeit, ther mischer Stabilität, Kerbfestigkeit und Kerb Schlagzähigkeit

Info

Publication number: DE1758888C
Authority: DE
Inventors: Donald Brian Henderson Nev Hunter (V St A)
Original assignee: Contimet Gmbh, 4150 Krefeld
Publication date: 1972-12-21

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer kriechfesten, aushärtbaren Titanlegierung als Werkstoff für Gegenstände, die eine hohe 0,2-Grenze sowie hohe Warmfestigkeit, thermische Stabilität, Kerbzugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit aufweisen müssen.

Die moderne Technik verlangt einen Werkstoff mit geringer Dichte, hoher Warmfestigkeit bis 600°C, thermischer Stabilität, geringer Versprödungsneigung bei hohen Temperaturen auch unter Spannung und guten Kerbeigenschaften. Die Anwendungsmöglichkeiten für eine solche Legierung sind vielseitig, in erster Linie jedoch für den Bau moderner Strahltriebwerke.

Wegen ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte sind Titanlegierungen für derartige Verwendungszwecke besonders geeignet.

Aus der britischen Patentschrift 757 413 sind Titanlegierungen bekannt, die aus 3 bis 10% Al, 1 bis 20% Zr, Rest Titan bestehen und wahlweise Zusätze von Silizium bis 0,5%, Mangan, Molybdän und Zinn bis je 5% haben können. Diese Titanlegierungen sollen sich durch Warmfestigkeit und gute Kriechfestigkeit auszeichnen. Hinsichtlich anderer, für den Zweck der Erfindung notwendiger Eigenschaften, wie 0,2-Grenze, thermischer Stabilität und Kerbeigenschaften, sind der britischen Patentschrift 757 413 keine Angaben zu entnehmen.

Eine Titanlegierung für Teile von schnellaufenden Flugtriebwerken, bestehend aus 5,5 bis 6,5% Al, 1,7 bis 2,3% Sn, 0,7 bis 5% Zr, 0,7 bis 3% Mo, bis 0,2% O[tief]2, Rest Titan, ist aus der USA.-Patentschrift 3 343 951 bekannt. Diese bekannte Legierung soll warmfest, kriechfest, zäh, duktil und schweißbar sein.

Es wird aber die Forderung nach Legierungen mit besseren Eigenschaften, insbesondere besserer 0,2-Grenze und Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen bis 600°C erhoben, die auf höhere Festigkeiten ohne Versprödung aushärtbar sind und einen stärkeren Durchhärtungseffekt zeigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Titanlegierung vorzuschlagen, welche die verlangten Eigenschaften aufweist und für den eingangs genannten Verwendungszweck geeignet ist.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung besteht aus

5,5 bis 7% Aluminium

1,5 bis 3% Zinn

3 bis 8% Zirkonium

3,5 bis 8% Molybdän

bis 0,35% insgesamt an Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff

Rest Titan mit unvermeidbaren Verunreinigungen

Legierungen aus diesem Zusammensetzungsbereich erreichen durch Verformung und Lösungsglühung eine 0,2-Grenze von wenigstens 95 kp/mm[hoch]2. Durch Aushärten lässt sich die 0,2-Grenze auf wenigstens 102 bzw. 127 kp/mm[hoch]2 noch erhöhen.

Zur Erreichung einer 0,2-Grenze von wenigstens 95 kp/mm[hoch]2 können die genannten Titanlegierungen zwischen 855 und 955°C lösungsgeglüht und anschließend an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Durch eine Aushärtungsbehandlung bei etwa 480 bis 595°C nach dem Lösungsglühen und Luftabkühlen kann die 0,2-Grenze dieser Legierungen auf über 102 kp/mm[hoch]2 gesteigert werden.

Beispiele weiterer erfindungsgemäß zu verwendender Einzellegierungen sind:

6% Aluminium, 2% Zinn, 4% Zirkonium, 4% Molybdän, Rest Titan;

6% Aluminium, 2% Zinn, 8% Zirkonium, 8% Molybdän, Rest Titan.

