DE2258523C3

DE2258523C3 - Titanlegierung

Info

Publication number: DE2258523C3
Application number: DE19722258523
Authority: DE
Original assignee: Glasunov, Sergej G.; Solonina, Olga P.; Uljakova, Nina M.; Kurajeva geb. Tkatscheva, Vera P.; Ljapitscheva, Nadeschda
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1978-02-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Titanbasis. Die Legierung gemäß der Erfindung kann bei der Herstellung von Maschinenteilen, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, z. B. bei der Herstellung von Schaufeln und Trommeln von Verdichtern moderner Gas- und Dampfturbinen, in großem Umfang verwendet werden.

Legierungen auf Titanbasis mit guten mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 500 bis 550'C (Warmfestigkeit) haben die Tendenz zum Senken der thermischen Stabilität, d. h. es entsteht die Neigung zur Erhöhung der Sprödigkeit bei erhöhten Temperaturen (450 bis 550C). Diese Erscheinung begrenzt die Lebensdauer bzw. Haltbarkeit der Legierung bei erhöhten Temperaturen.

In der DT-OS1608 !14 ist eine Legierung mit folgender Zusammensetzung beschrieben: 15 bis 40% Tantal, 0,01 bis 5% Platinmetalle und/oder Gold bzw. Rhenium, Rest Titan und Verunreinigungen.

Der sehr hohe Gehalt an Tantal, der für diese bekannte Legierung zwingend vorgeschrieben ist, bedingt einen unverhältnismäßig hohen Preis, insbesondere, da diese Legierung für solche Zwecke vorgesehen ist, bei denen es auf Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion ankommt.

In der DT-AS 2000 256 ist eine Titanlegierung mit folgender Zusammensetzung beschrieben: 5,5 bis 6,5% Aluminium, 0,5 bis 2,5% Zirkonium, 1,5 bis 4,0% Zinn, 0,5 bis 1,5% Molybdän, 1,0 bis 2,0% Wolfram, 0,05 bis 0,25% Silizium und Rest Titan; der Sauerstoffanteil soll kleiner als 0,2% und andere Bestandteile einschließlich eventueller Verunreinigungen sollen in weniger als 0,4% anwesend sein.

Diese bekannte Legierung ist für die Verwendung als Werkstoff für Gegenstände bestimmt, die neben einer Dichte von 4,5 bis 4,6 kg/dm³ eine Zugfestigkeit von mindestens 84 kp/mm² bei Raumtemperatur, gute thermische Stabilität und Kriechverformung von weniger als 0,2 % nach einer Belastung von 35,15 kp/mm² während 100Stunden bei 510"C aufweisen müssen.

Bei Raumtemperaturen weist die Zugfestigkeit dieser bekannten Legierung Werte von 84 bis 108 kp/mm² auf, während die Tabellen dieser Vorveröffentlichung zeigen, daß bei Temperaturen um 5OOⁿC die Zugfestigkeit etwa 70 kp/mm² beträgt.

Die Ausführungsbeispiele für die Legierung gemäß vorliegender Erfindung zeigen demgegenüber, daß die beanspruchte Legierung bei Raumtemperatur Werte zwischen 98 und 120 und bei Temperaturen von 500 C 82 bis 93 kp/mm² ergeben.

In der genannten Vorveröffentlichung sind Werte für die Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden bei 500 C nicht angegeben. Diese Werte geben ein Maß für die Warmfestigkeit der Legierung. Da aber die Zugfestigkeit der bekannten Legierung bei 500' C vergleichsweise zur beanspruchten Legierung geringer ist, ist daraus zu schließen, daß die derart bestimmte Warmfestigkeit bei der bekannten Legierung ebenfalls geringer ist.

In der DT-OS 17 58 010 sind hochwarmfeste Legierungen mit Anteilen an Rhenium und Hafnium beschrieben. Rhenium und Hafnium sollen in einer Gesamtmenge von 1 bis 12Gew.-% enthalten sein

ίο und das Gewichtsverhältnis zwischen Rhenium und Hafnium soll zwischen 1,7 : 1 und 2,5: 1 Hegen. Daraus folgt, daß der Mindestgehalt an Rhenium 0,63 Gew.-% beträgt

Bei der bekannten Legierung für hohe Festigkeiten auch bei hohen Temperaturen geht man davon aus, daß eine y-Phase Ni₃ (Al, Ti) vorliegen soll, neben der zusätzlich die Phase Re₂Hf sich in der Matrix ausscheiden soll. Dies wird durch das angegebene Gewichtsverhältnis derMetalle Rhenium und Hafnium und durch deren Menge in der Legierung bewirkt.

Ein solcher Mechanismus zur Erzielung hoher

Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen tritt bei der hier beanspruchten Legierung nicht ein, weil diese Legierung frei von Nickel und Hafnium ist und Rhenium in wesentlich kleineren Mengen enthält. Die beanspruchte Legierung wird somit durch diese bekannte Legierung nicht nahegelegt.

