DE2134589A1

DE2134589A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Legierungen

Info

Publication number: DE2134589A1
Application number: DE19712134589
Authority: DE
Inventors: Thomas Kennedy Cincinnati Ohio(V.St.A.). P Redden
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1971-07-10
Publication date: 1972-05-31
Also published as: FR2112906A5; JPS5223966B1; DE2134589C3; DE2134589B2; BE770674A; GB1310632A

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Wärmebehandlung von alpha/beta-Legierungen auf Titanbasis.

Auf Grund der steigenden Verwendung von alpha/beta-Le-. gierungen auf Titanbasis in Gasturbinenmaschinen sind verschiedene Verfahren zur Wärmebehandlung solcher Legierungen bekannt geworden, die mit dem Ziel der Verbesserung der Legierungs-Festigkeits-Eigenschaften durchgeführt wurden. V/egen der beabsichtigten Anwendung in solchen Maschinen ist

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jedoch eine verbesserte Bruchzähigkeit zusammen mit einer grösseren Festigkeit erforderlich. Es ist bereits bekannt, dass das Heissbearbeiten oder Wärmebehandeln solcher Legierungen in der beta-Phase die Bruchzähigkeit für die ebene Belastung (plane strain fracture toughness) verbessert. Wegen der grossen Empfindlichkeit solcher Legierungen gegenüber Wärmebehandlung, Abkühlungsgeschwindigkeiten und mikrostrukturellen Merkmalen verringern die bekannten Behandlungen jedoch die Festigkeit und Duktilität vieler solcher hochfesten Legierungen unter annehmbare Grenzen.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vorbehandeln für eine alpha/beta-Titanlegierung zu schaffen, welches eine verbesserte Bruchzähigkeit ergibt und gleichzeitig der Legierung ausreichende Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften erhält.

Kurz gesagt wird diese Aufgabe von der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass bei der Wärmebehandlung von alpha/beta-Legierungen auf Titanbasis eine Vorbehandlungsstufe durchgeführt wird, bei der die Legierung auf eine Temperatur von nicht tiefer als etwa 10°C (50°F) unterhalb bis zu etwa 40°C (100 F) oberhalb der beta-Übergangstemperatur der Legierung erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird. In einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem ein solcher Vorbehandlungsschritt mit einem weiteren Schritt kombiniert wird, der darin besteht, die Legierung wieder auf eine Temperatur im alpha/beta-Phasen-Bereich zu erhitzen etwa 10 C bis etwa 6 5 C (50 bis 15O°F) unterhalb der Temperatur der Vorbehandlungsstufe, wonach die Legierung mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die gross genug ist, die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu schaffen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Legierung dann bei einer Temperatur unterhalb der Wiedererhitzungstemperatur gealtert werden, um die Legierung weiter zu stabilisieren und zu festigen.

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Eine bedeutende mechanische Eigenschaft einer Titanlegierung, die als Bestandteil einer Gasturbinenmaschine benutzt ist, insbesondere solchen, die für Luftfahrzeugantrieb vorgesehen sind, ist die Bruchzähigkeit, zusammen mit ausreichender Festigkeit und Duktilität. Eine Bezugsgrösse, die jetzt als Maß für die Bruchzähigkeit in der Metallurgie verwendet wird und durch die American Society for Testing Materials standardisiert wurde, ist K_T : der Zugspannungswert (stress intensity in tension), der ausreicht, einen schnellen Bruch einer mit Riss versehenen Probe zu verursachen. Eine solche Bezugs-

2 2 grosse, deren Dimension in 45 3,59 kg/6,4·5 cm /6,45 cm Dicke (thousands of pounds per square inch per square inch of thickness) angegeben wird, variiert mit der Dicke des Materials.