Bei der zuletzt genannten Titanlegierung hat man nach einer Lösungsglühbehandlung zwischen 900 bis 955°C, Abschreckung in Wasser und Aushärtung zwischen 480 und 595°C sogar eine 0,2-Grenze von über 127 kp/mm[hoch]2 erreicht.

Es ist an sich bekannt, dass Aluminium in Mengen bis etwa 8% einen günstigen Einfluß auf die Festigkeit von Titan ausübt und dass Zinn- und Zirkonium-Zusätze die Zug- und Kriechfestigkeit erhöhen. Es hat sich jedoch als empfehlenswert herausgestellt, den Aluminiumgehalt auf maximal 6% und den Zinngehalt auf maximal 2% zu beschränken, wobei Zirkonium bis zu 4% zugesetzt wurde. Dabei ergeben sich gute Kriechfestigkeiten. Die Zugfestigkeit dieser Legierungen genügt jedoch den heutigen Anforderungen nicht.

Eine Erhöhung der Zugfestigkeit von Titan-Aluminium-Zinn-Zirkonium-Legierungen lässt sich durch Zugabe von kleines Beta-stabilisierenden Elementen erreichen, bei deren Wahl man sich für gewöhnlich auf solche Elemente beschränkt, die mit Titan kleines Beta-isomorph sind. Von diesen Elementen wird Molybdän am häufigsten verwendet. Es ist die heutige Ansicht, dass kleines Beta-stabilisierende Zusätze im allgemeinen einen nachteiligen Einfluß auf die Kriechfestigkeit dieser Legierungen bei höheren Temperaturen ausüben, weswegen der Zusatz an Molybdän zu Legierungen der genannten Art 2% nicht übersteigen soll.

Entgegen der vorstehend erwähnten allgemeinen Ansicht wurde nun festgestellt, dass ein Molybdänzusatz bis etwa 8% zu Titanlegierungen mit Gehalten an Aluminium, Zinn und Zirkonium sehr vorteilhaft und auch möglich ist, wenn der Zirkoniumgehalt 3 bis 8% beträgt. Dabei ergeben sich gute Zug- und Kriechfestigkeitseigenschaften bis zu einer Temperatur von 600°C bei gleichzeitig guter Aushärtbarkeit und der Möglichkeit, die 0,2-Grenze auf 165 kp/mm[hoch]2 zu erhöhen. Eine Kombination dieser guten Eigenschaften ist bei Titanlegierungen bisher bekannter Zusammensetzung nicht bekannt.

Eine lösungsgeglühte, an Luft abgekühlte und ausgelagerte Legierung der Zusammensetzung

Ti-6Al-3Sn-4Zr-6Mo

hat bei Raumtemperatur eine 0,2-Grenze von 120 bis 127 kp/mm[hoch]2 und im gleichen Wärmebehandlungszustand eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit bis zu 600°C bei gleichzeitig guter Bruchdehnung und Brucheinschnürung nach Belastung. Bei einer Lösungsglühung zwischen 850 und 950°C und Abkühlung an Luft liegt die 0,2-Grenze bei Raumtemperatur je nach der Wärmebehandlungstemperatur und der jeweiligen Menge an Molybdän und Zirkon im Bereich zwischen 95 und 128 kp/mm[hoch]2. Wird dieselbe Titanlegierung in der vorbeschriebenen Weise lösungsgeglüht, an Luft abgekühlt und bei 595°C ausgelagert, so erhöht sich die 0,2-Grenze, wie aus der nachstehenden Tabelle I ersichtlich ist, auf 102 bis 162 kp/mm[hoch]2. Wie ebenfalls aus Tabelle I entnehmbar ist, besitzt eine Titanlegierung in diesem Wärmebehandlungszustand eine 0,2-Grenze von 70 kp/mm[hoch]2 bei 480°C, die bei 595°C auf 53 bis 57 kp/mm[hoch]2 absinkt.

Wird die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung nach dem Lösungsglühen in Wasser abgeschreckt und sodann im Bereich von 480 bis 595°C ausgelagert, so werden Zugfestigkeitswerte von 130 bis 140 kg/mm[hoch]2 bei Raumtemperatur festgestellt. Bevorzugterweise benutzt man höhere Auslagerungstemperaturen, weil sich hierdurch bessere Dehnungswerte ergeben.

