DE2316601A1 - IMPROVEMENT OF THE LATERAL VIBRATION STRENGTH OF FORGINGS MADE OF TITANIUM ALLOYS - Google Patents
IMPROVEMENT OF THE LATERAL VIBRATION STRENGTH OF FORGINGS MADE OF TITANIUM ALLOYSInfo
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Description
UNITED AIRCRAFT CORPORATIONUNITED AIRCRAFT CORPORATION
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Priorität: USA Nr. 254.519
Patentanmeldung vom 18. Mai 1972Priority: USA No. 254,519
Patent application dated May 18, 1972
Verbesserung der Dauerschv/ingfestigkeit von Schmiedestücken aus Titanlegierungen.Improvement of the fatigue strength of forgings made of titanium alloys.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Titanlegierungen und im besonderen auf eine Wärmebehandlung solcher Legierungen.The present invention relates generally to Titanium alloys and in particular the heat treatment of such alloys.
Titanlegierungen bestehen hauptsächlich aus, in Gewichtprozent, 6% Aluminium, 4% Vanadium, Rest Titan (Ti-6Al-4V). Solche Legierungen werden schon seit mehreren Jahren in der Raumfahrtindustrie gebraucht. Die Ti-6A1-4V-Legierung tritt in zwei allotropischen Formen auf, eine bekannt als Alpha (&(. ) mit einer dicht gepackten hexagonalen Kristallstruktur, und die zweite bekannt als Beta (ß ). weist eine körperkritische kubische Struktur auf. Die β -Phase tritt gegen 996°C (bekannt als ß-Transus) und die flüssige Phase bei ungefähr 165O°C auf. Unterhalb 996°C ist sowohl die oi als auch die A -Phase vorhanden.Titanium alloys mainly consist of, in percent by weight, 6% aluminum, 4% vanadium, the remainder titanium (Ti-6Al-4V). Such alloys have been used in the aerospace industry for several years. The Ti-6A1-4V alloy occurs in two allotropic forms, one known as Alpha (& (. ) With a close-packed hexagonal crystal structure, and the second known as Beta (ß). Has a body critical cubic structure. The β Phase occurs around 996 ° C (known as ß-transus) and the liquid phase occurs at around 165O ° C. Below 996 ° C, both the oi and A phases are present.
In der Vergangenheit wurde diese Legierung in dem c^ ~ß Bereich behandelt und in ausgeglühtem in ot-3 lösungbehandeltem überaltertem Zustand (STOA) gebraucht. Eine ausführliche Untersuchung der Einflüsse verschiedener Behandlungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften der Ti-6Al-4V Legierung ist in einem Schriftsatz betitelt Effect of Microstructure on the FractureIn the past, this alloy was treated in the c ^ ~ ß area and used in the annealed in ot-3 solution treated overaged condition (STOA). A detailed examination of the influences of various treatment parameters on the mechanical properties of the Ti-6Al-4V alloy is given in a brief entitled Effect of Microstructure on the Fracture
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. - 2 - , 231660 7. - 2 -, 231660 7
Properties of Titanium Alloys in Air and Salt Solution, .Properties of Titanium Alloys in Air and Salt Solution,.
R.E. Curtis and W.F. Spurr, Transactions of the ASM, Volume 61, page 115 (1968), beschrieben.RE. Curtis and W.F. Spurr, Transactions of the ASM, Volume 61, page 115 (1968).
Wie in einer Publikation der American Helicopter Society vom 20. Mai 1971 jedoch angegeben hat es sich gezeigt dass die Dauer- Schwingfestigkeiten von Schmiedestücken mit kleinem und grossem Durchmesser stark voneinander abweichen obschon nur kleine oder keine Abweichungen in der Zugbeanspruchung festgestellt werden konnten. Untersuchungen haben ergeben dass z.B. bei niedrigerAs in a publication by the American Helicopter Society dated May 20, 1971, however, it has been shown that the fatigue strengths for forgings with small and large diameters differ greatly from one another, although only small or no deviations in the tensile stress could be determined. Studies have shown that e.g. at lower
70 ' - 70 '-
Beanspruchung und hoher Frequenz (10 - 10 ) Unterschiede in der Dauerschwingfestigkeit von; von Stangen mit kleinem Durchmesser, abgeschnittenen Teststücken und kleinen und grossen durch bekannte^ - β Schmiedeverfahren hergestellten Schmiedestücken von 2:1 und höher auftreten können. Somit, obschon Ti-6A1-4V Legierungen schon ausgiebig im Gebrauch sind wurde das Problem einer befriedigenden Dauerschwingfestigkeit in grossen Schmiedestücken noch nicht gelöst.Stress and high frequency (10 - 10) differences in fatigue strength of ; small diameter bars, cut test pieces, and small and large forgings made by known ^ - β forging processes of 2: 1 and higher can occur. Thus, although Ti-6A1-4V alloys are already extensively in use, the problem of satisfactory fatigue strength in large forgings has not yet been solved.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit grosser Schmiedestücke aus Titanlegierung, insbesondere auf die Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit bei niedriger Beanspruchung und hoher Frequenz.The present invention relates to a method for improving the fatigue strength of large titanium alloy forgings, in particular to improve the fatigue strength at low stress and high frequency.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verfahren in einem Lösungsglühen der Legierung oberhalb oder nahe der ß> Transus Temperatur, einer schnellen Abkühlung der Legierung, vorzugsweise durch Wasserabschreckung und nachfolgender Behandlung durch eine Alterungswärmebehandlung, vorzugsweise nahe der oberen Grenze der Alterungstemperatur, um Ueberalterung zu erhalten.In a preferred embodiment, the method consists in a solution treatment of the alloy above or near the β> transus temperature, a rapid cooling of the alloy, preferably by water quenching and subsequent treatment by an aging heat treatment, preferably near the upper limit of the aging temperature, in order to obtain overaging.
