DE2248661A1 - PROCESS FOR TREATMENT OF HIGH STRENGTH ALPHA-BETA TITANIUM ALLOYS - Google Patents
PROCESS FOR TREATMENT OF HIGH STRENGTH ALPHA-BETA TITANIUM ALLOYSInfo
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Description
Verfahren zur Behandlung von hochfesten alpha-beta Titanlegierungen Process for the treatment of high-strength alpha-beta titanium alloys
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung
von hochfesten alpha-beta Titanlegierungen, das dazu dient, die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen zu verbessern
und die Erzielung stärker gleichförmiger Eigenschaften zu ermöglichen. The invention relates to a method of treatment
of high-strength alpha-beta titanium alloys, which are used to improve the mechanical properties of these alloys
and enable more uniform properties to be achieved.
Es ist bekannt, dass, wenn die hochfesten alpha-beta Titanlegierungen,
wie beispielsweise Ti 6-2-4-6 ( 6 Prozent Aluminium, 2 Prozent Zinn, 4 Prozent Zirkon, 6 Prozent Molybdän, Rest Titan)
und die Ti 6-6-2 Legierung (6 Prozent Aluminium, 6 Prozent Vanadium, 2 Prozent Zinn, Rest Titan), einer üblichen Warmbehandlung
unterzogen werden, in einem breiten Streubereich gelegene
Zähigkeits-, Festigkeits- und Dauerstandsfestigkeits-Werte bzw. unterschiedliche Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung aufweisen.
Die gebräuchlichste Warmbehandlung für die Ti 6-2-4-6 Legierung verläuft wie folgt: etwa 1-stündiges Lösungsglühen bei 904 C;
Kühlen in Luft; 4 bis 8 Stunden lange Ausscheidungs-Warmbehand-It is known that when the high-strength alpha-beta titanium alloys, such as Ti 6-2-4-6 (6 percent aluminum, 2 percent tin, 4 percent zirconium, 6 percent molybdenum, balance titanium) and the Ti 6-6 -2 alloy (6 percent aluminum, 6 percent vanadium, 2 percent tin, remainder titanium), are subjected to a conventional heat treatment, located in a wide range
Toughness, strength and fatigue strength values or different resistance to fatigue. The most common heat treatment for the Ti 6-2-4-6 alloy is as follows: solution heat treatment at 904 C for about 1 hour;
Cooling in air; 4 to 8 hours long precipitation heat treatment
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lung bei 593°C; und Kühlen in Luft.treatment at 593 ° C; and cooling in air.
Die bei einem solchen Warmbehandlungs-Vorgang sich ergebenden weit streuenden Eigenschaften stehen in direktem Zusammenhang mit den Verschiedenheiten der MikroStruktur innerhalb eines gegebenen Bestandteils und zwischen verschiedenen Bestandteilen. Bei den üblichen Behandlungsverfahren, und zwar gleichgültig, ob dabei nach dem Lösungshärten in Luft gekühlt oder in öl oder Wasser abgeschreckt wird, lassen sich die Kühlgeschwindigkeiten zwischen verschiedenen Formteilen eines gegebenen Werkstückes infolge der unterschiedlichen Stärke der Schmiedeverformung nicht ausreichend steuern. Dies hat zur Folge,, dass für eine gegebene Kühlmethode für die Abkühlung herunter von der Lösungstemperatur die dünnen Formteile dazu neigen, höhere Dehnungsfestigkeiten und Streckgrenzen und geringere Schlagzähigkeit aufweisen, verglichen mit den dickeren Formteilen desselben Schmiedestückes. Diese unterschiedlichen Eigenschaften können den Verschiedenheiten in der Legierungs-Mikrostruktur zugeordnet werden. So bilden sich insbesondere grosse Mengen an sehr kleinen sekundären alpha-Kristallen in Bereichen, die rascher Abkühlung unterliegen, aus, und grosse grobe alpha-Kristalle finden sich in den dickeren Formteilen, die langsamer abgekühlt v/orden sind.The widely varying properties resulting from such a heat treatment process are directly related with the diversity of the microstructure within a given component and between different components. In the usual treatment procedures, and indifferently, Whether it is cooled in air after solution hardening or quenched in oil or water, the cooling speeds can be determined between different shaped parts of a given workpiece due to the different strengths of forging deformation insufficient control. As a result, for a given cooling method, the cooling down from the solution temperature the thin moldings tend to have higher tensile strengths and yield strengths and lower impact strength compared to the thicker molded parts of the same forging. These different properties can attributed to the differences in the alloy microstructure. In particular, large quantities build up very small secondary alpha crystals in areas that more rapidly They are subject to cooling off, and large, coarse alpha crystals are found in the thicker moldings that are slower have cooled down.
