DE2316891C2

DE2316891C2 - Verfahren zur Verarbeitung einer Titanlegierung

Info

Publication number: DE2316891C2
Application number: DE2316891A
Authority: DE
Inventors: Howard Brubaker Canfield Ohio Bomberger jun.; Stanley Robert Willard Ohio Seagle
Original assignee: United States Steel Corp; National Destillers and Chemical Corp
Current assignee: Millennium Petrochemicals Inc; United States Steel Corp
Priority date: 1972-04-05
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1983-12-15
Also published as: DE2316891A1; GB1433371A; US3833363A; CA966334A; USRE29946E; FR2179055B1; FR2179055A1

Description

23 16 391

bei einer Vorschubgesch^öpdigkeit von 0,127 mm/Min bis zur Streckgrenfe geprüft und danach, bei einer Spannkopfgeschwindigkeit von 5,08> mm/Min bis zum Bruch. Des weiteren, wiirdeh Kerbschlagzähigkeitsversuche durchgeführt, wobei der genormteASTM Y-Kerben-Charpy-Test bei —40°C durchgeführt wurde. Bei diesem Test-wurden Werte von 0^743 j/cm^oder höhe? im allgemeinen als für/die; "Titanl^gi ertragenannehmbajbetrachtet Die im folgenden' angeführteTabelle Π enthält die Ergebnisse der Zug- und Kerbschlagzähigkeitsversuche. . ^: ;- ■:-, ..·_Λ-■■-.■■-·■-■·?■--■—

Tabelle I Chemische Zusammensetzung von verschiedenen Ίϊ-6264-Legienragen in %

Charge Nr.

Al

Sn

Zr

Fe

Si

20039
21004
20043
21005
27277
21006

Spez I¹) Max
Min

Spez 2²J Max
Min

5,9
6,0
6,1
6,1
6,0

ea

5^

64
54

2,0

2,1

2^5

1,75

1,80

4,0 4,0 4,0 3,8 3,9 4,2

44 34 4,4 3,6

1,90 1,85 1,85 2,00 2,00 140

1,80/

2,20) 1,80/ 0,04
0,04
0,05
0,04
0,05
0,04

0,25
0,25

0,100
0,075
0,103
0,090
0,089
0,088

0,15
0,15

0,008
0,006
0,010
0,007
0,006
0,007

0,04
0,05

0,01
0^)2
0,02
0,01
0,02
0,01

0,04
0,05

0,030 0,056 OgOK) 0,090 0,200 0,090

³)

') Pratt & Whitney Specification 1209D (15. Februar 1971). *) General Electric Specification C50TF39-1T (18. März 1971). ³) nicht spezifiziert

Tabelle II Spanimngs- und Kerbschlagzähigkeits-Eigenschaften von 6242~Titan-Legierung3-Modifikationen

Charge¹)	Si	-40⁰C²)	22/C	Streck	Deh	Bruch	482° C	Streck-	Deh	Bruch-
Nr.		Kerb-	Zugfestig	grenze	nung	einschnü	Zugfestig	gTcnze	nung	einichnü-
		schlag-	keit			rung	keit			ruag
		zähig-
		keit		N/mm²	%			N/mm²	%	%
	%	J/cm²	N/mm²	1030,0	164	45,0	N/mm²	622,9	19,5	49,5
20039	0,030	0,01204	11084	1015,9	15,0	40,3	817,2	637,6	16,0	43,5
21004	0,056		1128,2	1044,8	14.0	35,5	804,4	651,4	16,0	42,6
20043	Ü.OSO	0,00911	1147,8	1010,4	16,0	40,1	837,8	651,4	15,0	38,8
21005	0,090	0,00956	11183	1059,5	12,5	33,9	845,6	651,4	154	36,8
27277	0,200	0,00654	1147,«	1020,2	15,0	404	830,9	630,8	Π4	46,7
21006	0,090³)		1098,7			8093

') 5/8-Zollstab; Wärmebehandlung: (Beü-Übergang-3,89°C}-ihr-Wechselstrom; 593° C-ehr-Wechjelstrom.

