DE2719324A1

DE2719324A1 - Titan-legierung mit hoher innenreibung und verfahren zur hitzebehandlung dieser legierung

Info

Publication number: DE2719324A1
Application number: DE19772719324
Authority: DE
Inventors: Akira Hiromoto; Yoshimasa Itoh; Yasuo Moriguchi; Nobuyuki Nagai; Yorimasa Takeda; Shoji Ueda
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1977-11-10
Also published as: US4134758A; JPS52131912A; JPS5839902B2; GB1541758A; CH632012A5; DE2719324B2; DE2719324C3

Description

Meissner & Meissnei

PATENTANWALTSBÜRO BERLIN - MÜNCHEN PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-INQ. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

HERBERTSTR. 2% 1000 BERUN 33

IhrZ.idwn Ihr Schreiben vom Unter» Zeichen Berlin, den 27· ΑΡ1*11 1977

1) Kobe Steel, Ltd. 3-18, Vakihama-cho 52-1024-

1-choae, Fukiai-ku, Kobe City, Hyogo Prefr

Japan

2) Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha

5-1, Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Titan-Legierung mit hoher Innenreibung und Verfahren zu*' Hitzebehandlung dieser Legierung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Titaniumlegierung mit hoher Innenreibung, vorteilhafterweise zum Herstellen von rotierenden Blättern, insbesondere von großen Abmessungen und für hohe Geschwindigkeiten, z.B. für Dampfturbinen,
und bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Hitzebehandlung zum weiteren Verbessern der Vibrationsdämpfungsfähigkeit und der thermischen Stabilität dieser Legierung.

Für die rotierenden Blätter einer Dampfturbine zum Beispiel ist der Ermüdungsbruch infolge von Vibrationen ein ernstes Problem. Um diesen Bruch zu verhindern spielen
Verhütung und Dämpfen der Vibrationen eine wichtige Bolle. Vibrationen bei Dampfturbinenblättern sind jedoch so komplex, daß eine Konstruktion dieser Blätter, die vollständig von Resonanz frei sind, nahezu unmöglich ist· Auf
welche Weise die Vibrationen gedämpft werden, ist deshalb

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BORO MÖNCHEN: ST. ANNASTR. 11	TELEX: 1-IBS 44	TELEGRAMM: INVENTION	TELEFON: BERLIN	BANKKONTO: BERLIN 31	POSTSCHECI W. MBSSNB	(KONTO: I. BUMV
am Mönchen η	INVEN 4	BERLIN	0«mi«3T	BERLINER BANK Aa	122S-Mi
TEL: MK23K44			oavmasn	MW71M00

2'/"I »3*4

ein äußerst wichtiges Problem.

Mögliche Paktoren zum Unterdrücken der Vibrationen rotierenden Blättern sind aerodymatisch, tiefgehend, mechanisch, und die Dämpfungsstoffe. Während die Beiträge dieser Faktoren zur Gesamtdämpfung bewertet werden, spielt das Dämpfungsmaterial fast nie eine größere Rolle. Tatsächlich werden in vielen Fällen der 13C-Mo-Stahl und andere Materialien mit hohen inneren Reigungsgraden beim Aufbau von Dampfturbinenblättern verwendet. Im allgemeinen sind Titanlegierungen, die eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen beim Herstellen von Dampfturbinenblätter als sehr zweckmäßig, insbesondere für hohe Umlaufgeschwindigkeiten oder große Abmessungen als sehr zweck— mäßig angesehen, worden, da sie die Belastungen des Rotors verringern. Insbesondere wird die Ti-6A1- 4-V-Legierung von allen Titanbasislegierungen am meisten verwendet (gerechnet für mehr als etwa 7096 des Ge samt Verbrauchs von Titanlegierungen). Ihre aussichtsreisten Anwendungen enthalten die rotierenden Blätter für Dampfturbinen und andere rotierende Maschinen, und die Legierung ist bereits in großem Umfang benutzt worden.

Die gewöhnliche handelsübliche id ^zebehandelte T1-6A1-4-V-Legierung, das heißt ausgeglüht oder abgeschreckt, besitzt einen erheblich geringen Innenreibgrad im Vergleich zum 13Gr-Mo-Stahl und dergl., der zum Herstellen der meisten Dampfturbinenblätter tatsächlich im Gebrauch ist. Mit diesem kann ein vibrationsverringernder Effekt durch Dämpfungsmaterial erwartet werden.

