-
Verwendung einer hochwarmfesten Titanlegierung Die Erfindung betrifft
die Verwendung einer Titanlegierung als Werkstoff für Gegenstände, insbesondere
für Verdichterschaufeln in der letzten Stufe von Strahltriebwerken, die ein geringes
spezifisches Gewicht, hohe Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit sowie Oxydationsbeständigkeit
und Korrosionsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit
bei
Temperaturen oberhalb von 7000C erfordern und zugleich bei Raumtemperatur eine ausreichende
Duktilität aufweisen.
-
Die bekannten Legierungen des Titans können nur bis zu Temperaturen
von maximal 450 bis 6000C eingesetzt werden (K. Rüdinger Heutiger Stand der Titanlegierungen",
Metall 23, März 1969, Seite 226, Spalte 1, Absatz 5 und Abbildung 2 auf Seite 227).
Der gleiche Tatbestand kann auch Jaffee und Promisel "The Science, Technology and
Application of Titanium", Pergamon Press Ltd. London and New York, 1970 entnommen
werden; dort wird als Grenzwert 5500C, siehe insbesondere Seite 861, angegeben.
-
In der gleichen Veröffentlichung wird in Figur 1, ebenfalls auf Seite
861, die 0,2 %-Dehngrenze bezogen auf das spezifische Gewicht in Abhängigkeit von
der Temperatur graphisch dargestellt. Die obere Hüllkurve - sie stellt die Maximalwerte
dar - endet unterhalb von 6000C. Oberhalb dieser Temperatur liegt also für diese
Titanlegierungen keine ausreichende Kriechbeständigkeit vor, so daß sie nicht mehr
eingesetzt werden können.
-
Auch der bereits im Jahre 1957 angemeldeten US-Patentschrift 2.880.087
(Erfinder Jaffee), die Titanlegierungen
mit 8 bis 15 % Aluminium
und 0,5 bis 50 % aller ß-stabilisierenden Elemente, darunter auch Niob, betrifft,
können keine Hinweise oder Meßwerte über die Warmzugfestigkeit, Kriechfestigkeit,
Oxydationsbeständigkeit und Temperatu;wwechselbeständigkeit bei Temperaturen oberhalb
von 7000C entnommen werden.
-
Mit der zunehmenden Beanspruchung moderner Triebwerke, insbesondere
der Laufschaufelni der letzten Verdichterstufe - hier werden zur Zeit Temperatuen
von 600°C überschritten - können die bisher bekannten Titanlegierungen nicht mehr
Schritt halten.
-
Aus diesem Grunde besteht ein dringender Bedarf an Titanlegierungen,
welche die obengenannten Eigenschaften, nämlich ein geringes spezifisches Gewischt,.hohe
Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit sowie Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit
und Temperaturwechselbeständigkeit bei Temperaturen oberhalb von 7000C aufweisen
und zugleich bei Raumtemperatur eine ausreichende Duktilität zeigen.
-
In der DAS 1 245 136 ist zur Lösung des Problems der hohen Warmfestigkeit
und der Schmiedbarkeit die Verwendung einer Titanlegierung vergeschlagen worden,
die Niob und 5 bis 30 i - insbesondere 12 bis 17 % - Aluminium enthält, wobei
das
Verhältnis Niob zu Aluminium den Wert von etwa 8 : 7 aufweisen soll. Diese Legierungen
können zusätzlich noch bis zu 2 , Silizium, bis zu 3 % Hafnium, bis zu 3 96 Zirkonium
und bis zu 5 % Zinn enthalten. Als einzige Legierungszusammensetzung wird Ti - 13
% Al - 15 , Nb mit Zusätzen von Silizium angegeben. Als einziger Meßwert wird die
Warmzugfestigkeit bei 800°C und die hier gemessene Dehnung angeführt. Keine Angaben
werden gemacht hinsichtlich der Kriechfestigkeit, Oxydationsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit
und Raumtemperaturduktilität.