²) ASTM Charpy V-Kerbschlag-Standardversuch.

³) Niedriger Molybdängehalt (1,5%).

Die Tabelle II zeigt, daß ein Zusatz an Silicium einen mäßigen Anstieg der Streckgrenze der Legierung und eine entsprechend geringe, jedoch doch annehmbare Abnahme der Zähigkeit bzw. Verformbarkeit mit sich bringt Die Kerbschlagzähigkeit, die als Maß die Stoßenergie hat, verringert sich immer stärker, je mehr Silicium zugesetzt wird, fällt jedoch solange nicht unter einen annehmbaren Wert ab, wie der Siliciumgehalt innerhalb der eingangs genannten kritischen Grenzen¹ bleibt Obgleich das Verfahren zu einem Rückgang der Kerbschlagzähigkeit füh;i, wird mit ihm eine wesentliche Zunahme an benötigter Kriechfestigkeit erreicht wie dies im folgenden gezeigt werden soll.

F i g. 1 zeigt schaubildlich die Wirkung von Silicium auf die Kerüschlagzlhigkeit Solange wie der Siliciumgehalt der Legierung nicht die obere Grenze von etwa 0,13% übersteigt, fällt die Kerbschlagzühigkeit nicht unter den im allgemeinen annehmbaren Minimalwert

von 0,00743 J/cm² ab.

Es wurden mit den Proben Kriechversuche durchgeführt indem diese Proben einer Spannung von 241 N/mm² bei 510⁰C ausgesetzt wurden. Sowohl die

Zeit, bei der jede Probe eine Verformung von 0,1% erreichte, als auch das Ausmaß dieser Verformung nach 100 Stunden wurden aufgezeichnet. Zur Messung der Verformung wurde ein optisches Dehnungsmeß-System

benutzt. Es wurden auch Zugversuche an den Proben ausgeführt, nachdem diese dem Kriechvorgang ausgesetzt worden waren. Die im folgenden aufgezeichnete Tabelle III enthält die entsprechenden Ergebnisse.

Tabelle III Kriecheigenschaften von gewalztem 5/8-ZoII Stab aus 6242 Titanlegierungs-Modiflkationen

Charge²)	Si	Kriechversuche¹)	0,1%	Gesamt	Verfor	Zugversuche	bei 26,2° C	Dehnung	Brachein
Nr.		Gesamt- Zeit Tür		verfor	mung bei	Zugfestig	Streck		schnürung
		zeit		mung	100 h	keit	grenze
			Kriechversuch	%	%			%	%
	%	h	IO 1 U			N/mm²	N/mm²	16,5	45,0
20039	0,030	kein	14	0,2!	0,19	1108,5	1030,0	17.0	4OJ
		1 1 A 1 1"T	Kriechversuch	0,19	0,18	111« 1	inis.3	17,0	42,9
		115	25			1118,3	1015,3	15,0	40,3
21004	0,056	kein	140	0,16	0,16	1128,2	1039,8	16,0	36,1
		99	37	0,08	0,08	1137,9	1039,8	16,5	35,0
		98	Kriechversuch	0,12	0,12	1172,3	1064,4	15,0	34,8
		91	60			1108,5	1000,6	14,0	35,5
20043	0,080	kein	120	0,12	0,12	1147,8	1044,8	16,5	34,3
		98	Kriechversuch	0,09	0,09	1167,4	1064,4	15,0	32,9
		91	44			1177,2	1064,4	16,0	40,1
21005	0,090	kein	>200	0,13	0,13	1118,3	1010,4	17,5	39,1
		100	Kriechversuch	0,06	0,05	1128,2	1039,8	10,0	15,5
		103	43			1103,6	969,2	12,5	33,9
um	0,200	kein	35	0,15	0,14	1147,8	1067,4	15,0	24,6
		107		0,13	0,13	1167,4	1088,9	15,0	30,8
		108		1152,7	1069,3

') 510° C-241 N/mm².

²) Wärmebehandlung: (Beta-Übergang-3,89° C>lh-Wechselstrom; 593° C-8h-Wechselstrom.

