DE2134589C3

DE2134589C3 - Anwendung eines Verfahrens zur Wärmebehandlung von alpha,beta-Titanlegierungen

Info

Publication number: DE2134589C3
Application number: DE19712134589
Authority: DE
Inventors: Thomas Kennedy Cincinnati Ohio Redden (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1971-07-10
Publication date: 1975-09-11
Also published as: FR2112906A5; DE2134589B2; BE770674A; GB1310632A; JPS5223966B1; DE2134589A1

Description

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Die Erfindung betrifft die Anwendung eines Verfahrens zur Wärmebehandlung von α, /J-Titanlegierungen.

Aus der britischen Patentschrift 916801 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von <x, ß-Tüanlegicrungen bekannt, bei dem die Legierung zuerst auf eine Temperatur oberhalb der /MJmwandlungstemperatur erhitzt wird, gefolgt von einer Abkühlung auf Raumtemperatur. Anschließend wird die Legierung auf eine Temperatur im (<* + /?)-Phasenbereich erhitzt und wiederum auf Raumtemperatur abgekühlt. Schließlich wird die Legierung auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der zweiten Wärmebehandlung angelassen und abgekühlt. Mit dieser bekannten Wärmebehandlung soll die Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen verbessert werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, an <x, /J-Titanlegierungen das Verhältnis von Bruchzähigkeit K₁,. zu Streckgrenze auf einen Wert von mindestens 0,398 {cm>] zu erhöhen und dabei gleichzeitig eine hohe Bruchzähigkeit, Festigkeit und Duktilität in der behandelten Legierung zu erhalten.

Diese Aufgabe wird durch Anwendung eines WärmebehandlungsverfahreriS gelöst, bei dem «ine α, ^-Titanlegierung zur Einstellung eines Gleichgewichtszuslandes ein erstes Mal im Temperatatbereich von 28° C unterhalb bis 56° C oberhalb der /Ϊ-Umwandlungstemperatur geglüht, dann auf Raumtemperatur abgekühlt, anschließend im (et + /*)-Phasenbereich bei einer Temperatur von 28 bis 84⁰C unterhalb der Temperatur der ersten Glühiing ein zweites Mal geglüht, wiederum auf Raumtemperatur abgekühlt und schließlich bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur der zweiten Glühung angelassen und abgekühlt wird, um einen Wert für das Verhältnis von Bruchzähigkeit K_u zu Streckgrenze von mindestens 0,398 [cm '-] bei gleichzeitiger hoher Bruchzähigkeit, Festigkeit und Duktilität einzustellen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß angewendeten Verfahrens wird die erste Glühung im Temperaturbereich von 885 bis 970° C, die zweite Glühung im Temperaturbereich von 840 bis 915° C und das Anlassen im Temperaturbereich von 535 bis 705° C vorgenommen.

Eine bedeutende mechanische Eigenschaft einer Titanlegierung, die als Werkstoff in Gasturbinen benutzt wird, 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_lc : der Spannungsintensitätsfaktor, bei dem es zu einem schnellen Bruch einer mit Riß versehenen Probe kommt.

Eine tx, /i-Legierung auf Titanbasis, die 6% AIuminium, 2% Zinn, 3% Zirkonium, 4% Molybdän und 4°/o Vanadium enthält, hat eine /J-Umwandlungstemperatur von etwa 893° C. Im allgemeinen haben die λ, /J-Legierungen auf Titanbasis eine /MJmwandlungstemperatur von etwa 700 bis 1010⁰C, häufiger jedoch im Bereich von etwa 790 bis 950⁰C. Proben, die man mittels einer Presse zu etwa 8,9 cm dicken Scheiben geformt hatte, wurden verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen und danach Festigkeit, Duktilität und Bruchzähigkeit gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt:

Tabelle I

Legierung: Ti-6 °/o Al-2 °/o Sn-3 °/o Zr-4 % Mo-4 °/o V Zwischen allen Erwärmungsschritten erfolgte Kühlung mit Ventilatorluft

	1. Glühen	Wärmebehandlung	Anlassen	Bruchzähigkeit K_{1 f} [kpcm-^s"J	Verhältnis
Betspiel		2. Glühen	593°C/4h		Bruchzahigkeit K_/f zu Streckgrenze
	—	843°C/lh	649°C/4h	3000	*[cm"]**
I	893°C/lh	882°C/lh	593°C/4h	3900	0,24
2	885°C/lh	843°C/lh	593°C/4h	5550	0,33
3		843° C/lh		4780	0,49
4		0,45