Diese Eigenschaftsvariationen zwischen verschiedenen Formteilen eines gegebenen Formkörpers und zwischen Formkörpern verschiedener Konfiguration und Abmessung sind für verschiedene empfind-These variations in properties between different molded parts of a given molded article and between molded articles of different types The configuration and dimensions are suitable for different sensi-
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liehe Anwendungsarten> beispielsweise für Teile von Gasturbinen, für die solche Legierungen am häufigsten Verwendung finden, nachteilig. lent types of application> for example for parts of gas turbines, for which such alloys are most frequently used, disadvantageous.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Behandlungsverfahren zu schaffen, mit dem die Zähigkeit und die Gleichförmigkeit der Eigenschaften von hochfesten härtbaren alpha-beta Titanlegierungen verbessert werden können.The invention is based on the object of a treatment method to create with which the toughness and uniformity of properties of high strength hardenable alpha-beta titanium alloys can be improved.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem solchen Verfahren zur Behandlung von hochfesten alpha-beta Titanlegierungen,, das erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Legierung bei einer hoch im alpha/beta Zustandsbereich gelegenen Temperatur innerhalb von etwa 55°C unterhalb der beta-Umwandlungstaperatur der Lösungs-Wärmebehandlung unterwirft und eine geringe Menge an primärer alpha-Phase zur Ausbildung bringt, danach die Legierung djcekt in ein isothermes Kühlmedium überführt und sie im unteren alpha/beta Zustandsbereich bei einer Temperatur innerhalb von 110°C oberhalb der alpha-Umwandlungstemperatur hält, und die gewünschte Menge an sekundärer alpha-Phase zur Ausbildung bringt, danach die Legierung abkühlt und sie anschliessend zur Festigkeitssteigerung einer Alterungs-Wärmebehandlung unterzieht. This object is achieved with such a method for treatment of high-strength alpha-beta titanium alloys, according to the invention characterized in that the alloy is produced at a temperature which is high in the alpha / beta state range within about 55 ° C below the beta conversion temperature subjected to the solution heat treatment and a low Brings amount of primary alpha phase to the formation, then transferred the alloy djcekt in an isothermal cooling medium and they are in the lower alpha / beta state range at a temperature within 110 ° C above the alpha transition temperature holds, and the desired amount of secondary alpha phase brings to formation, then cools the alloy and then subjects it to an aging heat treatment to increase strength.
Beim erfindungsgemässen Verfahren kann die Lösungs-Wärmebehandlung vorzugsweise während der Schmiedebehandlung erfolgen, sie kann aber auch, und dies ist die übliche Arbeitsweise, nach demIn the method according to the invention, the solution heat treatment preferably take place during the forging treatment, but it can also, and this is the usual way of working, after
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Formschmieden vorgenommen werden und dient dazu, die Menge und Gistalt der alpha-Phase in der MikroStruktur einzustellen. Nach der anschliessenden direkten überführung der Legierung in ein isothermes Medium, das bei hoher, jedoch unterhalb der Lösungs-/ temperatur gelegenen Temperatur gehalten wird, belässt man die Legierung über eine so ausreichende Zeit in diesem Medium, dass die gewünschten Produkte und chemischen Phasen eich bilden können, und die nachfolgende Alterung bei einer für die Legierung geeigneten Temperatur gibt der Legierung die erforderliehen Festigkeitseigenschaften. Form forging can be carried out and is used to adjust the amount and shape of the alpha phase in the microstructure. To the subsequent direct transfer of the alloy into an isothermal medium, which at high, but below the solution / temperature is maintained, the alloy is left in this medium for such a time that can form the desired products and chemical phases, and subsequent aging at a temperature suitable for the alloy gives the alloy the required strength properties.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Ti 6-2-4-6 Legierung erfindungsgemäss behandät, und dazu wird die Lösungs-Wärmebehandlung vorzugsweise 2 Stunden lang bei 921°C vorgenommen, die direkte überführung erfolgt von der Lösungs-Wärmebehandlung in ein Salzschmelzebad, das eine Temperatur im Bereich von etwa 760 bis 871°C, vorzugsweise 829°C hat, und darin wird die Legierung etwa 15 Minuten lang gehalten. Anschliessend wird sie bei 510 bis 621°C, vorzugsweise bei 593°C 8 Stunden lang gealtert und dann in Luft gekühlt.In a preferred embodiment of the invention In the process, the Ti 6-2-4-6 alloy is treated according to the invention, and for this, the solution heat treatment becomes preferable Carried out for 2 hours at 921 ° C, the direct transfer takes place from the solution heat treatment in a molten salt bath, that is, a temperature in the range of about 760 to 871 ° C, preferably 829 ° C and the alloy is held therein for about 15 minutes. Then it is at 510 to 621 ° C, preferably aged at 593 ° C for 8 hours and then cooled in air.