Eine alpha/beta-Legierung auf Titanbasis, welche folgende Legierungszusätze in Gewichtsprozenten enthält, 6 Aluminium, 2 Zinn, 3 Zirkonium, 4 Molybdän und 4 Vanadium, hat eine beta-Phasen-Übergangs-Temperatur von etwa 893°C (1640⁰F). Im allgemeinen haben die alpha/beta-Legierungen auf Titaniumbasis eine beta-Phasen-Übergangs-Temperatur im Bereich von etwa 700⁰C bis 1010°C (1300 bis 185O°F) , häufiger jedoch im Bereich von etwa 79O°C bis 95O°C (1450 bis 1750⁰F). Proben, die mittels einer Presse zu etwa 8,9 cm (3,5 inch) dicken Scheiben geformt wurden, werden verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen und danach Festigkeit, Duktilität und Bruchzähigkeit gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der folgenden Tabelle I zusammengefasst:

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TABELLE I

Legierung: Ti 6 Al-2 Sn-3 Zr-4 Mo-¹+ V

Zwischen allen Erwärmungsschritten erfolgte Kühlung

mit Ventilator-Luft

Wärmebehandlung

NJ O	Bei spiel	Vorbehandlung	Temp. (⁰C)	/ Zeit (Std.)	I	,59 kg/6,4,5	2	V /VO ■ J\-p ,/,Xo I
OO	1 ■	keine			453	6,4 5 cm" .)	—	-P 0,15 ι
	2	keine	Wiedererhitzen	Alterung	K_T L· Ic QcsiVTn	27	0,21
	3	893/l(164O°F/l)	843/l(1550°F/l)	593/4(1100°F/4)		35	0,31
	4	885/l(1625°F/l)	•882/l(1620°F/l)	649/4(1200°F/4)		50
		843/l(1550°F/l)	593/4(1100⁰FA)		43	0,28
		843/l(1550°F/l)	593/4(1100⁰FA)

In der obigen und der folgenden Tabelle bedeutet "ksi" die Belastung in "453,5M- kg/6,45 cm²" und "YS" bedeutet die "Streckgrenze" (yield strength).

Au„s den in Tabelle I aufgeführten Werten ist ersichtlich, dass die Anwendung einer Vorbehandlungsstufe innerhalb von 10 C (50 F) von der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur der untersuchten Legierung und in diesen Beispielen innerhalb des bevorzugten Bereiches von etwa 870 bis 98O°C (1600 bis 1800⁰F), gefolgt von dem gleichen üblichen Vergüten (auch als Wiedererhitzen bezeichnet) und einer Alterungsbehandlung, wie in den Bereichen von etwa 815 bis 925°C (1500 bis 1700⁰F) bzw. etwa 540 bis 705⁰C (1000 bis 1300⁰F) zu einer Legierung mit einer bedeutend verbesserten Bruchzähigkeit führt, wie sie durch den Faktor K_T gemessen wird, während gleichzeitig eine zufriedenstellende Festigkeit und Duktilität aufrecht erhalten bleiben. Das Verhältnis K.,. /YS sollte einen Minimalwert von 0,2 5 haben,

Ic

um eine angemessene Zähigkeit zu haben und so weit als möglich dem Wert 1 angenähert sein.

Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurdenjnoch weitere alpha/beta-Legierungen auf Titanbasis untersucht. Die Daten von zwei dieser Legierungen sind in der folgenden Tabelle II zusammengefasst, in der die Legierung A die Legierungselemente in Gewichtsprozent, 6 Aluminium und 4 Vandadium, enthält und eine beta-Phasen-Übergangs-Temperatur von etwa 996°C (1825°F) hat. Die Legierung B enthält die Legierungselemente in Gewichtsprozent, 6 Aluminium, 2 Zinn, 4 Zirkonium und 6 Molybdän und hat eine beta-Phasen-Übergangs-Temperatur von etwa 932°C (1710°F). In den Wärmebehandlungs-Untersuchungen wurde die Legierung A zwischen den einzelnen Erwärmungsstufen in Wasser abgeschreckt und die Legierung B zwischen den einzelnen Erwärmungsstufen mit Ventilatorluft gekühlt. Diese Kühlgeschwindigkeiten sind eine Funktion der Legierungszusammensetzung.

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TABELLE II

Legierung A = Ti 6 Al - 4V; Legierung B = Ti 6 ,Al - 2 Sn - 4 Zr - 6 Mo

Wärmebehandlung

• o.