Gemäss der bevorzugten Ausführungsform für die Ti-6A1-4V Legierung wird ein Schmiedestück zu einer Tempeiatur um 0 bis 55 C oberhalb der y>- Transus Temperatur, welche bei dieser Legierung ungefähr 996 C beträgt und von den Herstellungsbedingungen abhängt, erwärmt und bei dieser Temperatur während ungefähr einer Stunde gehalten hierauf wird das Schmiedestück mit Wasser abgeschreckt und einer Ueberalterung während ungefähr '3 Stunden bei ungefähr 732°C unterworfen. Diese bevorzugte Behandlung wird nachfolgend mit /3 .-STOA bezeichnet. 'According to the preferred embodiment for the Ti-6A1-4V alloy, a forging is heated to a temperature of 0 to 55 C above the y> -transus temperature, which is about 996 C for this alloy and depends on the manufacturing conditions, and at this temperature held for about an hour, the forging is quenched with water and subjected to aging for about 3 hours at about 732.degree. This preferred treatment is referred to below as / 3. -STOA. '
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Die Figur ist eine graphische Darstellung der Dauerschwingerscheinungen von IO cm dicken Stücken eines grossen wenig bearbeiteten Schmiedestückes bei einer konstanten Beanspruchung von 3160 kg/cm , wobei die Resultate der verschiedenen Wärmebehandlungen miteinander verglichen werden:The figure is a graphic representation of the fatigue phenomena of 10 cm thick pieces of a large, little machined forging with a constant load of 3160 kg / cm, whereby the results of the various heat treatments are compared with one another:
Die Kurve ABCD und E beziehen sich auf die respektiven Behandlungen: The curves ABCD and E relate to the respective treatments:
A - j3- STOA {11O°C - lh Stunden - Wasserabschreckung) (732°C - 3 Stunden - Luftkühlung)A - j 3 - STOA {11O ° C - 1h hours - water quenching) (732 ° C - 3 hours - air cooling)
B ~ STA <954°C - 1 3/4 Stunden - Wasserabschreckung) (538°C - 3 Stunden - Luftkühlung)B ~ STA <954 ° C - 1 3/4 hours - water quenching) (538 ° C - 3 hours - air cooling)
C - STOA (954°C - 1 3/4 Stunden - Wasserabschreckung) (7O4°C - 3 Stunden - Luftkühlung)
D - ausgeglüht (7O4°C - 3 Stunden - Luftkühlung) E - ausglühen (1010°C - 1% Stunden - Luftkühlung)
(732°C - 3 Stunden - Luftkühlung) ,C - STOA (954 ° C - 1 3/4 hours - water quenching) (7O4 ° C - 3 hours - air cooling)
D - annealed (7O4 ° C - 3 hours - air cooling) E - annealing (1010 ° C - 1% hours - air cooling) (732 ° C - 3 hours - air cooling),
Die TX-6A1-4V Legierung wurde in kritischen Helikopterteilen für verschiedene Anwendungen (in Form von geschmiedeten Teilen) z.B. für die Hauptrotorhaube benutzt. Bei diesen Anwendungen spielt die Dauerschwingfestigkeit eine wesentliche Rolle.The TX-6A1-4V alloy was used in critical helicopter parts used for various applications (in the form of forged parts) e.g. for the main engine hood. In these applications fatigue strength plays an essential role.