Aas den i» Tabeäe X »uigeführten Wertes ist er-McJaBcb, daß die Anwendung einer etstm «Abstufe mnexäalb eines Temperaturbereichs von 28° C unterhalb bk 56° C Dbedialfe des /S-Umwandlungstemperatar der untersuchten Legierung, gefolgt von einer zweiten Giühstufe »ad einer Änlaßbehandhing in den in den Ansprüchen genannten Temperaturbereich za einer Legierung mit einer bedeutend verbesserten Bnichzähigkett fährt, wie sie durch den Faktor K_tt gemessen wird, ^strecti gleichzeitig eine zufriedenstellende Festigkeit und Duktüiiät aufrechterhallen bleiben. Das Verhältnis von Bnichzähigkeit zu Streckgrenze sollte eben Minimalwert von 0.398 [cm ^] haben, damit eine angemessene Zähigkeit vorhanden ist, und sollte soweit als möglich dem Wert 1,6 {cm *] angenähert sein.

Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurden noch weitere <*, /ϊ-Legierangen auf Titaabass untersucht Die Daten.von zwei dieser Legierungen sind in der folgenden Tabelle H zusammengefaßt, in

der die Legierung A <>»/« Ainmrnhan und 4% Vanadium enthält und eine /J-UHrwandlungstempecatur von etwa 996° C hat Dk Legierung B enthält 6·/· Aluminium, 2·/« Zinn, 4⁰Ai Zirkonium und 6% hiolybdän und hat eine /J-Umwandlungstemperatur von

ίο etwa 932° C in den WännebehandJungs-Untersuchungen wurde die Legierung A zwischen den einzelnen Erwärmungsstufen in Wasser abgeschreckt uncrdie Legierung B zwischen den einzelnen Erwärmungstufen mit Ventilatorluft gekühlt Diese Kühl- geschwindigkeiten sind eine Funktion der Legierungszusammensetzung.

Tabelle Π

Legierung A: Ti-6 °/e Al-4 «/· V; Legierung B:

	Legierung	1. Glühen	Wärmebehandlung	Anlassen	Bnichzähigkeit K_{1 c} [kpcrn-"¹]	Verhältnis
Beispiel			2. Glühen	538°C/4h		Bruchzähigkeit Κ, _r zu Streckgrenze
	A	968°C/lh	968°C/lh	538°C/4h	4780	[cm¹«!
5	A	—	913°C/lh	593°C/4h	6210	0,45
6	B	927°C/lh	871°C/lh	593°C/4h	2880	0,57
7	B		843°C/lh		4220	0,25
8		0,398

Aus den Daten der Tabeilell kann man ebenso wie aus denen der Tabelle I ersehen, daß die Anwendung einer ersten Glühstufe vor dem zweiten Glühen und Anlassen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hinreichenden Festigkeit und Duktilität zu einer bedeutend verbesserten Bruchzähigkeit führt.

Es ist in der vorliegenden Erfindung erkannt worden, daß die Bnichzähigkeit einer «, ^-Legierung auf Titanbasis durch die Anwendung einer beispielsweise aus der britischen Patentschrift 916 801 bekannten ersten Glühstufe verbessert werden kann, welche ein Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur im Bereich von 28° C unterhalb bis 56° C oberhalb der /J-Umwandlungstemperatur umfaßt Die Aufgabe einer solchen Wärmebehandlung ist es, die existierende Struktur der Legierung zu zerbrechen und eine vollständige oder teilweise /?-Phase zu schaffen, welche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung eine relativ ausgedehnte nadeiförmige α-Phase bildet, die auch Widmannstättensches Gefüge genannt wird, an Stelle der üblichen aus kugelförmigen Teilchen oder aus feinen Plättchen bestehenden «-Phasen, die durch die bekannten einstufigen Wärmebehandlungen erhalten «"erden. In solchen bekannten Wärmebehandlungen wird die /?-Phase in die feine nadeiförmige »-Phase umgewandelt, die dadurch charakterisiert ist, daß sie erst bei ungefähr lOOOOfacher Vergrößerung sichtbar ist. Die relativ ausgedehnte nadeiförmige «-Phase, die nach dem erfindungsgemäß angewendeten Verfahren erhalten wird, ist schon bei etwa 250facher Vergrößerung sichtbar.

Die angestrebte ausgedehnte nadeiförmige Struktur bildet sich nur in der umgewandelten /ϊ-Phase Es ist in der vorliegenden Erfindung erkannt worden, daß ein Erhitzen auf eine Temperatur niedriger als 28° C unterhalb der /J-Umwandlungstemperatur nur eine für die Verbesserung der Bruchzähigkeit der Legierung nicht ausreichende Menge der /J-Phase in die relativ ausgedehnte, nadeiförmige /\-Phase umwandelt.