Temp. ( C) / Zeit' (St'd. )

Beispiel Legierung

5
6
7

A A B B

Vorbehandlung

keine

968/l(1775°F/l) keine

Wiedererhitzen Alterung

968/l(1775°F/l)
913/1(1675°F/1)
871/1(16OO°F/1)

[4 5 3,!

538/4(1000 F/4)
538/4(1000°F/4)
593/4(1100°F/4)

927/l(17OO°F/l) 843/K155O°F/1) 593/4(1100°F/4)

,59 kg/6,45 cm ,_Ic 6,45 cm*

CkSi¹ZIn. )

43
56
26
38

■I

K_T /YS

Ic

0,28 0,36 0,16 0,25

Aus den Daten der Tabelle II kann man ebenso wie aus denen der Tabelle I ersehen, dass die Anwendung einer Vorbehandlungsstufe innerhalb eines bevorzugten Bereiches von etwa 10 C (50°F) von der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur vor dem normalen Vergüten (Wiedererhitzen) und Altern bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hinreichendenJFestigkeit und Duktilität zu einer bedeutend verbesserten BruchZähigkeit führt.

Es ist in der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass die BruchZähigkeit einer alpha/beta-Legierung auf Titanbasis durch die Anwendung eines VorbehandlungsSchrittes verbessert werden kann, welcher ein Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur im Bereich von etwa 10 C (50 F) unterhalb bis etwa 40⁰C (100⁰F) oberhalb der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur einschliesst. Die Aufgabe einer solchen Wärmebehandlung ist es, die existierende Struktur der Legierung zu zerbrechen und eine umgewandelte beta-Phase zu schaffen, welche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung eine relativ ausgedehnte nadeiförmige (large acicular) alpha-Phase bildet, die auch "Widmanstatten-alpha" genannt wird, anstelle derüblichen aus kugelförmigen Teilchen oder aus feinen Plättchen bestehenden alpha-Phasen, die durch die "bekannten Wärmebehandlungen erhalten werden. In solchen bekannten Wärmebehandlungen wird die beta-Phase in die feine nadeiförmige alpha-Phase umgewandelt, die dadurch charakterisiert ist, dass sie erst bei ungefähr 10 000-facher Vergrösserung sichtbar ist. Die relativ ausgedehnte nadeiförmige alpha-Phase, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhalten wird, ist schon bei etwa 250-fächer Vergrösserung sichtbar.

Solch eine ausgedehnte nadeiförmige Struktur bildet sich nur in der umgewandelten beta-Phase. Es ist in der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass ein Erhitzen auf eine Temperatur nied_riger als etwa 10⁰C (50⁰F) unterhalb der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur nur einejfür die Verbesserung der Bruchzähigkeit der Legierung nicht ausreichende Menge der beta-

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Phase in die relativ ausgedehnte', nadeiförmige alpha-Phase umwandelt. Das Erhitzen auf eine Temperatur höher als etwa 4O C (100 F) oberhalb der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur führt zu einem übermässigen Kornwachstum und hat eine ungenügende" Duktilität zur Folge. Demgemäss schafft die vorliegende Erfindung eine Vorbehandlungsstufe für die Wärmebehandlung einer alpha/beta-Legierung auf Titanbasis, bei der die Legierung zuerst für eine Zeit auf eine Temperatur im Bereich von etwa 10°C (50⁰F) unterhalb bis etwa 40°C (100⁰F) oberhalb der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur solcher Legierung ψ erhitzt wird, z.B. etwa eine Stunde, die ausreicht, im wesentlichen einen Gleichgewichtszustand zwischen alpha- und beta-Phasengehalt für die ausgewählte Temperatur innerhalb jenes Bereiches einzustellen. Dann wird die Legierung mit einer Geschwindigkeit auf etwa Zimmertemperatur abgekühlt, die von der spezifischen Legierungszusammensetzung abhängt; so sind z.B. Luftkühlung, Ventilatorkühlung, Abschrecken in Flüssigkeit usw. für die verschiedenen Legierungen benutzt worden, um die Struktur erstarren zu lassen, die sich bei der Vorbehandlungsstufe gebildet hat. Die Abkühlungsgeschwindigkeit dieser Stufe ist auch abhängig vom Ansprechen der speziellen Legierung auf die Wiedererhitzungs-Stufe.