Es wurde gefunden, dass einige Behandlungsfaktoren die Dauerschwingfestigkeit
beeinflussen, wobei die wichtigsten Behandlungsfaktoren für T.1-6A1-4V Legierungen die Schmiedetemperatur, der
Verformungsgrad, die Abkühlgeschwindigkeit und die nachfolgenden Wärmebehandlungen sind. Ein Schmieden einer Rotörhaube bei einer
Temperatur um 28 C oberhalb der ß>-Transus Temperatur, (996 C)
wurde erfolgreich angewandt um eine Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit sowie der Bruchfestigkeit um mehr als lOQ%
gegenüber von bekanntenoc-ß-Schmiedeverfahren zu erhalten. Ein
P» - Schmieden wurde allgemein vermieden da die Formen der gebräuchlichen
Stanzwerkzeuge nur Teile mit niedriger oder keiner Verformung zulassen und in diesen Teilen ist die Dehnbarkeit klein.
Es wurde auch gefunden, dass die Dauerschwingfestigkeit durch Heraufsetzen
werden kann.It has been found that some treatment factors influence the fatigue limit, the most important treatment factors for T.1-6A1-4V alloys being the forging temperature, the degree of deformation, the cooling rate and the subsequent heat treatments. Forging a Rotörhaube at a temperature of 28 C above the β> -Transus temperature (996 C) was successfully used to improve the fatigue strength and the breaking strength by more than 10% compared to known OC-β forging processes. P »- forging was generally avoided because the shapes of the common stamping tools only allow parts with little or no deformation and in these parts the ductility is small. It has also been found that the fatigue strength can be increased by increasing it
can be.
Heraufsetzen der c^-ß-.Verformung (normalerweise 954-974 C) erhaltenIncrease the c ^ -ß. Deformation (usually 954-974 C) obtained
Es wurde giunden, dass, wie aus der Figur ersichtlich, sowohl eine ρ -Lösungsbehandlung (knapp oberhalb des β-Transus) gefolgtIt was found that, as can be seen from the figure, both a ρ solution treatment (just above the β transus) followed
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von Ueberalterung ( j3> -STOA) dieser Erfindung und U -ß-Lösungsbehandlung (knapp unterhalb des A- Transus) gefolgt von Alterung, (STA) die Dauerschwingfestigkeit um einen Faktor zwei gegenüber von überalterten oder O- —J3 — lösungsbehandelten und überalterten Schmiedestücken (STOA) heraufsetzen.' Eine STA Behandlung zieht jedoch eine Herabsetzung der Bruchfestigkeit nach sich wohingegen eine ß -STOA Behandlung eine verbesserte Bruchfestigkeit bedingtof obsolescence (j3> -STOA) of this invention and U- β solution treatment (just below the A transus) followed by aging, (STA) the fatigue strength by a factor of two compared to overaged or O- J3 - solution-treated and overaged forgings Increase (STOA). ' However, an STA treatment leads to a reduction in the breaking strength, whereas a β-STOA treatment leads to an improved breaking strength
Es wurde gefunden, dass in c^-ß-Schmiedestücken die Menge, Form und Grosse der primären oi. -Phase de'r bestimmende Faktor der Dauerschwingfesticfkeit ist. Im besonderen wurde gefunden, dass zwischen der C^ -Korrigrösse und der Dauerschwingfestigkeit ein umgekehrtes Verhältnis besteht. Demgegenüber wurde gefunden,'dass die Korngrösse nur einen geringen Einfluss auf die Dauerschwingeigenschaften hat.It has been found that in c ^ -ß forgings the quantity, shape and size of the primary oi. -Phase is the determining factor of the fatigue strength. In particular, it was found that there is an inverse relationship between the C ^ -corr size and the fatigue strength. In contrast, it was found that the grain size has only a minor influence on the continuous vibration properties.
Zehn Zentimeter dicke Stücke eines grossen wenig bearbeiteten c(-ß- Schmiedestückes wurden verschiedenen Wärmebehandlungen ausgesetzt und bei einer Dauerbeanspruchung von 3160 kg/cm geprüft. Die Dauerschwingfestigkeit des STOA Materials war ungefähr die gleiche wie jene des überalterten Materials; bei der STA Behandlung wurde nur eine geringfügige Verbesserung erhalten da der Durch- ·. messer zu gross war um gute Resultate in.dem ganzen Material zu' erhalten. Durch die ß -STOA Behandlung dieser Erfindung wurde. jedoch eine 50%ige Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit dieser Prüfstücke erhalten.Ten centimeters thick pieces of a large, little machined c (-ß- forging were subjected to various heat treatments and tested at a continuous load of 3160 kg / cm. The fatigue strength of the STOA material was approximately that same as that of the obsolete material; in STA treatment only a slight improvement was obtained as the through ·. knife was too big to get good results in all the material ' obtain. By the ß-STOA treatment of this invention was. however, a 50% improvement in the fatigue strength of these test pieces was obtained.