Hiermait wurden verschiedene Untersuchungen angestellt, die eine erhebliche Verbesserung der Innenreibeigenschaft

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ORIGINAL INSPECTED

/ü

durch rasches Abkühlen einer °<- + / - Titanlegierung bei einer richtigen Temperatur im OL + R -Phasentempraturbereich ergab. Die Erfindung ist in der japanischen Patentanmeldung No. 2072/74 beschrieben worden.

Trotzdem zeigt die OC+ I - Legierung eine z.B. Ti-6A1-4V-Zusammensetzung eine Abnahme der Innenreibung und wird beim Erhitzen bis über 10O⁰C für längere Zeit thermisch instabil. Zum Teil aus diesem Grund und teilweise, weil höhere absolute Werte von Innenreibung das Verhindern, des Ermüdungsbruchs unterstützen, sind die Titanlegierungen mit weiter ansteigenden Innenreibwerten in dieser Technik genannt worden.

Es ist festgestellt worden, daß die Innenreibung einer Titanlegierung durch rasches Abkühlen der Legierung von einem gegebenen Temperaturbereich aus erhöht werden kann und dadurch die metastabile : ßPhase unter Raumtemperatur gebracht wird· Beim Erzielen dieses Effekts scheint ein isomorpher ß-Stabilisator in der Titanlegierung eine größere Rolle zu spielen. Durch Tests mit der Ti-6Al-4-V-Legierung mit Vanadium, einem der ß-Stabilisatoren, hat sich bestätigt, daß die Legierung bei raschem Abkühlen von einer Temperatur im Bereich der (X+ P* -Phase eine höhere Innenreibung erzielt.

Nachfolgende Studien bei der Erfindung, bei der Zugabe eines anderen isomorphen ß-Stabilisators hat Molybdän zur üblichen Ti-6A1-4V-Legierung geführt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Titanlegierung mit höherem Innenreibung als übliche Legierungen, die eine hervorragende thermische Stabilität besitzt, und auch ein Verfahren zur Hitzebehandlung der Legierung zum weiteren

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Verbessern sowohl der Innenreibung als auch der thermischen Stabilität dieser Legierung anzugeben.

Nach der Erfindung besteht eine Titanlegierung mit einem hohen Innenreibgrad aus 5 »5 bis 6,75% Al, 1 bis 5% V, 1 bis 5% Mo V (durchweg Gewichtsanteile), wobei V plus Mo gleich oder größer als 5% ist, und aus dem ausgleichende Ti und den üblichen Unreinigkeiten.

Nach der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Behandeln der genannten Legierung angegeben, das das Halten dieser bei einer Temperatur, die über eine gegebene Dauer, um nicht mehr als 125°C unter ihren : ß-Transformatiönspunkt, und das: rasche Abkühlen der Legierung enthält.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben.
In diesen ist:

Figur 1 ein Diagramm der thermischen Stabilitäten der Dämpfungskapazitäten von Legierungen nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik;

Figur 2 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Dämpfungskapazitäten der Legierungen nach der Erfindung und der nach dem Stand der Technik sowie die Erhärtungstemperaturen; und

Figur 3 eine der Fig. 1 ähnliches Diagramm, daß aber die thermischen Stabilitäten nach den Hitzebehandlungen enthält.

Die Titanlegierungen mit den Zusammensetzungen nach Tabelle 1 werden durch die Ffannenbärschmelztechnik geschmolzen

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in Mengen von je 150 Gramm und den in Prüfstücke mit einem quadratischen Querschnitt von 20 mm durch B-Schmieden und dann zu 10 χ 15 mm durch OC+ P — Schmieden für Tests geformt, was noch beschrieben werden wird« Diese Formstücke wurden rasch (wassergehärtet) aus Härtetemperaturen nach Tabelle 2 abgekühlt und die kalten Formstücke wurden auf ihre Innenreibung und mechanische Eigenschaften hin untersucht.

Die Innenreibungen wurden unter Verwendung eines Innenreibmessungsinstruments mit horizontaler Vibration mit einer Vibrationsdämpfungskapazität in Q bestimmt· Die Teststücke waren je 2 mm dick, 10 mm breit und 90 mm lang. Die Tabelle 2 zeigt auch die Innenreibungen der so gemessenen Legierungsformstücke.

Aus den Tabellen ist zu ersehen, daß die Legierung B mit 0,64% Mo die günstigste Wirkung der Zugabe von Mo im Vergleich mit der bestehenden Normlegierung der Zusammensetzung Ti-6Al-4-V (Legierung A aufweist). Jedoch waren die Legierungen C bis H mit größeren Anteilen von Mo in ihrer Innenreibung gegenüber der üblichen Legierung A wesentlich verbessert worden.