Die Bruchspannungsversuche an den Proben wurden bei 538° C durchgeführt, wobei Spannungen von 480,7 N/mm² und 508,2 N/mm² benutzt wurden. In der Tabelle IV sind die Ergebnisse wiedergegeben.

Tabelle IV Wirkung von Siliciumzusätzen auf die Bruchspannungsfestigkeit von 6242-Titanlegierungsmodifikationen bei

538° C

Chargen-Nr.⁴)	Si	480,7 N/mm²	69	Dehnung	515,1 N/mm²	Dehnung
		Brachzeit	>281')	%	Brachzeit	%
	%	h	>282²)	25	h	³)
20039	0,030	135	26	55	³)
21004	0,056	104	23	110	³)
20043	0,080		25	110	29
21005	0,ü90	35	114	41
27277	0,20	77

') Last nahm zu bis 515,1 N/mm² in 281 h, und der Brach erfolgte nach einer Gesamtzeit von 387 h.

²) Last nahm zu bis 515,1 N/mm² in 282 h^ und der Brach erfolgte dann nach einer Gesamtzeit von 342 h.

³) Gedehnt solange, wie dies die Zerreißmaschine ermöglichte.

⁴) 5/8 Zoll-Stab; Wärmebehandlung: (Beta-Übergang-3,89° Q-lh-Wechsebtrom; 593° C-8b-WechseIstrom.

F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellung der in den Tabellen III und IV enthaltenen Ergebnisse. In der Kurve X ist die Durchschnittszeit bis zur Erreichung einer Verformung von 0,1% in Abhängigkeit von dem Siliciumgehalt aufgetragen. Diese Kurve zeigt in der Kriechfestigkeit eine gut ausgebildete Spitze, wenn die Legierung einen Siüciumgehalt von etwa 0,10% aufweiv wobei jedoch ein etwas geringerer Siliciumgehalt vorgezogen wird, weil andere Eigenschaften bei 0,10% Silicium möglicherweise nachteilig beeinflußt werden.

Jeder Punkt auf der Kurve stellt den Durchschnittswert von wenigstens zwei Versuchen dar. Das Minimum der annehmbaren Zeit für die 0,1%-Verformung unter einer laufenden Spezifikation ist 35 Stunden. Die 6264-Legierung, die nur einen Restgehalt an Silicium aufweist, erfüllte diese Spezifikation nicht, wie durch den Punkt A auf der Kurve X ersichtlich ist. Die Legierung mit einem Siliciumgehalt von 0.2% erfüllte diese Spezifikation fast, wie durch den Punkt B auf der Kurve X angezeigt wird, war jedoch in anderer Hinsicht nachteilig, wie aus den Ergebnissen der Kerbschlagzähigkeitsversuche entnommen werden kann. Die Kurve Y, auf der die Bruchzeit bei 538° C in Abhängigkeit von

dem Siliciumgehalt aufgetragen ist, läuft im Bereich des optimalen Siliciumgehaltes über den Skalenmaßstab des Schaubilds hinaus, fällt danach aber schroff ab.

F i g. 3 zeigt graphisch eine zusätzliche Aussage der Tabelle III hinsichtlich der Wirkung des Siliciums auf die Kriechverformung. Diese Kurve, bei der die bleibende Verformung in 100 Stunden in Abhängigkeit von dem Siliciumgehalt aufgetragen ist, zeigt wiederum ein Minimum in der Nähe des optimalen Siliciumgehalts. Die Punkte A und B in F i g. 3 entsprechen den Punkten Λ und Bin F ig. 2.

Die obigen Ergebnisse sind für den Fachmann durchaus überraschend, da er von der Annahme ausgehen konnte, daß die Abhängigkeit zwischen der Zeit bis zur Erreichung einer Verformung von 0,1% und dem Siliciumgehalt zwischen den Punkten A und B in F i g. 2 annähernd einer geraden Linie folgt und keine Spitze, also ein Maximum erreicht.