Das Erhitzen auf eine Temperatur höher als 56° C oberhalb der /J-Umwandlungstcmperatur führt zu einem übermäßigen Kornwachstum und hat eine ungenügende Duktilität zur Folge. Demgemäß wird bei der vorliegenden Erfindung eine erste Glühstufe für

♦5 die Wärmebehandlung einer x, ^-Legierung auf Titanbasis angewendet, bei der die Legierung zuerst auf eine Temperatur im Bereich von 28° C unterhalb bis 56 C oberhalb der /f-Umwandlungstemperatur solcher Legierung für eine Zeit — z. B. etwa eine

Stunde — erhitzt wird, die ausreicht, einen Gleichgewichtszustand zwischen λ- und /?-Phasengehalt für die ausgewählte Temperatur innerhalb jenes Bereiches einzustellen. Dann wird die Legierung mit einer Geschwindigkeit auf Zimmertemperatur abgekühlt,

die * on der Legierungszusammensetzung abhängt; so sind z. B. Luftkühlung, Ventilatorkühlung, Abschrecken in Flüssigkeit usw. für die verschiedenen Legierungen benutzt worden. Die Abkühlungsgeschwindigkeit dieser Stufe ist auch abhängig vom

Ansprechen der speziellen Legierung auf die zweite Glühstufe.

Nach der erfindungsgemäß angewendeten ersten Glühstufe wird die Legierung ein zweites Mal geglüht, um die nadeiförmige Λ-Phase in der umge-

wandelten /J-Phase, die sich während der ersten Glühstufe gebildet hat, auszuscheiden. Es wird bei einer Temperatur im (* + /?)-Phasenbereich von 28 bis 84° C unterhalb der Temperatur der ersten Glüh'

stufe geglüht, am die relativ ausgedehnte Widmannsstättensche Struktur in einer Menge auszuscheiden, die ausreicht, der Legierung eine verbesserte Bruchzähigkeit zu verleihen, während gleichzeitig ausreichend /5-Phase erhalten bleibt, um die Legierung während des folgenden Abkühlens sad Anlassens zu verfestigen. Nach dem Abkühlen, wird die Legierung dann angelassen, um diese weiter zu stabilisieren, wenn deren beabsichtigte Verwendung bei höheren Temperaturen liegt. So wird bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur der zweiten CHünstufe aagelassua, was zu einer weiteren Ausscheidung^von Λ-Pfease führt, entweder in feiner oder kugelförmiger Form oder beidem, um die Streckgrenze zu erhöhen und die Legierung zu stabilisieren, wenn sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird.

Aus den gegebenen Datin ist es für den Metallurgen ohne weiteres klar, daß das erfindungsgemaß angewendete Verfahren auf eine Vielzahl von Titanlegierungen, deren Struktur in der oben beschriebenen Weise umwandelbar ist, angewendet werden kann, um die Bruchzähigkeit zu verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit und Duktilitat zu erhalten. Die spezifischen Temperaturen, die für eine solche Behandlung erforderlich sind, variieren innerhalb der in den Ansprüchen genannten Bereiche mit der Legierungszusammeosetzung entsprechend deren /MJmwandlungstemperaturen.

Claims

21 34189

Patentansprüche:

f"* \. Anwendung des Verfahrens zur Wärmebehandlung einer α, ^-Titanlegierung, bei dem die t|| Legierung im Temperaturbereich von 28° C

'& unterhalb bis 56° C ooerhalb der /MJmwand-

lungstemperatur zur Einstellung eines Gleich-

ΐ gewichtszustandes ein erstes Mal geglüht, auf

Raumtemperatur abgekühlt, anschließend im (« + /O-Phasenbereich bei einer Temperatur von 28 bis 84° C unterhalb der Temperatur der ersten Glühung ein zweites Mal geglüht, wiederum auf ■ Raumtemperatur abgekühlt und schließlich bei

einer Temperatur unterhalb der Temperatur der zweiten Glühung angelassen und abgekühlt wird, zur Einstellung eines Wertes für das Verhältnis von Bruchzähigkeit K_lc zu Streckgrenze von mindestens 0,398 [cm''«] bei gleichzeitig hoher Bruchzähigkeit, Festigkeit und Duktilität. ao
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die erste Glühung hn Temperaturbereich von 885 bis 970° C, die zweite Glühung im Temperaturbereich von 840 bis 915° C und das Anlassen im Temperaturbereich von 535 bis »5 705° C vorgenommen wird, für den Zweck nach Anspruch 1.