Figur 1 zeigt ein Schliffbild eines brauchbaren Schmiedestückes vor der Wärmebehandlung, das die gleichachsigen primären alpha-Kris talle in einer transformierten beta Matrix illustriert. Figur 2 zeigt ein Schliffbild eines brauchbaren Schmiedestückes vor der Wärmebehandlung, das kurze längliche primäre alpha-Plättchen in gewisser regelloser Orientierung wiedergibt.Figure 1 shows a micrograph of a usable forging before heat treatment, which illustrates the equiaxed primary alpha crystals in a transformed beta matrix. FIG. 2 shows a micrograph of a usable forging before the heat treatment, the short elongated primary alpha platelet reproduces in a certain random orientation.
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Die hochfesten Titanlegierungen sind erwünscht für besonders leichtgewichtige, hoch leistungsfähige Turbinen-Triebwerke, für die als fundamentale Konstruktionskriterien ein hoher spezifischer Modul und Kriechfestigkeit erforderlich sind. Dafür sind die härtbaren alpha-beta Titanlegierungen von besonderem Interesse.The high-strength titanium alloys are desirable for particularly lightweight, high-performance turbine engines, for which a high specific module and creep resistance are required as fundamental design criteria. Therefore the hardenable alpha-beta titanium alloys are of particular interest.
Die Ti 6-6-2 Legierung ist intensiv untersucht worden, jedoch hat sie, obgleich hohe Streckgrenzen mit dieser Legierung erreichbar sind, den Nachteil, dass sie begrenzte Härtbarkeit und geringe Kriechfestigkeit aufweist.The Ti 6-6-2 alloy has been studied extensively, however Although high yield strengths can be achieved with this alloy, it has the disadvantage that it has limited hardenability and has low creep resistance.
Eine in jüngerer Zeit entwickelte hochfeste härtbare alpha-beta Titanlegierung, die auf der Ti 6-2=4=2 Legierung basiert, ist die zuvor erwähnte Ti 6-2-4-6 Legierung.'Mit der Ti 6-2-4=6 Legierung konnten hohe Streckgrenzen erreicht werden, und zusätzlich hat diese Legierung ein grösseres Härtungspotential und eine höhere Kriechfestigkeit als die Ti 6-6-2 Legierung.. Demzufolge gilt dieser Legierung als bevorsugter Legierung besond-eres Interesse.A recently developed high-strength hardenable alpha-beta titanium alloy based on the Ti 6-2 = 4 = 2 alloy is the aforementioned Ti 6-2-4-6 alloy. With the Ti 6-2-4 = 6 Alloy, high yield strengths could be achieved, and this alloy also has a greater hardening potential and a higher creep strength than the Ti 6-6-2 alloy. As a result, this alloy is considered a special precautionary alloy Interest.
Diese Legierung wurde von den Herstellern als 20„32 cm runde Knüppel mit einer Zusammensetzung (K-2407) von 6,2 Prozent Aluminium, 2,1 Prozent Zinn, 4,2 Prozent Zirkon,6,1 Prozent Molybdän, 0,06 Prozent Eisen, 0,12 Prozent Sauerstoff, 0,008 Prozent Stickstoff, 0,007 Prozent Wasserstoff,, Rest Titan,, käuf-This alloy was offered by the manufacturers as a 20 "32 cm round Billets with a composition (K-2407) of 6.2 percent aluminum, 2.1 percent tin, 4.2 percent zirconium, 6.1 percent molybdenum, 0.06 percent iron, 0.12 percent oxygen, 0.008 percent Nitrogen, 0.007 percent hydrogen, remainder titanium, buy
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lieh erworben. Die Temperatur der der alpha + beta zu beta Umwandlung dafür wurde mit 946 - 5,5°C ermittelt. Verschiedene Knüppel-Teile wurden durch mehrfaches Stauchen und Ziehen bei 885°C durchgearbeitet, damit der Anteil an gelängten alpha-Teilchen vermindert und eine besser homogene Struktur der Knüppel geschaffen wurde. Es wurdenbei mehreren verschiedenen Schmiedetemperaturen von 885 bis 982°C durch Freiformschmieden flache Schmiedestücke in Pfannkuchenform mit einer Dicke von 4,44 cm und einem Durchmesser von 45,72 cm hergestellt. Alle Schmiedestücke wurden dann in zwei oder mehr Teilstücke zerschnitten, und es wurden die Wirkungen der Lösungs-Wärmebehandlung bei Temperaturen von 829 bis 943°C untersucht. Durch Alterungsbehandlung zwischen 510 bis 593°C wurde jedes Behandlungsverfahren gewöhnlich vervollständigt.borrowed acquired. The temperature of the alpha + beta to beta conversion it was determined to be 946 - 5.5 ° C. Various billet parts were tightened and pulled at several times 885 ° C worked through, so that the proportion of elongated alpha particles and a more homogeneous structure of the billets was created. It was made at several different forging temperatures from 885 to 982 ° C by open die forging flat forgings in pancake shape with a thickness of 4.44 cm and a diameter of 18 inches. All forgings were then cut into two or more pieces, and the effects of solution heat treatment at temperatures became apparent examined from 829 to 943 ° C. By aging treatment between 510 to 593 ° C, each treatment method became common completed.