Da durch die fi> -STOA Wärmebehandlung Prüflinge mit grossem Durchmesser mit Bezug auf Dauerschwingfestigkeit verbessert ~ wurden, wurden weitere Versuche ausgeführt um die weiteren Eigenschäften zu vergleichen, insbesondere Bruchfestigkeit und Rissfortsetzung. Die Resultate der Versuche zur Bestimmung der Riss-Since the fi> -STOA heat treatment improved specimens with a large diameter with regard to fatigue strength, further tests were carried out to compare the other properties, in particular breaking strength and crack propagation. The results of the tests to determine the crack
"2 festigkeit bei einer konstanten Beanspruchung von +1410 kg/cm ergaben dass die STA Behandlung für Prüflinge grossen Durchmessers unwirksam ist wohingegen die ß -STOA Behandlung eine bis zu 3fache Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit überalterten Materials ergab. Bei der Bestimmung der Bruchfestigkeit waren die Resultate 5630 kg/cm2, fern für STA Material? 6750 kg/cm2 · feit? für überaltertes Material und 7870 kg/cm2· /cm1 für β -STOA Material."2 strength at a constant load of +1410 kg / cm showed that the STA treatment is ineffective for test specimens with large diameters, whereas the ß-STOA treatment resulted in up to 3-fold improvement in the fatigue strength of overaged material. When determining the breaking strength, the results were 5630 kg / cm 2 , fern for STA material? 6750 kg / cm 2 · feit? for overaged material and 7870 kg / cm 2 · / cm 1 for β-STOA material.
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Aus diesen Resultaten geht hervor, dass durch die bekannte STA Wärmebehandlung wesentliche Verbesserungen der Dauerschwingfestigkeit erhalten werden können wenn der Durchmesser der Schmiedestücke klein genug ist, d.h. weniger als ungefähr 4,8 cm Dicke. Hierbei wird jedoch die Bruchfestigkeit auch herabgesetzt. Eine R-STOA Behandlung ist auch bei Prüflingen mit grossem Durchmesser wirksam und resultiert in einer Verbesserung der Rissfestigkeit und Bruchfestigkeit sowie in einer Herabsetzung der Wachstumsgeschwindigkeit der Spannungsrisse. Obschon die Dehnbarkeit herabgesetzt ist gleichen die verbesserten Dauerschwingeigenschaften dieses jedoch in vielen Anwendungsgebieten aus.These results show that the well-known STA heat treatment significantly improves the fatigue strength can be obtained if the diameter of the forgings is small enough, i.e. less than about 4.8 cm Thickness. However, this also reduces the breaking strength. An R-STOA treatment is also for test items with a large Effective diameter and results in an improvement in the crack resistance and breaking strength as well as in a reduction the speed of growth of the stress cracks. Although the extensibility is reduced, the improved fatigue properties are the same however, this is the case in many areas of application.
Das bevorzugte & -STOA Verfahren der vorliegenden Erfindung angewandt auf T1-6A1-4V Legierungen umfasst: Lösungsglühen der Legierung bei einer Temperatur um 0 bis 55 C oberhalb der ß~ Transus Temperatur, oder aber in Grenzen von ungefähr 996 bis 1197 C, während einer Zeit bei welcher eine Lösung gewährleistet ist, ungefähr 1 bis 2 Stunden; schnelles Abkühlen der Legierung (vorzugsweise Wasserabschreckung)j Erwärmung der Legierung zu einer hohen Temperatur im Alterungstemperaturbereich der Legierung,, (normalerweise ungefähr 677 bis 732 C) während einer Zeit bei welcher eine Anhäufung der verstärkenden Phasen gewährleistet ist (ungefähr 3 bis 4 Stunden) bekannt als Ueberalterungy und Luftkühlung.The preferred & -STOA method of the present invention applied to T1-6A1-4V alloys comprises: solution annealing of the alloy at a temperature of 0 to 55 C above the β ~ Transus temperature, or within limits of about 996 to 1197 C for one Time at which a solution is ensured, approximately 1 to 2 hours; rapid cooling of the alloy (preferably water quenching) j heating of the alloy to a high temperature in the aging temperature range of the alloy, (usually about 677 to 732 C) during a time in which an accumulation of the reinforcing phases is guaranteed (about 3 to 4 hours) as obsolescence and air cooling.
3 0 H '6 k 8 / G 7 8 ?3 0 H '6 k 8 / G 7 8?
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