Die Legierungen D und G deren kombinierten V-und Mo-Gehalte von 6,9% haben ebenfalls praktisch dieselben Innenreibwerte, wie Tabelle 2 zeigt. Wegen der Ähnlichkeit der Wirkung sind oft V und Mo den Titan-Basislegierungen beigegeben worden und es wurde ein Vorschlag von V gleich (1 χ V%) + 1,3 x Mo (%) als quantitatives Mittel zum Auswerten der Wirkung zusammengesetzter Beigabe gemacht worden Diese Legierungen ergeben sich im allgemeinen aus den vorstehend tageliierten Ergebnissen, die anzeigen, daß die

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Innenreibung unverändert bleibt, wobei der kombinierte Anteil von V und Mo konstant ist,. D.h. daß der kombinierte Anteil von V und Mo konstant ist und dieselbe Wirkung der Verbesserung der Innenreibung der Titanlegierung verliehen wird, und insbesondere, daß die Testergebnisse in der Tabelle 2 eindeutig zeigen, daß die aufgeführten Verbesserungen der Innenreibung möglich sind, wenn die Anteile gleich oder größer als 5%» vorzugsweise gleich oder größer als 6% sind.

Die testergebnisse der Legierung B zeigen, daß der Mo-Gehalt gleich als größer - als ein Prozent sein soll. Diese legen den V-Gehalt an, da V und Mo sowohl Quantitativ als auch qualitättiv gleichwertig sind und die Beigabe beider Elemente in Mengen von nicht weniger als je ein Prozent eine synergetische günstige Wirkung erwarten lassen.

Hinsichtlich der thermischen Stabilitäten mancher Legierungen in Tabelle 1 wurden die Legierungen A,D, und E erhitzt und auf Temperaturen von 100°, 150° und 20O⁰C eine Stunde lang gehalten, durch stehende Luft abgekühlt und ihre Innenreigungswerte bei Raumtemperatur bestimmt« Figur 1 zeigt eine Zusammens+"e]" ung der Ergebnisse der Temperaturwerte, boi denen die Formstücke eine Stunde lang gehalten wurden, als Abszisse. Aus dem Diagramm ergibt sich, daß die Legierungen D und A nach der Erfindung hervorragende thermische Stabilität mit hohen Innenreibwerten auch bei höheren Temperaturen im Vergleich mit der üblichen Normlegierung (a) des Ti-6A1-4V Aufbaues aufwei-' sen. Die Legierung E ist mot hohen absoluten Innenreibwerten und einer geringeren Abnahmerate der Innenreibung bei hohen Temperaturen weiter verbessert worden.

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Es ist zu erkennen, daß die kombinierte Beigabe von V und Mo die Innenreibung der Titanlegierung erheblicher verbessert, als es sich aus der Anwendung des Gedankens von V-Gleichwertigkeit erwarten ließe und ergibt eine Titanlegierung mit hervorragender thermischer Stabilität.

Es wird allgemein angenommen, daß ein Überschuß eines ß-Stabilisators nicht nur die Dichte erhöht und die spezifische Festigkeit der Legierung verringert, sondern auch den Young-Modul der Elastizität senkt und die Dehnbarkeit und die Zähigkeit des Metalls verringert. Die Anteile dieser Elemente müssen deshalb in den Bereichen liegen, die die Innenreibung der sich ergebenden Legierung ohne wesentliche Beeinflussung ihres Young-Moduls der Elastizität, ihrer Zähigkeit und ihrer Dehnbarkeit erhöht. In dieser Richtung wurden die mechanischen Eigenschaften der Legierungen nach Tabelle 1 bestimmt. Die Tabelle 3 enthält die Ergebnisse.

Aus der Tabelle 3 ist zu entnehmen, daß keine wesentlichen Unterschiede in Werten der Testlegierungen der Streckgrenze (0,2%) und der Dehngrenze bestanden, obwohl beide Werte mit einer Zunahme des Mo-Gehalts abzufallen versuchen. Die Legierung F mit mehr als 5 »4-1% Mo gab auch niedrigere Werte der Verlängerung während eines Spannungstests und beim 2 mm V-Kerb-Charpy-Stoß—Test als die übrigen Legierungen, was eine Abnahme der Dehnbarkeit, Zähigkeit und des Young-Moduls der Elastizität anzeigt. Um die Innenreibung ohne schädliche Wirkung hinsichtlich des Young-Moduls der Elastizität, der Dehnbarheit und der Zähigkeit zu erhöhen, sollte die Legierung nicht mehr als 3% Mo enthalten. Ebenfalls sollte V, das ähnlich wie Mo wirkt, nicht mehr als 5% bei jeder Legierungszusammensetzung aufweisen. ^₉₈₄₅, _m7

In üblicher Weise wurde die Menge von Al zwischen 5 und 6,75% gelegt oder so, daß das Verhältnis die zugegebene Festigkeit ohne Sprödewerden der sich ergebenden Legierung ergab.