Die Wirkungen der Abkühlgeschwindigkeit von der Schmiedetemperatur wurden untersucht. Zusätzlich wurde die Abschreckgeschwindigkeit von der Lösungsbehandlungstemperatur ganz genau durch Abkühlen unterschiedlicher Segmente in verschiedener Weise, einschliesslich Abkühlen in Luft, Abschreckung in öl und Abschrekkung in Wasser, untersucht. Es wurden Meßergebnisse für mechanische Eigenschaften und Mikroschliffe sowohl nahe der Oberfläche als auch in der Mitte eines jeden Segments gewonnen, da diese Stellen bei der experimentellen Behandlung eine unterschiedliche thermische Vorgeschichte erhalten hatten.The effects of cooling rate from forging temperature were investigated. In addition, the quenching rate from the solution treatment temperature was made quite accurate Cooling different segments in various ways including cooling in air, quenching in oil, and quenching in water, examined. Measurements were made for mechanical properties and microsections both near the surface as well as in the middle of each segment, since these points are different in the experimental treatment thermal history.
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Es ergab sich, mit Ausnahme von wenigen Werten, ganz offensichtlich, dass es nicht möglich ist, die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, wenn die bisher bekannten Behandlungsverfahren angewendet wurden. Solche Werte, die den Anforderungen entsprachen, stammten von Schmiedestücken, die einer beta-Schmiedung unterworfen und aus der Schmiedepresse heraus mit Wasser abgeschreckt worden waren, wobei es sich um eine Arbeitsweise handelt, die für dickere Teile praktisch nicht durchführbar ist.With the exception of a few values, it was evident that that it is not possible to obtain the desired properties when applying the previously known treatment methods became. Such values, which met the requirements, came from forgings, those of a beta forging were subjected and quenched with water from the forging press, which is a working method which is practically impracticable for thicker parts.
Es zeigte sich, dass dann, wenn die Menge an primären alpha-Kristallen geringer als 35 Prozent ist, die Neigung dieser Legierungen, erhöhte Bruchzähigkeiten zu zeigen, mit ansteigendem Prozentgehalt an primären alpha-Anteilen (gleichachsigen, kugeligen alpha-Teilchen) etwas zunimmt. Dieses Ergebnis ist nicht vollständig unerwartet, da die äusserste Zustandsform, bei der keinerlei primäre alpha-Teilchen vorhanden sind, die zähere, vollständig umgewandelte beta-Struktur ist, die als Ergebnis der beta-Behandlung resultiert. Jedoch ist die Tatsache, dass keineswegs ein definitiver Trend für alle Festigkeitseigenschaften bei höherem Prozentgehalt an primären alpha-Anteilen besteht, ein Hinweis dafür, dass dies alleine noch nicht ein ausreichender Grund für die Wirkung der MikroStruktur auf die mechanischen Eigenschaften *ist.It was found that if the amount of primary alpha crystals is less than 35 percent, the tendency of these alloys to show increased fracture toughness with increasing Percentage of primary alpha components (equiaxed, spherical alpha particles) increases somewhat. This result is not completely unexpected, since the extreme state, in which no primary alpha particles are present, the tougher, fully transformed beta structure is that as a result the beta treatment results. However, the fact is that There is by no means a definitive trend for all strength properties with a higher percentage of primary alpha components, an indication that this alone is not a sufficient reason for the effect of the microstructure on the mechanical Features * is.
Wie zuvor erwähnt, lassen sich die beta-behandelten Mikrostrukturen von den alpha-beta-behandelten Strukturen in einfacher Weise dadurch unterscheiden, dass sie keine primären alpha-Anteile auf-As previously mentioned, the beta-treated microstructures can be from the alpha-beta treated structures in a simple manner differ in that they do not have any primary alpha components.
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weisen. Bei alpha-beta-behandeltem Material lassen sich die Mikrostrukturen, die die höchsten Bruchzähigkeiten bei Streck-point. In the case of alpha-beta treated material, the Microstructures that have the highest fracture toughness in stretching
grenzen zwischen 12000 und 127000 kg/cm ergeben, dadurch definieren, dass sie etwa 10 Prozent an kugelförmigem alpha Anteil (primäres alpha) mit einer Matrix aus relativ grobem nadeiförmigem alpha-Anteil ( sekundäres alpha) und gealtertem beta enthalten. Mit dieser MikroStruktur werden auch akzeptable Werte für die Zugfestigkeit und Duktilität (20% RA) erhalten.result in limits between 12000 and 127000 kg / cm, thereby define, that they contain about 10 percent of spherical alpha (primary alpha) with a matrix of relatively coarse needle-shaped alpha components (secondary alpha) and aged beta. With this microstructure, acceptable values for tensile strength and ductility (20% RA) are also obtained.