-
Aus der US-Patentschrift 3.411.901, die auf der DAS 1 245 136 basiert,
ist die Verwendung einer Legierung Ti - 15,5 % Al - 18 % Nb - 0,5 % Si mit Zusätzen
von bis zu 3 , an Hafnium oder Zirkon sowie bis zu 5 % an Zinn bekannt. Auch diese
Patentschrift enthält keine Angaben über die Oxydationsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit
und über die Raumtemperaturduktilität.
-
In eingehenden Untersuchungen wurden die in der DAS 1 245 136 und
der US-Patentschrift 3.411.901 angegebenen Legierungen auf ihre Raumtemperaturduktilität
hin geprüft.
-
Die Dehnung im Zugversuch bei Raumtemperatur lag stets unter
0,5
%. Alle Versuche, durch besondere Vorsichtsmaßnahmen beim Erschmelzen dieser Legierungen,
durch die Wahl besonderer Verformungsbedingungen (Schmieden oder Strangpressen bei
Temperaturen um 1200 0C) und durch die Ausarbeitung besonderer Wärmebehandlungszyklen
die Sprödigkeit im Bereich der Raumtemperatur zu beheben, schlugen fehl. Aus diesem
Grunde kann nicht an einen technischen Einsatz dieser Legierungen gedacht werden.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Verformbarkeit
oder Duktilität dieser Legierungen bei Raumtemperatur soweit zu steigern, daß diese
Legierungen für den eingangs genannten Anwendungsfall geeignet sind.
-
Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe mit Titanlegierungen mit der
Zusammensetzung 14,2 bis 14,8 96 Aluminium, 16,6 bis 17,6 96 Niob, 0,4 bis 2,7 5'
Tantal, insgesamt maximal 0,25 96 an Verunreinigungen, wie Kohlenstoff, Sauerstoff
und Stickstoff, Rest Titan, insbesondere mit Legierungen der Zusammensetzung 14,5
5' Aluminium, 17,0 % Niob, 1,0 96 Tantal, Rest Titan gelöst werden kann.
-
Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung brachte gegenüber
der Legierung (Ti - 15,5 Al - 18 Nb - 0,5 Si sowie
wahlweise Zusätzen
von Hafnium Zirkon und Zinn nach der US-Patentschrift 3*411es01 die folgenden entscheidenden
Verbesserungen: 1. Eine Erniedrigung der Härte im homogenisierten Zustand von 281
kp/mm2 auf 248 kp/mm2 verbunden mit einer Zunahme der Dehnung im Zugversuch bei
Raumtemperatur von weniger als 0,5 % auf. 4,8 % (Bild 2).
-
2. Eine Erhöhung der Warmhärte der Legierung im Gußzustand bei 8000C
von 232 kpimm2 auf 271 kp/mm2 verbunden mit einer Steigerung der 100h-Zeitstandfestigkeit
bei 8000C von 14 auf 21 kp/mm2.
-
3. Eine Verminderung der Gewichtszunahme nach einer Glühung von 96
Stunden bei 8000C an ruhender Luft von 127 . 10-3% auf 76 10 3 % (0,42 auf 0,25
mg/cm2) (Figur 4).
-
Bisher standen der Anwendung der genannten Legierungen nach der US-Patentschrift
3.411.901, deren außergewöhnlich geringe Duktilität im Bereich der Raumtemperatur
mit Dehnungswerten im Zugversuch von weniger als 0,5 96 im Wege. Die schlechte Duktilität
dieser Legierungen hatte zur Folge, daß daraus keine Verdichterschaufeln für Düsentriebwerke
hergestellt werden konnten.
-
Durch die Änderung der Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierungen konnte eine völlig ausreichende Raumtemperaturduktilität und eine befriedigende
Zähigkeit in diesem Temperaturbereich mit einer weitet ren Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften
erreicht werden.
-
Die Herstellung der Verdichterschaufeln aus den erfindungsgemäß zu
verwendehden Titanlegierungen erfolgte nach einer Ausführungsart der Erfindung durch
Schmieden bei einer Temperatur von 1270?C an Luft. Bei diesen Schmiedearbeiten stellte
sich die hervorragende Zunderbeständigkeit dieser erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierungen heraus. Bei einer Temperatur von 12700C werden dagegen alle bekannten
Titanlegierungen an Luft sofort zerstört.