Tabelle I

Fortsetzung

Die nachstehende Tabelle II zeigt die Kerbzugfestigkeiten von gemäß der Erfindung zu verwendenden Titanlegierungen nach einem Lösungsglühen, Luftabkühlen und Auslagern bei den angegebenen Temperaturen und Zeiten. Des weiteren zeigt die Tabelle II die bei den verschiedenen Versuchen benutzten Formzahlen a[tief]K.

Wie aus Tabelle II ersichtlich ist, entwickelt die Titanlegierung mit 6% Al, 2% Sn, 4% Zr, 4% Mo im lösungsgeglühten und ausgelagerten Zustand eine Kerbzugfestigkeit von 168 bis 176 kp/mm[hoch]2 bei einer Formzahl a[tief]K = 2,8. Im gleichen wärmebehandelten Zustand vermag diese Legierung einer Belastung von 155 kp/mm[hoch]2 für die Dauer von 5 Stunden standzuhalten, ohne zu Bruch zu gehen, und weist darüber hinaus beim Vorhandensein einer Kerbe eine gute Kerbschlagzähigkeit auf. Aus Tabelle II ergibt sich weiterhin, dass die erfindungsgemäßen Legierungen gute Kerbfestigkeitseigenschaften aufweisen, wenn die Formzahl a[tief]K auf 8,2 erhöht wird. Bei einer derartig scharfen Kerbe weist die Legierung der angegebenen Zusammensetzung im wärmebehandelten Zustand eine Kerbzugfestigkeit von 134 bis 160 kp/mm[hoch]2 auf, die bei Steigerung des Molybdängehalts auf 5 bis 6% bzw. auf 8% noch auf 196 bis 202 kp/mm[hoch]2 steigt.

Tabelle II

Tabelle III zeigt, dass die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen nach dem Lösungsglühen, Abkühlen an Luft und Auslagern bei 595°C eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen und eine hohe Zugfestigkeit bei Raumtemperatur aufweisen. Diese ausgezeichnete Kriechfestigkeit und hohe Zugfestigkeit bei Raumtemperatur stellen einen großen Vorteil dar. Tabelle III zeigt außerdem, dass bestimmte gemäß der Erfindung zu verwendende Legierungen gute metallurgische Stabilität bei Kriechbelastung besitzen. Diese Kombination von hoher Zug- und Kriechfestigkeit und guter thermischer Stabilität nach einer Kriechbelastung ist bei bekannten Legierungen auf Titanbasis ohne Beispiel und stellt ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung dar.

Tabelle III

Wie aus den nachfolgenden Tabellen IV und V hervorgeht, besitzen Legierungen mit mittleren Gehalten an Zirkonium und Molybdän (bis zu 8%) besonders gute Eigenschaften, welche heutzutage gefordert werden.

Tabelle IV

Tabelle V

Die Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierungen erfolgt in üblicher Weise durch Mischen von Titanschwamm mit der erforderlichen Menge an Legierungselementen, die elementar oder in Form von Vorlegierungen zugesetzt werden können. Das Gemisch wird gepreßt und in einer wassergekühlten Kupferkokille vakuumerschmolzen. Der so erhaltene erste Block wird dann zu einer Elektrode geformt und dann im Vakuum umgeschmolzen. Die Herstellung der Endprodukte in Form von Fein- oder Grobblechen, Stabmaterial, Draht od. dgl. erfolgt durch Erhitzen der umgeschmolzenen Blöcke bis auf eine zur Warmverformung geeignete Temperatur.

Claims

Verwendung einer kriechfesten aushärtbaren Titanlegierung, bestehend aus

5,5 bis 7% Aluminium

1,5 bis 3% Zinn

3 bis 8% Zirkonium

3,5 bis 8% Molybdän

bis 0,35% insgesamt an Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff,

Rest Titan mit unvermeidbaren Verunreinigungen

als Werkstoff für Gegenstände, die eine hohe 0,2-Grenze sowie hohe Warmfestigkeit, thermische Stabilität, Kerbzugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit aufweisen müssen.