Somit wird durch das im obigen beschriebene Verfahren zur Verarbeitung einer Titanlegierung der genannten Zusammensetzung eine außerordentlich verbesserte Kriechfestigkeit in Verbindung mit einer guten Kerbschlagzähigkeit erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

kann, daß eine abschließende plastische Verfonnung
Patentanspruch: vom /J-Temperaturgebiet bisJunein in das «+/J-Tempe-
ranirgebiet durchgeführt wird.
Verfahren zur Verarbeitung einer Titanlegierung Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das
aus 5,5 bis 6,5% Aluminium, 1,7 bis 23% Zinn, 0,7 bis 5 Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubil-
5,0% Zirkonium, 0,7 bis 3,0% Molybdän, 0,04 bis den, daß das herzustellende Trianlegierungsprodukt
oil3% Silicium, Rest Titan mit zulässigen Beimen- nicht nur eine ausreichende Zugfestigkeit und Kriechfe-
gungen in ein Endprodukt mit einem ct/JJ-Gefüge stigkeit, sondern auch eine überraschend hohe Kerb-
sowie einer Mindestkerbschlagzähigkeit von Schlagzähigkeit bei Siliciumzusätzen la dem genannten
0,00743 J/cm² bei minus 40⁰C und einer Kriechdeh- io Bereich aufweist.
nung von 0,1 % während minimal 35 Stunden unter Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
einer Spannung von 241 N/mm² und einer Tempera- daß ein Gußstück auf etwa 1150⁰C erhitzt, dann
tür von 510⁰Q dadurch gekennzeichnet, geschiniedet, auf995°C erhitzt, wieder geschmiedet, auf
daß ein Gußstück auf etwa 1150⁰C erhitzt, dann 940⁰C erhitzt und aus dieser Temperatur gewalzt, bei
geschmiedet, auf 995°C erhitzt, wieder geschmiedet, ΐί 14°C unterhalb der jJ-Umwandlungstemperatur eine
auf 940⁰C erhitzt und aus dieser Temperatur Stunde lang geglüht und luftgekühlt, schließlich bei etwa
gewalzt, bei 14°C unterhalb der ß-Umwandlungs- 593°C acht Stunden zur Stabilisierung geglüht und
temperatur eine Stunde lang geglüht und luftgekühlt, wiederum luftgekühlt wird.
schließlich bei etwa 593° C acht Stunden zur Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von
Stabilisiewing geglüht und wiederum luftgekühlt 20 Ausführungsbeispielen und Zeichnungsfiguren näher
wird, erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Schaubild der Wirkung von Siliciumzusät-
zen auf die Kerbschlagzähigkeit einer Legierung, die
der handelsüblichen 6242-Legierung ähnlich ist,
25 F i g. 2 eine graphische Darstellung der Wirkung von

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung Siliciumzusätzen auf die Kriechfestigkeit und Spaneiner Titanlegierung aus 5,5 bis 6,5% Aluminium, 1,7 bis nungsrißfestigkefc einer Legierung, die der handelsübli-23% Zinn, 0,7 bis 5,0% Zirkonium, 0,7 bis 3,0% chen 6264-Legierung ähnlich ist und
Molybdän, 0,04 bis 0,13% Silicium, Rest Titan mit F ig. 3 eine graphische Darstellung der Wirkung von zulässigen Beimengungen in ein Endprodukt mit einem 30 Siliciumzusätzen auf die Kriechverformung einer α/0-Gefüge i;c;wie einer Mindestkerbschlagzähigkeit Legierung, die ebenfalls der handelsüblichen 6264-Levon 0,00743 J/cm² bei -40⁰C wnd einer Kriechdehnung gierung ähnlich ist

von 0,1% während minimal 35Std unter einer Es wurden Versuche durchgeführt, die zeigen, daß die

Spannung von 24 f N/mm² und .einer Temperatur von Kriechfestigkeit bei einem Siliciumgehalt unmittelbar

510⁰C. ³⁵ unter der oberen Grenze von 0,13% maximal ist, jedoch

Titanlegierungsprodukte der im Oberbegriff des zur Erzielung einer guten Kombination aller hier zu