In der DT-AS 1082418 sind Titanlegierungen beschrieben, die folgende Bestandteile in Gew.-% enthalten: 0,25 bis 7,5 Aluminium, 2 bis 23 Zinn, 0,5 bis 20 Zirkonium, 0,25 bis 20 Molybdän und Chrom, 0,5 bis 1,5 Wolfram, 0,25 bis 2 Silizium und eine Reihe anderer möglicher Zusätze.

Die bekannte Legierung hat jedoch keine ausreichend hohen Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen (Warmfestigkeit) und nur geringe thermische Stabilität bei Temperaturen von 500 bis 550 C.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung auf Titanbasis mit weiteren Bestandteilen anzugeben, die die Kennwerte der Warmfestigkeit und thermischen Stabilität der Legierung während des Einsatzes derselben bei erhöhten Temperaturen verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient die im Patentanspruch angegebene Legierung.

Die Legierung auf Titanbasis weist dank dem angegebenen bestimmten Verhältnis der Bestandteile und dem Rheniumgehalt eine hohe Warmfestigkeit und thermische Stabilität bei 500"C und eine Lebensdauer von mehr als 2000 Stunden auf.

Es wird vorgeschlagen, in die Legierung auf Titanbasis Rhenium einzuführen, da festgestellt wurde, daß das zusätzliche Legieren von Titanlegierungen mit Rhenium zur Erhöhung der Warmfestigkeit der Legierung und der Verfeinerung ihres Gefüges, d. h. der Modifikation der Legierung, beiträgt, was sich beim Schweißen auf das Gefüge der Schweißnaht der Erzeugnisse aus der erfindungsgemäßen Legierung auf Titanbasis günstig auswirkt. Untersuchungsergebnisse zeigten, daß es zweckmäßig ist, Rhenium in einer Menge von 0,05-0,1 Gew.-% einzuführen. Beim Einführen einer geringeren Rheniummenge wird kein positiver Effekt beobachtet. Das Einführen einer 0,1 Gew.-% überschreitenden Rheniummenge vermindert die Verformbarkeit (bei Zimmertemperatur) und die thermische Stabilität der Legierung.

Aluminium in der Legierung begünstigt die Erhöhung ihrer Warmfestigkeit Bekanntlich stabilisiert Aluminium die α-Phase, wobei die Legierungen, welche nur die or-Phase enthalten, ihre Warmfestigkeitseigenschaften bei höheren Temperaturen gegenüber den zweiphasigen a-jS-Legierungen behalten. Daher ist die einphasige Legierung beim Herstellen von Erzeugnissen äußerst wünschenswert, die geschweißt werden, da die Erwärmung und Abkühlung des Erzeugnisses beim Schweißen und der darauffolgenden Wärmebehandlung kein grobkörniges Gefüge und damit keine Sprödigkeit hervorruft

Die Einführung von Zinn im erwähnten Bereich erhöht auch die Warmfestigkeit des Titans, ohne seine Verformbarkeit zu vermindern.

Der maximale die Festigkeit erhöhende Effekt durch das Einführen von Zirkonium wird ohne bedeutende Erhöhung des spezifischen Gewichts der Legierung bei einem Zirkcniumgehalt von 0,5-2,0 Gew.-% erhalten. Beide Elemente, Zirkonium und Zinn, stabilisieren die <7-Phase.

Molybdän stabilisiert die jS-Phase. Molybdän wird in die Legierung zum Erhöhen des Verfestigungseffekts, der durch das Legieren des α-Anteils der festen Lösung erhalten wird, und auch zum Erzeugen einer gewissen geringen Menge an jö-Phase, die zum Ermöglichen der durchzuführenden Wärmebehandlung erforderlich ist, sowie zum Erhöhen der technologischen Verformbarkeit eingeführt. Deshalb soll der Molybdängehalt höchstens 2,7 Gew.-% und mindestens 1,5 Gew.-% betragen. Die Erhöhung des Molybdängehalts über 2,7 Gew.-% ist unerwünscht, da die Vergrößerung des Gehalts an restlicher jS-Phase eine Verschlechterung der Kriechfestigkeit, der thermischen Stabilität und auch der Schweißbarkeit der Legierung hervorruft.

Geringe Mengen von Chrom (0,2-0,5 Gew.-%), Silizium (0,1-0,35 Gew.-%) und Wolfram (0,2-l,2Gew.-%) gewährleisten eine hohe Kriechfestigkeit und Hitzebeständigkeit der Legierung. Daher besitzt die erfindungsgemäße Legierung auf Titanbasis, welche in Gew.-% 6,0-7,5 Aluminium, 0,5-2,0 Zirkonium, 0,5-2,0 Zinn, 1,5-2,7 Molybdän, 0,2-1,2 Wolfram, 0,1-0,35 Silizium, 0,2-0,5 Chrom, 0,05-0,1 Rhenium bei einem Titanrestgehalt enthält, hohe Zeitstand- und Kriechfestigkeit bei Temperaturen von 500-550C.

Außerdem führt die thermische Stabilität der Legierung zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Legierung bei 500'C auf 6000 Stunden.