Die Legierungen A, C, D und H in der Tabelle 1 wurden (Wasser-gehärtet) von gegebenen Temperaturen in derOC+ ' und der ß-Pasenbereich rasch abgekühlt (wasser gehärtet) und ihre Innenreibwerte wurden bestimmt. Das zum Messen verwendete Instrument und die Form der Teststücke waren dieselben, wie sie bereits beschrieben worden sind.

In Figur 2 sind die Daten aufgezeichnet, die die Verhältnisse zwischen der Härtetemperatur und der Innenreibung der Legierungen A, C, D und H angeben. Die Innenreibung der üblichen Ti-6A1-4V-Legierung (a) erreicht ihre Spitze, wo die Härtetemperatur in der Nachbarschaft des Punktes liegt, der niedriger als der ß-9?ransformationspunkt der Legierung durch 180°C ist. Es hat sich auch bestätigt, daß beim Überschreiten des Transformationspunktes durch die Härtetemperatur der Innenreibwerte sehr klein wird. Dies bezieht sich auf die japanische Patentanmeldung No. 3072/74.

Figur 2 zeigt, daß mit den Legierungen C, D und H nach der Erfindung, bei denen die Härtetemperaturen um 100°C niedriger als ihre ß-Transformationspunkte liegen, diese aber j
sind.

der Erfindung, bei denen die Härtetemperaturen um 100°C

1 aber abnehmen, wenn die Temperaturen um 15O⁰C niedriger

Figur 3 zeigt die Änderungen der Innenreibung der Legierungen A und D, die nach raschem Abkühlen heiß altern,

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tor

d.h. die Änderungen der thermischen Stabilitäten der getesteten Legierungen. Die Temperaturen, bei denen die heiß zu behandelnden Legierungen während der Testzeiten gehalten werden, sind horizontal aufgetragen. Die Messungen wurden durch Halten der Legierungen auf den jeweiligen Temperaturen für Zeiten von einer Stunde und Abkühlen durch Luftkühlung durchgeführt.

In diesem Diagramm bedeutet der Ausdruck "Legierung D" heiß-behandelt (ß-Transformationspunkt - 50°G), wobei beispielsweise die Legierung D von einer Temperatur rasch abgekühlt worden ist, die unter dem ß-Transformationspunkt der Legierung um 50⁰C lag.

Aus Figur 3 ergibt sich, daß die übliche Ti-6Al-4V-Legierung (Al), die bei einer Temperatur hitzbehandelt worden ist, die ihren Innenreibwert zum Maximum ansteigen läßt, oder bei einer um 180⁰C niedrigeren Temperatur als der des ß-Transformationspunktes dieser Legierung zeigt sich beim einstündigen Erhitzen auf 200⁰C ein starkes Abfallen der Innenreibung auf weniger als 0,001. Dagegen zeigt die Legierung D nach der Erfindung einen Innenreibwert über 0,001, auch wenn eine Härtung bei der niedrigeren der beiden Härtetemperaturen erfolgt, d.h. bei einer um 10O⁰C niedrigeren Temperatur als die des ß-Transformationspunktes. Die Legierung zeigt beim Härten bei höherer Temperatur, d.h. bei einer um 50⁰C unter der des ß-Transformationspunkts liegenden, praktisch kein Abfallen der Innenreibung, was eine hervorragende thermische Stabilität bedeutet.

Aus den gezeigten Ergehissen kann entnommen werden, daß die Legierung nach der Erfindung einen sehr hohen Reibwert und beim Abkühlen von der Härtetemperatur, die um 125⁰C unter dem ß-Transformationspunkt dieser Legierung liegt,

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eine hervorragende thermische Stabilität erreicht, Innerhalb dieses Härtetemperaturbereichs ist die Temperatur umso höher, je höher die thermische Stabilität der Innenreibung ist.

Die Erfindung zeigt eine Titanlegierung mit hohem Innenreibwert und hervorragender thermischen Stabilität und ebenso ein Verfahren zur Hitzebehandlung zum weiteren Verbessern der Innenreibung und der thermischen Stabilität. Die so hitzebehandelte Legierung nach der Erfindung kann für rotierende Blätter von Turbinen und dergl. verwendet werden, wo das Erzeugen von Vibrationen sonst unausbleiblich ist.