-
Ein weiterer großer Vorteil der aus den erfindungsgemäß zu verwendenden
Titanlegierungen hergestellten Verdichterschaufeln ist deren hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit.
In einer Thermoschockanlage wurden diese durch Schweißbrenner rasch aufgeheizt und
mit Preßluft abgeschreckt. Nach einer Schockbehandlung von 3000 Zyklen von 7500C
und 9000 C auf Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur konnten keine Anrisse
beobachtet werden.
-
Weiterhin stellte es sich heraus, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden
Titanlegierungen rißfrei in einer Elektronenstrahl-Schweißanlage (150 kV, 20 mA
und 10 mm/s Vorschub) geschweißt werden konnten Die Uberlegenheit der erfindungsgemäß
zu verwendenden Titanlegierungen gegenüber den bisher bekanntgewordenen hochwarmfesten
Titanlegierungen geht aus Bild 3 und Bild 4 hervor.
-
In Bild 3 werden die Zeitdehnlinien für eine Prüftemperatur von 7500C
unter einer Belastung von 35 kp/mm2, 30 kp/ und 15 kp/mm2 ermittelte In Bild 4 ist
das Zeitstand - Schaubild für eine Prüftemperatur von 750 0C angegeben. Es konnten
bei dieser Temperatur im 100h-Zeitstandsversuch Festigkeitswerte von 28 kp/mm2 erreicht
werden.
-
Für die bisher bekannt gewordenen hochwarmfesten Titanlegierungen
wie Ti - 7 Al - 12 Zr, Ti - 8 Al - 2 Nb - 1 Ta und Ti - 6 Al - 2 Sn - 2 Zr - 1 Mo
- 0,25 Si wurden im lOOh-Zeitstandversuch zum Vergleich Maximalwerte von weniger
als 2 kp/mm2 bei 7500C ermittelt.
-
Die bekannten Titanlegierungen verzundern oberhalb von 7000C rasch
an der Luft. Dahingegen konnten durch Messungen in der Thermowaage an ruhender Luft
im lOOh-Versuch an den erfindungsgemäß Z,ll verwendenden Legierungen bei 7500C,
8000C und 1000°C Gewichtszunahmen von nur 0,15, 0,30 und 4,0 mg/cm2 ermittelt werden.
Diese Werte liegen im Bereich der bekannten Superiegierungen auf Nickelbasis.
-
So wurde für eine Nickelbasissuperlegierung vom Typ Rene 41 in ier
gleichen Anlage im lOOh=-Versuch bei 10000C ebenfalls eine Gewichtszunahme von 4,0
mg/cm2 ermittelt.
-
Die erfindungsgemaß zu verwendenden Legierungen besitzen gegenüber
den vergleichbaren bekannten Legierungen (z.B.
-
Legierungen nach DAS 1 245 136, US-Patentschrift 3.411.901) folgende
Verbesserungen: a) Erhöhung der Raumtemperaturduktilität auf den zehnfachen Wert,
b) Steigerung uei £00h-Zeitstandfestigkeit bei 8000C um .50 %, und c) Verringerung
der Gewichtszunahme nach einer Glühung an Luft bei 8000C um 40 5'.
-
Solche Verbesserungen waren keineswegs zu erwarten. Vielmehr war anzunehmen,
daß sich die Eigenschaften der aus der
US-PS 3411 901 bekannten
Titanlegierung Ti - 15,5 % Al -18 % Nb - 1,5 % Hf - 0,5 u Si durch die nach der
Erfindung vorgesehenen Abweichungen in der Zusammensetzung nicht sprunghaft ändern
Eine eingehende Strukturanalyse deckte den Grund für das überraschende Verhalten
der erfindungsgemäßen Legierungen auf. Es konnte festgestellt werden, daß durch
Einlagerung eines Niobatoms in die intermetallische Verbindung Ti3Al, die auch mit
TigAl3 beschrieben werden kann, eine neue intermetallische Verbindung entsteht
Diese intermetallische Verbindung hat die stöchiometrische Zusammensetzung Ti -
14,52 % Al - 16,68 % Nb Diese deckt sich weitgehend mit der Basiszusammensetzung
der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen Ti - 14,5 % Al - 17,0 % Nb, welche
die genannten optimalen Eigenschaften aufweist.