Die erfindungsgemäße Legierung hat ein spezifisches Gewicht von 4,5 kp/dm³, sie ist im warmen Zustand befriedigend verformbar sowie für die Elektronenstrahl- und Argon-Fluor-Lichtbogenschweißung geeignet. Aus der erwähnten Legierung können geschmiedete, gepreßte, gewalzte und gestanzte Halbfabrikate hergestellt werden.

Weitere Ziele und Vorteile der Legierung werden nachstehend durch die eingehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen verständlich.

Beispiel 1

Eine Legierung, die in Gew.-% enthält: 6 Aluminium, 0,5 Zirkonium, 0,5 Zinn, 1,5 Molybdän, 0,2 Wolfram, ü,l Silizium, 0,2 Chrom, 0,05 Rhenium bei einem Tilanrestgehalt, besitzt nach der Erwärmung auf 950C, einer Haltezeit von 1 Stunde, Luftkühlung und nochmaliger Erwärmung auf 550C, einer Haltezeit von 6Stunden, Luftkühlung folgende Kennwerte:

Geschmiedeter Stab mit 12 mm Durchmesser

Festigkeitswerte	Temperatur, 'C	500
	20	82
Bruchfestigkeit, kp/mnr	98	62
Streckgrenze, kp/mm²	87	20
Dehnung bei 5 Durchmessern	15
Stablänge, %		56
Einschnürung, %	35	62
Zeitstandfestigkeit nach 100 h, kp/mm² Kriechfestigkeit nach 100 h bei	—	32
0,2% bleibender Verformung,	—
kp/mm²

Wenn die Probe 6 000 Stunden bei 500⁰C ohne Spannung gehalten wurde, betrug noch die in gleicher Weise gemessene Dehnung S% und die Einschnürung 12%.

Beispiel 2

Die Legierung enthält in Gew.-% 7,5 Aluminium, 2 Zirkonium, 2 Zinn, 2,7 Molybdän, 1,2 Wolfram, 0,5 Chrom, 0,35 Silizium, 0,1 Rhenium bei einem Titanrestgehalt Die erwähnte Legierung wird nachstehender Wärmebehandlung unterzogen: Erwärmung auf 950⁰C, Haltezeit 1 Stunde, Luftkühlung und Erwärmung auf 550"C, Haltezeit 6 Stunden. Ein geschmiedeter Stab (mit 12 mm Durchmesser), der aus dieser Legierung hergestellt ist, besitzt nach der Wärmebehandlung folgende Kennwerte:

Festigkeitswerte	Temperatur, "C	500
	20	93
Bruchfestigkeit, kp/mm²	119	80
Streckgrenze, kp/mm²	110	15
Dehnung bei 5 Durchmessern	10
Stablänge, %		39
Einschnürung, %	30	72
Zeitstandfestigkeit nach 100 h,	-
kp/mm²		40
Kriechfestigkeit nach 100 h bei	-
0,2% bleibender Verformung,
kp/mm²

Wenn die Probe 6 000 Stunden bei 500° C ohne Spannung gehalten wurde, betrug noch die in gleicher Weise gemessene Dehnung 3% und die Einschnürung 6%.

Beispiel 3

Die Legierung enthält in Gew.-% 6,7 Aluminium, 1,6 Zirkonium, 1,9 Zinn, 2,4 Molybdän, 0,3 Chrom, 1,0 Wolfram, 0,2 Silizium, 0,05 Rhenium bei einem Titanrestgehalt.

Die erwähnte Legierung wird nachstehender Wärmebehandlung unterzogen: Erwärmung auf 950'¹C, Haltezeil 1 Stunde, Luftkühlung und Erwärmung auf 550'C, Haltezeit 6 Stunden, Luftkühlung.

Nachstehend sind die Festigkeitseigenschaften von geschmiedeten Stäben mit 12 mm Durchmesser, die aus dieser Legierung hergestellt sind, angegeben.

22 58 523	Festigkeitswerle	Temperatur, I"	500
	20	88
Bruchfestigkeit, kp/mnr	115	70
Streckgrenze, kp/mm²	105	17
Dehnung bei 5 Durchmessern	12
Stablänge, %		45
Einschnürung, %	32	70
Zeitstandfestigkeit nach 100 h.	-
kp/mm²		36
Kriechfestigkeit nach 100 h bei	-
0,2% bleibender Verformung,
kp/mm²

Wenn die Probe 6 000 Stunden bei 500⁰C ohne Spannung gehalten wurde, betrug noch die in gleicher Weise gemessene Dehnung 6% und die Einschnürung 10%.

Claims

Patentanspruch

Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 6,0 bis 7,5% Aluminium, 0,5 bis 2,0% Zirkonium, 0,5 bis 2,0% Zinn, 1,5 bis 2,7% Molybdän, 0,2 bis 1,2% Wolfram, 0,1 bis 0,35% Silizium, 0,2 bis 0,5% Chrom, 0,05 bis 0,1% Rhenium, Rest Titan, besteht.