Zusammenfassung:

Eine Titanlegierung besitzt einen hohen Grad innerer Reibung und besteht aus 5,5 bis 6,75% Al, 1 bis 5% V, 1 bis 5% Mo, wobei V plus Mo gleich oder größer als 5% ist, und aus dem Ausgleichs-Ti und den üblichen Verunreinigungen (sämtlicher Gewichtsanteile). Ein Verfahren zur Hitzebehandlung der Legierung enthält das Halten dieser auf einer um nicht mehr als 125⁰C, unter ihrem ß-Transformationspunkt liegender; Temperatur für eine gegebene Zeit und nachfolgendes rasches Abkühlen der Legierung.

-Patentansprüche -

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Tabelle 1

Legie-r	Al	V	Chemische Zusammensetzung (wtJO	Fe	C	0	N	H	I _T1	Bemerkg.
rung	5.86	4.19	Mo	0.216	0.013	0.167	0.0047	0.0295	jbal.	Üblich
A	5.84	4.22	-	0.231	0.017	0.152	0.0053	0.0220	bal.	Bekannt
B	5.63	4.17	0.64	0.265	0.015	0.147	0.0038	0.0147	bal.	Erfindung
C	5.Ö8	4.32	1.52	0.241	0.018	0.181	0.0090	0.0273	bal.	Il
D	5.Öl	4.04	2.59	0.262	0.016	0.166	0.0077	0.0245	bal.	W
E	5.76	4.02	4.03	0.26Ö	0.017	0.162	0.0070	0.0282	bal.	.'Bekannt
F	5.85	2.21	5.41	0.255	0.016	0.153	0.0090	0.0195	bal.	Erfindung
O	5.83	4.06	4.65	0.273	0.014	0.175	0.0068	0.0312	bal.	ti
H		3.36

Tabelle 2

Alloy	β—Trans format ionj iW&fldg (⁰C)	Härte-» 'j. Temp ^⁰C)	Damping . capacity(Q )	X	ΙΟ"³	Bemerk.	Il I
A	965	785	2.53	X	10-3	Üblich	Bekannt
B	940	840	2.51	X	ΙΟ"³	Bekannt	Erfindung
C	925	875	4.20	X	10-3	Erfindung	Il
D	915	865	4.88	X	10-3	Il
E	905	855	5.12	X	ΙΟ"³
F	895	845	4.72	X	ΙΟ"³
G	940	890	4.83	X	ΙΟ"³
H	910	860	5.00

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Tabell 3

Legie rung	Streckgr abges-" kg/mm	Spann- (kf/₂ mm )	Ver läng.	2mm Kerb ι Charpy stoßw. px-_a ι(kg m/0m	Young Elast. Modul_? (kg/mnT)	Eemerkg.
A	76.9	100.6	17.2	2.7	10,500	Üblich .
B	77.2	100.3	12.2	2.4	10,'1OO	Bekannt
C	74.5	99.2	13.6	2.6	10,000	Erfindung
D	75.3	96.2	12.5	2.1	9,100	Il
E	74.5	94.1	10.6	2.2	8,800	M
F	72.3	86.4	7.6	0.7	7,700	Bekannt
G	76.0	97.0	11.5	2.1	9,200	Erfindung
H	75.1	96.0	12.0"	2.1	9,200	Il

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Claims

Patentansprüche:

1. Titan-Legierung mit hoher Innenreigung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 5f5% bis 6,75% Al, 1 bis 5% V, 1 bis 5% Mo, wobei V plus Mo gleich oder größer als 5% ist, und aus dem Ausgleichs-Ti und den üblichen Verunreinigungen (in Gewichteanteilen) besteht ·

2. Verfahren zum Erzeugen einer Titanlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch das Erhitzen und Halten der Legierung auf einer um 125⁰C unter dem ß-Transformationspunkt liegenden Temperatur für eine gegebene Dauer und anschließendes rasches Kühlen.

Dipl.-Ing. P

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BORO MÖNCHEN: ST. ANNASTR. 11 MOO MÖNCHEN TEL: OWM 38 44

TELEX: 1-H644 INVEN d

TELEQRAMM:

INVENTION

BERLIN

TELEFON: BERLIN 030/881 90 03Μ«3382

BANKKONTO: BERLIN SI

BERLINER BANK AG. 3666716000

POSTSCHECKKONTO: W. MEISSNER, BLN-W 12281-10·

ORiQINAL INSPECTED