Patentanspruchs genannten Zusammensetzung sind beurteilenden Eigenschaften zwischen 0,08 und 0,09%

beispielsweise aus der DE-AS 15 58 461 bekannt Sie liegen sollte. Diese Versuche werden im folgenden

weisen eine verbesserte Festigkeit und Kriechfestigkeit beschrieben.

auf, wobei unter anderem Silicium in Mengen von 0,1 bis 40 Zur Durchführung der Versuche wurden einige

0,4% zugesetzt wird, ohne daß sich die anderen 107,9 N Brammen der aus der folgenden Tabelle I

günstigen Eigenschaften dieser Legierung verschfcch- ersichtlichen Zusammensetzung hergestellt Die Charge

tern. Zu diesem Zweck wird die bekannte Legierung bei 20039 stellt die im Handel erhältliche 6264-Legierung

einer Temperatur oberhalb der «+jJ/ß-Umwandlungs- dar, deren Siliciumrestgehalt 0,03% beträgt und die sich

temperatur lösungsgeglüht und danach im a+jJ-Tempe- 45 außerhalb des unteren Grenzwertes der hier in Betracht

raturgebiet plastisch verformt, bei einer Temperatur kommenden Legierung befindet Die Charge 27277

hoch im «+/?-Temperaturgebiet wieder geglüht und dient als Vergleichslegierung. Abgesehen von Silicium

anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt Durch fallen die Gehalte der anderen Elemente in die

diese Verfahrensweise wird jedoch offenbar die gegenwärtig handelsüblichen Spezifikationen für die

Kerbschlagzähigkeit des erzeugten Produktes ohne 50 6264-Legierung, und zwar in allen Chargen mit

Beeinträchtigung anderer wesentlichen Eigenschaften Ausnahme der Charge 21006, die einen geringeren

nicht verbessert. So ist zwar der Zusammenhang Molybdängehalt aufweist.

zwischen der Kerbschlagzähigkeit und dem Gehalt an Die gegossenen Brammen wurden konditioniert,

Silicium in Titanlegierungsprodukten beispielsweise aus daraufhin in einem Ofen bei 1149°C erhitzt und zu

der US-PS 33 43 951 bekannt, jedoch sind die in der 55 5-cm-Viereckstücken geschmiedet. Die Viereckstücke

eingangs genannten Druckschrift beschriebenen Ver- wurden dann in einem 994°C-Ofen wieder erhitzt und zu

fahrensschritte nicht geeignet, die Verarbeitung einer 2,5-cm-Rundstücken geschmiedet Die 2,5-cm-Rund-

Titanlegierung zu lehren, die bei einer noch brauchbaren stücke wurden aus einem 940°C-Ofen zu Stäben von

Kerbschlagzähigkeit eine ausreichende Kriechfestigkeit 1,6 cm Durchmesser <x//?-gewalzt Proben dieser Stäbe

aufweist, obgleich in der DE-AS 15 58 461 wiederum auf 60 wurden eine Stunde lang bei Temperaturen «/j3-geglüht,

^j den Zusammenhang zwischen Siliciumgehalt und die etwa 14° C unterhalb der /MJmwandlungstempera-

|, Wärmebehandlung zur Erreichung einer gewünschten tür lagen, und daraufhin luftgekühlt Die Proben wurde

Kriechfestigkeit hingewiesen wird, wonach geringe acht Stunden lang bei 593°C stabilisiert und luftgekühlt.

Kriechdehnungen bei siliciumhaltigen Legierungen Die Zugversuche wurden maschinell mit auf einen

■ii erreicht werden, wenn diese einer j3-Glühbehandlung 65 Durchmesser von 635 mm bearbeiteten Proben ausge-

ΐ*1 oder einer plastischen Verformung, ausgehend vom führt, die den beschriebenen Stäben entnommen

μ; ^-Temperaturbereich unterworfen werden und die wurden. Die Versuchsdurchführung erfolgte sowohl bei

Ii Verformbarkeit weiter dadurch verbessert werden Raumtemperatur als auch bei 482°C. Jede Probe wurde