Die Grund-Mikrostruktur ist natürlich in gewissem Ausmaß ausgewählt (tailored) je nach den besonderen für den vorgesehenen Verwendungszweck gewünschten Eigenschaften. So werden beispielsweise für eine Gasturbinentriebwerk-Kompressorscheibe, bei der im Betrieb ein bestimmtes Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit erforderlich ist, das der Legierung bei dem Verfahren zur Optimierung der Eigenschaften verliehen werden soll, mehr grobe alpha Anteile in der Legierung ausgebildet, die erhöhte Zähigkeit, etwas auf Kosten der Festigkeit, vermitteln. Für die Verwendung als Kompressor-Flügel, bei dem im Betrieb das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit typischerweise umgekehrt ist, wird die Festigkeit erhöht, selbst wenn dies etwas auf Kosten der Zähigkeit geht.The basic microstructure is of course selected to some extent (tailored) depending on the particular properties desired for the intended use. For example for a gas turbine engine compressor disc that has a certain strength to toughness ratio during operation what is required is that the alloy is to be imparted in the process for optimizing the properties, more coarse alpha Components formed in the alloy that impart increased toughness, somewhat at the expense of strength. For use as a Compressor blades, in which, in operation, the ratio of strength is typically reversed to toughness, strength is increased, even if this is somewhat at the expense of toughness.
Die Bruchfestigkeit einer gegebenen Probe ist eine Funktion der Streckgrenze. Wenn man die aufgebrachte Zugkraft gleichsetzt einem konstanten Bruchteil der Streckgrenze der Legierung, dann weiss man, dass die kritische Rissgrösse für unsteten Bruch in Deformationsebene proportional ist (KIC/<^V) , wobei Ky„ derThe ultimate strength of a given sample is a function of the yield strength. If one equates the applied tensile force with a constant fraction of the yield point of the alloy, then one knows that the critical crack size for inconsistent fracture in the deformation plane is proportional (K IC / <^ V ), where Ky is
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kritische Spannungsgrössenfaktor in der Deformationsebene und die Streckgrenze bedeuten. Es ist jedoch möglich, die Gegebenheiten der MikroStruktur zu modifizieren und die Bruchzähigkeit bei gegebenem Festigkeitswert dadurch zu erhöhen, dass beliebig verteilt Stellen, an denen bevorzugt Risse wachsen, in der Struktur geschaffen werden. Die bevorzugten Risswachstumsstellen liegen längs Grenzschichten von alpha Kristallen, und es ist erforderlich, die Grosse und Orientierung der alpha Kristalle zu steuern, damit man bei hohen Festigkeitswerten in alpha-beta Titanlegierungen Bruchzähigkeit erzielt. Bei einem typischen Streckgrenzenwert von 12.000 kg/cm betrug der KIC Wert 3940 (kg/cm^.Ycm.critical stress factor in the deformation plane and the yield point mean. However, it is possible to modify the characteristics of the microstructure and to increase the fracture toughness for a given strength value by creating randomly distributed locations in the structure at which cracks tend to grow. The preferred crack growth sites are along the boundary layers of alpha crystals, and it is necessary to control the size and orientation of the alpha crystals in order to achieve fracture toughness with high strength values in alpha-beta titanium alloys. With a typical yield strength value of 12,000 kg / cm, the K IC value was 3940 (kg / cm ^ .Ycm.
Der KIC Wert wurde dadurch erreicht, dass durch Lösungs-Wärmebehandlung die Menge und Gestalt der gleichachsigen alpha-Phase eingestellt und dann eine direkte Überführung in eine isotherme Umgebung vorgenommen wurde, in der gesteuerte isotherme Transformation der beta-Phase zu groben alpha Kristallen erfolgte. Anschliessend wurde dann in üblicher Weise ausgehärtet bzw. gealtert. Durch den isothermen Transformations-Schritt lässt sich eine ausgezeichnete Regulierung der Morphologie der Matrixphase und damit eine optimale MikroStruktur und optimale Eigenschaften erreichen. Die Menge an groben sekundären alpha Anteilen lässt·sich weit mehr durch die isotherme Transformationstemperatur bestimmen als durch stark unterschiedliche kontinuierliche Abkühlgeschwindigkeiten, und dadurch ist die Einwirkung der Abmessungen der Teilstücke auf die Eigenschaften vermindert. Die chemische Zusammensetzung bei der alpha und beta Umwandlung, die aus den anteiligen ElementenThe K IC value was achieved by setting the amount and shape of the equiaxed alpha phase through solution heat treatment and then making a direct transfer into an isothermal environment in which controlled isothermal transformation of the beta phase into coarse alpha crystals took place. It was then cured or aged in the usual way. The isothermal transformation step enables excellent regulation of the morphology of the matrix phase and thus an optimal micro-structure and optimal properties. The amount of coarse secondary alpha components can be determined far more by the isothermal transformation temperature than by widely differing continuous cooling rates, and this reduces the effect of the dimensions of the sections on the properties. The chemical composition of the alpha and beta conversion resulting from the proportionate elements
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resultiert, lässt sich auch durch die Isotherme Behandlung steuern, so dass die Eigenschaften optimiert worden können.can also be controlled by isothermal treatment, so that the properties can be optimized.