-
Die bisher für konventionelle Legierungen völlig unbekannte hochgradige
Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Veränderungen kann nun aus der Theorie und rraxis
der intermetallischen Verbindungen voll geklärt werden
So genügen
schon kleine Abweichungen von der stöchiometrischen Zusammensetzung der intermetallischen
Verbindung TiNi, um deren Verhalten bei Raumtemperatur völlig zu verändern.
-
Diese auch als "Gedächtníslegierung" unter dem Namen "Nitinol" bekannte
Legierung wird durch minimale Abweichungen in ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung
den erforderlichen Zwecken angepaßte Auf Grund dieser Überlegungen wird insbesondere
die völlige Veränderung der Verfprmungseigenschaften der erfindungsgemaß zu verwendenden
Legierungen bei Raumtemperatur durch kleine Änderungen in der Zusammensetzung besonders
hinsichtlich des Aluminiumanteils verständlich So weist die Legierung Ti - 17,0
% Nb - 1,0 % Ta in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt zwischen 14,0 und 15,0 96 folgende,
in der Tabelle vermerkten Dehnungswerte im Zugversuch bei Raumtemperatur auf:
Legierungszusammensetzung
Dehnung # 5 in 5' im Zugversuch bei Raumtemperatur Ti-17,0 5' Nb-1 5' Ta-14,0 5'
Al 1,3 14,-' 3,2 14,4 4,8 14,6 4,3 14,8 2,4 15,0 0,4 Wichtig bei der Herstellung
dieser erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen ist daher die genaue Kontrolle
des Al-Anteils.
-
Da bei jedem Umschmelzvorgang im Vakuum-Lichtbogenofen - es muß meist
mit der vollen Stromstärke gearbeitet werden, um eine völlige Auflösung des Niobanteils
zu bewerstelligen - 0,1 % Aluminium Verdampfungsverluste auftreten können, ist beim
Einwiegen ein genau vorauszuberechnender Aluminiumüberschuß einzuhalten.
-
Um unnötige Aluminiumverluste zu vermeiden, ist auf das Umschmelzen
im Elektronenstrahlofen ganz zu verzichten.
-
Hier konnten Abdampfverluste bis zu 50 % ermittelt werden.
-
Es empfiehlt sich daher auch, mit einer Vorlegierung zuerst eine homogene
Ti - Nb - Ta Legierung herzustellen. Diese kann ohne weiteres im Elektronenstrahlofen
erschmolzen oder umgeschmolzen werden Erst dann erfolgt die Zugabe des Aluminiumanteils,
ebenfalls über eine Vorlegierung, im Vakuum-Lichtbogenofen. -Als Ausgangsmaterial
zur Herstellung der Ti - Nb - Ta Vorlegierung wurde im Elektronenstrahlofen erschmolzenes
Niob mit einer Brinellhärte von 62 kp/mm2 und Verunreinigungen (in ppm) bis zu 500
Ta, bis zu 500 Zr,- bis zu 150 Ti, bis zu 100 Fe, 110 0, 100 N, bis zu 100-Si und
bis zu 150 Ti und 150 W verwendet.
-
Es wurde magnesiumreduzierter Titanschwamm mit etwa 0,03 96 2 Fe und
einer Härte (Brinellhårte) von 96 kp/mm2 benutzt.
-
Das eingesetzte Aluminium hatte einen Reinheitsgrad von 99,99 5'0
Alle Proben, an denen Messungen vorgenommen wurden, waren, wenn nicht ausdrücklich
der GuiSzustand angegeben ist, bei etwa 12000C geschmiedet oder im Salzbad auf 12000C
vorgewärmt und stranggepreßt.
-
Als Standard Wärmebehandlung wurde gewählt: 1 h 1200 0C und Ofenabkühlung
anschließend 24 h 10000C und Ofenabkühlung.