Nach der erfindungsgemässen Wärmevorbehandlung wird die Legierung wiedererhitzt, um die nadeiförmige alpha-Phase in der umgewandelten beta-Phase, die sich während der Vorbehandlungsstufe gebildet hat, auszuscheiden. Z.B. kann bis zu einer Temperatur im alpha/beta-Phasenbereich von etwa 10° bis 65°C (50 bis 150⁰F) unterhalb der Temperatur des Vorbehandlungsschrittes wiedererhitzt werden, um die relativ ausgedehnte oder Widmanstatten alpha-Phase in einer Menge auszuscheiden, die ausreicht, der Legierung eine verbesserte Bruchzähigkeit zu verleihen, während gleichzeitig ausreichend beta-Phase erhalten bleibt, um die Legierung während des folgenden Abkühlens und Alterns zu verfestigen. Nach dem Alikühlen kann die Legierung dann gealtert werden, um dies ο

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BAD

weiter zu stabilisieren, wenn deren beabsichtigte Verwendung bei höheren Temperaturen liegt. So kann beispielsweise bei einer Temperatur unterhalb der Wiedererhitzungstemperatur gealtert werden, was zu einer weiteren Ausscheidung von alpha-Phase führt, entweder in feiner oder kugelförmiger Form oder beidem, um die Streckgrenze zu erhöhen und die Legierung gegen weitere Mikrostruktur-Änderungen zu stabilisieren, wenn sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt wM.

Aus den gegebenen Daten ist es für den Metallurgen ohne weiteres klar, dass das erfindungsgemässe Verfahren auf eine Vielzahl von Titanlegierungen angewendet werden kann, deren Mikrostruktur in der oben beschriebenen Weise umwandelbar ist, um die Bruchzähigkeit zu verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit und Duktilität zu erhalten. Die spezifischen Temperaturen, die für eine solche Behandlung erforderlich sind, variieren mit der spezifischen Legierung entsprechend deren beta-Phasen-Übergangs-Temperatur und den vorhandenen Legierungselementen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer alpha/beta-Legierung auf Titanbasis, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Vorbehandeln der Legierung vor einer nachfolgenden Wärmebehandlung durch Erhitzen der Legierung für eine Zeit auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 10 C unterhalb bis etwa 40 C oberhalb der beta-Phasen-Übergangs-Temperatur fc der Legierung, die ausreicht, im wesentlichen ein Gleichgewicht zwischen dem alpha- und beta-Phasen-Gehalt bei der angewendeten Temperatur zu erreichen und danach Abkühlen der Legierung auf Raumtemperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorbehandlung innerhalb des Temperaturbereiches von etwa 760 bis 1010 C (I¹I-OO bis 185O°F) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorbehandlung innerhalb

^ des Temperaturbereiches von etwa 8 70 bis 9 80 C (1600 bis

™ 1800⁰F) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichn et durch folgende zusätzliche Stufen:

Wiedererhitzen auf eine Temperatur im alpha/beta-Phasenbereich von etwa 10 bis 6 5°C (50 bis 150°F) unterhalb der Vorbehandlungstemperatur, um die Ausscheidung einer relativ ausgedehnten,nadeiförmigen alpha-Phase zu bewirken und dann mit einer Geschwindigkeit auf Raumtemperatur abzukühlen, die geeignet ist, die gewünschten mechanischen Eigenschaften hervorzubringen.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die zusätzlicheStufe der Alterung, um die Legierung durch ein Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb der Wiedererhitzungstemperatur zu stabilisieren und dann abzukühlen, um eine zusätzliche Ausscheidung von feiner alpha-Phase zu veranlassen, wobei diese Wärmebehandlung zu einer Bruchzähigkeit der Legierung, gemessen durch das Verhältnis K_T /YS von mindestens 0,25, führt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorbehandlung in einem Temperaturbereich von etwa 885 bis 970°C (625 bis 1775°F), dass das Wiedererhitzen im Bereich von etwa 8M-0 bis 915 C (1550 bis 1675°F) und die Alterung im Bereich von etwa

535 bis 7O5°C (1000 bis 1300⁰F) durchgeführt wird.

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