Im Fall der Ti 6-2-4-6 Legierung besteht die MikroStruktur des
Ausgangs-Schmiedestückes im wesentlichen aus gleichachsialen primären alpha Kristallen in einer transformierten beta Matrix, wie
sie beim Schmieden bei einer Temperatur bis zu 927°C, typischerweise 885 bis 899°C, entsteht. Die Mikrofitrufctur vor der Wärmebehandlung
ist in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht. Figur 2
zeigt alpha Plättchen einer gewissen, jedoch annehmbaren, Ausdehnung im Rahmen der hier gegebenen grundlegenden Definition der
gleichachsialen alpha Anteile. Schmiedstücke mit gröber gelängten alpha Plättchen, die weniger bruchstückartig und weniger regellos
angeordnet vorliegen, sollten als nicht-einsetzbar angesehen werden, da es ihnen an primären alpha Anteilen mangelt.In the case of the Ti 6-2-4-6 alloy, the microstructure is
The initial forging consists essentially of coaxial primary alpha crystals in a transformed beta matrix, as arises during forging at a temperature of up to 927 ° C, typically 885 to 899 ° C. The microfabrication before the heat treatment is illustrated in FIGS. 1 and 2. Figure 2
shows alpha platelets of a certain, but acceptable, extent within the framework of the basic definition given here
coaxial alpha components. Forged pieces with coarser elongated alpha platelets, which are less fragmentary and less randomly arranged, should be viewed as not usable because they lack primary alpha components.
Die Lösungs-Wärmebehandlung wird im allgemeinen bei Temperaturen bis zu etwa 927°C, vorzugsweise bei etwa 921°C, 1 bis 2 Stunden
lang durchgeführt; die Haltezeiten sind abhängig von der Abmessung der Teile, sind jedoch in jedem Fall ausreichend, um eine
relativ gleichförmige Erwärmung zu gewährleitsten. Die Temperatur der Lösung muss so ausreichend höh sein, dass die beta Phasenbildung
gesteuert werden kann, da die beta phase nachfolgend das Format der alpha Plättchen steuert. Wenn die Temperaturen der
Lösung zu hoch oberhalb der beta Umwandlung gewählt werden, erhält
man nachfolgend eine geringe Duktilität. Die Lösungs-Wärme-The solution heat treatment is generally carried out at temperatures up to about 927 ° C., preferably at about 921 ° C., for 1 to 2 hours
long carried out; the holding times depend on the dimensions of the parts, but are in any case sufficient to achieve a
to ensure relatively uniform heating. The temperature of the solution must be sufficiently high that the beta phase formation can be controlled, as the beta phase subsequently controls the format of the alpha platelets. When the temperatures of the
If the solution is too high above the beta conversion, a low ductility will subsequently be obtained. The solution heat
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behandlung wird daher grundsätzlich unterhalb der beta Umwandlungstemperatur, vorzugsweise 5f5 bis 28°C unterhalb dieser Temperatur,-in jedem Fall innerhalb etwa 55°C unterhalb dieser Temperatur durchgeführt.treatment is therefore generally below the beta transformation temperature, preferably 5 f 5 to 28 ° C below this temperature, carried out -in any case within about 55 ° C below this temperature.
Die überführung aus der Lösungs-Wärmebehandlung erfolgt direkt in das siotherme Medium, das aus einer heissen Salzschmelze oder irgend einer sonstigen gut wärmeleitenden für diesen Zweck allgemein geeigneten Substanz bestehen kann. Besonders geeignete Salze sind Chloride und Cyanide. Grundsätzlich lassen sich alle Salze verenden, deren resultierende Oberflächenkorrosionserscheinungen behoben werden können.The transfer from the solution heat treatment takes place directly in the siothermal medium, which consists of a hot molten salt or any another substance with good thermal conductivity which is generally suitable for this purpose. Particularly suitable salts are chlorides and cyanides. In principle, all salts can be used, their resulting surface corrosion phenomena can be fixed.
Die MikroStruktur und infolgedessen die Eigenschaften der Legierung sind Puktionen sowohl der Temperatur des isothermen Mediums als auch der Haltezeit darin. Die isotherme Transformationsbehandlung ermöglicht eine so ausreichende Steuerung? dass eine vollständige Transformation zu groben alpha Anteilen oder einer Mischmikrostruktur aus groben und feinen alpha Kristallen erfolgt, wenn kürzere Haltezeiten oder höhere Temperaturen der Transformation angewendet werden. Beim Arbeiten mit kürzeren Haltezeiten und höheheren Transformationstemperaturen erreicht man höhere Festigkeit, jedoch mit einem-gewissen Zugestäönis hinsichtlich der Zähigkeit.The microstructure and consequently the properties of the alloy are both the temperature of the isothermal medium and the holding time in it. The isothermal transformation treatment does such a sufficient control allow? that a complete transformation to coarse alpha components or a mixed microstructure From coarse and fine alpha crystals the transformation takes place when shorter holding times or higher temperatures are applied will. When working with shorter holding times and higher transformation temperatures, higher strength is achieved, but with a certain allowance in terms of toughness.
Dementsprechend wird die isotherme Transformation, innerhalb eines allgemeinen Temperaturbereichs von der alpha Umwandlung bis zu etwaAccordingly, the isothermal transformation, within a general temperature range from alpha conversion up to about
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1100C darüber, und dementsprechend im Bereich von etwa 760 bis 871°C, vorzugsweise bei 816 bis 857°C durchgeführt.110 0 C above, and accordingly carried out in the range from about 760 to 871 ° C, preferably at 816 to 857 ° C.
Die Abkühlung aus dem isothermen Medium kann durch Abschrecken in Wasser oder Abkühlen in Luft vorgenommen werden, wobei durch die Maßnahme der Abkühlung in Luft die Festigkeit etwas beeinträchtigt wird.The cooling from the isothermal medium can be carried out by quenching in water or cooling in air, whereby by the Measure of cooling in air the strength is somewhat impaired.
Die Alterung bzw. Nachhärtung wird in üblicher Weise und gewöhnlich im Bereich von etwa 510 bis 593 C vorgenommen.The aging or post-curing becomes usual and common in the range of about 510 to 593 C.
Für die Ti 6-2-4-6 Legierung kann die der Lösungs-Wärmebehandlung folgende gesteuerte isotherme Transformation während Zeitspannen zwischen 30 Sekungen und 2 Stunden bei 760 bis 871°C in befriedigender Weise durchgeführt und die Alterung zwischen 510 und 593°C vorgenommen werden. Bei einer bevorzugten Ausftihrungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Lösungs-Wärmebehandlung 2 Stunden bei 921°C vorgenommen, danach wird direkt in ein Salzbad von 829°C übergeführt und darin 15 Minuten gehalten und anschliessend wird auf Zimmertemperatur abgekühlt; die Alterung erfolgt 8 Stunden lang bei 593°C; nachfolgend wird in Luft abgekühlt. Mit dieser Arbeitsweise erzielt man das Optimum an Festigkeit und Zähigkeit bei dieser Legierung durch die Ausbildung von sowohl feinen als auch groben sekundären alpha Kristallen in der Mikrostruktur. For the Ti 6-2-4-6 alloy, the controlled isothermal transformation following the solution heat treatment can occur during periods of time between 30 seconds and 2 hours at 760 to 871 ° C in more satisfactory Wise carried out and the aging made between 510 and 593 ° C. In a preferred embodiment of the According to the method according to the invention, the solution heat treatment is carried out for 2 hours at 921 ° C., after which it is carried out directly into a salt bath of 829 ° C and held there for 15 minutes and then is cooled to room temperature; aging takes place for 8 hours at 593 ° C; it is then cooled in air. With this method of operation, the optimum in strength and toughness is achieved in this alloy through the formation of both fine as well as coarse secondary alpha crystals in the microstructure.
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Zugfestigkeitseigenschaften bei Zimmertemperatur und Bruchzähigkeitseigenschaften bei üblicher Behandlung gegenüber erfindungsgemässer isothermer Wärmebehandlung vergleichsweise an Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoTensile properties at room temperature and fracture toughness properties at common Treatment compared to isothermal heat treatment according to the invention comparatively on Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo
üblicher Wärmebehandlungusual heat treatment
Wärmebehandlung Zugfest Heat treatment tensile strength
kg/cm" 829°C(1 Std.)AC+593°C(8 Std.)AC 12020 kg / cm " 829 ° C (1 hour) AC + 593 ° C (8 hours) AC 12020
11930 871°C(1 Std.)AC+593°C(8 Std.)AC 1273011930 871 ° C (1 hour) AC + 593 ° C (8 hours) AC 12730
12910 899°C(4 Std.)AC+593°C(8 Std.)AC 1336012910 899 ° C (4 hours) AC + 593 ° C (8 hours) AC 13360
13515 919°C(1 Stde)AC+593°C(8 Std.)AC 1328013515 919 ° C (1 h e) AC + 593 ° C (8 hrs.) AC 13280
13310 871°C(1 Std.)OQ+593°C(8 Std.JAC 1409413310 871 ° C (1 hour) OQ + 593 ° C (8 hours JAC 14094
2 Dehnung
kg/cm %0.2% stretch
2 stretching
kg / cm%
%Rh Ductility
% Rh
(kgycm2 K IC
(kgycm 2
QO CO CO QO CO CO
ο co οοο co οο
92I0C(I Std.jSQ 76O°C (5min)AC+593°C(8 Std.)AC 921°C(2 Std.)SQ 829°C(l/2Std. AC+593°C(8 Std.)AC 916°C(2 Std.)FT 829°C(l/2Std. AC+593°C(8 Std.)AC 921°C(2 Std.)SQ 774°C (5min)AC+593°C(8 Std.)AC 921°C(2 Std.)SQ 788°C(15min) AC+593°C(8 Std.)AC 921°C(2 Std.)SQ 829°C (5mln)AC+593°C(8 Std.)AC 921°C(1 Std.)SQ 871°C (10rain)AC+593°C(8 Std.jAC92I 0 C (I hour jSQ 76O ° C (5min) AC + 593 ° C (8 hours) AC 921 ° C (2 hours) SQ 829 ° C (l / 2 hours AC + 593 ° C (8 hours) .) AC 916 ° C (2 hours) FT 829 ° C (l / 2h. AC + 593 ° C (8 hours) AC 921 ° C (2 hours) SQ 774 ° C (5min) AC + 593 ° C (8 hours) AC 921 ° C (2 hours) SQ 788 ° C (15min) AC + 593 ° C (8 hours) AC 921 ° C (2 hours) SQ 829 ° C (5mln) AC + 593 ° C (8 hours) AC 921 ° C (1 hour) SQ 871 ° C (10rain) AC + 593 ° C (8 hours jAC
Zugfestigk.O,2%Streckgr. DuktilitätTensile strength O, 2% yield strength Ductility
Dehnung kg/cm2 kg/cm2 % %U Elongation kg / cm 2 kg / cm 2 %% U
ICIC
1194011940
1180011800
1294012940
1249012490
1244012440
1341013410
1429214292
56,5 28,1 26,9 21,1 23,0 36,0 15,556.5 28.1 26.9 21.1 23.0 36.0 15.5
2 V 2 V
(kg/cm ) . (kg / cm). \ \ cmcm
6850 12000 kg/cm2 Zugfestigk.6850 12000 kg / cm 2 tensile strength
67606760
4200 127OO kg/cnT dto.4200 127OO kg / cnT dto.
7040 6650 58707040 6650 5870
4670 134OO kg/cnT dto.4670 134OO kg / cnT dto.
51205120
4250 141ΟΟ kg/cm2 dto.4250 141ΟΟ kg / cm 2 dto.
AC = Abkühlung in Luft auf Zimmertemperatur FT «■ Ofenüberführung zu angegebener Temperatur OQ = Abschrecken in öl auf ZimmertemperaturAC = cooling in air to room temperature FT «■ Oven transfer to specified temperature OQ = quenching in oil at room temperature
SQ β Abschrecken in Salzschmelze auf angegebene Temperatur t**«*SQ β quenching in molten salt on specified Temperature t ** «*
K3K3
CDCD
In der vorstehenden Tabelle sind die Zugfestigkeit bei Zimmertemperatur und die Bruchzähigkeitseigenschaften der Ti 6-2-4-6 Legierung, wenn diese in üblicher Art wärmebehandelt worden ist und wenn diese nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelt worden ist, veranschaulicht.In the table above, the tensile strength is at room temperature and the fracture toughness properties of the Ti 6-2-4-6 alloy when conventionally heat treated and if this is treated according to the method according to the invention has been illustrated.
In jedem Fall erfolgt in der ersten Verfahrensstufe eine Lösungs-Wärmebehandlung bei einer hohen im zweiphasigen Zustandsbereich gelegenen Temperatur zur Ausbildung einer geringen Menge ( 5 bis 30%, vorzugsweise etwa 10%) an gewünschten primären alpha Kristallen. Wenn die Schmiede-,. Walz-, oder Extrusionsbehandlung ihrerseits bei einer ausreichend hohen Temperatur durchgeführt wird, dann gilt diese Behandlung als Lösungs-Behandlung. Die Alterung wird in allen Fällen in üblicher Weise durchgeführt. Es ist die Steuerung der Transformation, die beim erfindungsgemässen Ver-In any case, a solution heat treatment takes place in the first process stage at a high temperature in the two-phase state range for the formation of a small amount (5 to 30%, preferably about 10%) of desired primary alpha crystals. When the forge,. Rolling or extrusion treatment itself is carried out at a sufficiently high temperature, then this treatment is considered a solution treatment. The aging is carried out in the usual way in all cases. It is the Control of the transformation that occurs in the inventive method
fahren im wesentlichen die überraschend grossen Eigenschafteverbesserungen bewirkt. Das Gesamtverfahren wird so gesteuert, dass eine geeignete Menge an nadeiförmiger alpha Phase gebildet, eine Ausbildung von zusätzlichen gleichachsigen alpha Anteilen jedoch unterdrückt wird und dabei eine ausreichende Menge an beta Phase aufrecht erhalten bleibt, so dass die gewünschten Festigkeits werte beim nachfolgenden Altern erhalten werden können.essentially drive the surprisingly large improvements in properties causes. The entire process is controlled in such a way that a suitable amount of acicular alpha phase is formed, however, the formation of additional equiaxed alpha components is suppressed and a sufficient amount of beta is thereby suppressed Phase is maintained so that the desired strength values can be maintained during subsequent aging.
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