DE2747558B2

DE2747558B2 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Titan-Legierungen

Info

Publication number: DE2747558B2
Application number: DE2747558A
Authority: DE
Inventors: Takashi Daikoku; Akira Nagasaki Hiromoto; Yoshimasa Kobe Ito; Yasuo Nishinomiya Moriguchi; Nobuyuki Kobe Nagai; Yorimasa Isahaya Nagasaki Takeda; Shoji Ueda
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1977-10-19
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DE2747558A1; JPS5848025B2; CH631211A5; US4167427A; JPS53144814A; GB1555830A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Titan-Legierungen des (oc+/J)-Typs, bei dem die Legierung bei einer im (a+/?)-Phasenbereich liegenden Temperatur geglüht, abgekühlt und anschließend warmattsgelagert wird.

Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der US-PS 34 05 016 bekannt ist

Beim Herstellen der rotierenden Schaufeln von Dampfturbinen u. dgl., insbesondere großer Abmessungen oder für den Betrieb mit hohfn Geschwindigkeiten, ist es sehr erwünscht ein Material hoher spezifischer Festigkeit und hoher Innenreibung zu verwenden, weil dieses Material die Belastungen an den Rotoren verringert und Ermüdungsbrüche der Schaufeln verhindert. Die Erfindung ist besonders auf Verbesserungen bei der Wärmebehandlung von ir+/?)-Titan-Legierungen gerichtet die diese Bedingungen erfüllen.

Bewegte Schaufeln von Dampftu^rSinen u. dgl. müssen gegen Ermüdungsbruch infolge Vibrationen während des Betriebs geschützt werden. Zum Verringern der Vibrationskräfte ist es theoretisch nur notwendig, die Resonanzen der Schaufeln zu beseitigen. Das Konstruieren von Schaufeln, die von Resonanz in allen Vibrationsarten frei sind, ist jedoch praktisch unmöglich. Ein Kompromiß ist es deshalb, entweder eine Schaufel zu bauen, die schwer in Resonanz kommt, oder dio Vibrationen, die die Resonanz begleiten, zu dämpfen. Das letztere wird auf viele Weisen erreicht. Eines der Verfahren ist das Umwandeln der Vibrationsenergie in .thermische Energie und das Aufzehren dieser im Material, d. h. die Vibrationen durch innere Reibung zu dämpfen. Dieses hat sich beim Kleinhalten der Vibration erzeugenden Kräfte als sehr zweckmäßig gezeigt. Das Verfahren ist im allgemeinen als »Materialdämpfung« bekannt. Sehr gute materialdämpfende Metalle werden vorteilhaft beim Maschinenbau und beim Herstellen von Maschinenteilen benutzt, die beim Betrieb in Vibration geraten, die zum Ermüdungsbruch führen kann. Tatsächlich werden solche Metalle, die 13% Cr rostfreien Stahl, wie den Stahl AISI Typ 403, enthalten, und Legierungen mit hoher Co-Basis, verwendet. Ein diesen Materialien gemeinsamer Nachteil ist die niedrige Streckgrenze, gemessen mit der permanenten Belastung von 0.2%, die höchstens 784 N/mm² ist, Der rostfreie 1 3% C'r-Stahl kann eine /usät/lichc Festigkeit ohne nennenswerten Verlust seiner Dehnbarkeit und Zähigkeit durch eine entsprechende Wärmebehandlung oder durch eine geeignete Regelung seiner Zusammensetzung !.Thalien. Die l'csligkeits/unahme verringeri andererseits stark die MatcrialdaMipfungskapii/ilat. Handelsübln he Titan-Legierungen, die losungsgeglüht worden sind, zeigen hohe spe/ifi- he Festigkeit und werden wegen ihrer vorteilhaften Wirkungen wie die Verringerung der Belastungen an den Rotoren, aJs vielversprechende Materialien für Schaufeln von größeren und schnelleren Dampfturbinen angesehen, Jm Rahmen der Erfindung bedeutet der Begriff »Lösyngsglühung« eine Reihe von üblichen Wärmebehandlungen, z. B, bei einer Tt-6AI-4V-Legierung durch Erwärmen auf 925° C für eine Stunde, Wasserabküb'ung und Wiedererwärmen auf 500° C für vier Stunden und

to schließlich Warmauslagem. Die jetzt viel verwendete Ti-6A1-4V-Legierung würde jedoch nur einen begrenzten Materialdämpfungseffekt aufweisen, wenn sie auf diese Weise wärmebehandelt worden ist, was beweist daß sie gegenüber dem Stahl AISI Typ 403 als nicht geeignet erscheint

Aus der JA-Anmeldung 3072/1974 ist ein Wärmebehandlungsverfahren bekannt bei dem eine Titan-Legierung des («+j?)-Typs in einem Temperaturbereich unterhalb des /3-UmwandIungspunktes und oberhalb 500⁰C gehalten und anschließend abgekühlt wird.

Dieser Stand der Technik zeigt noch den Nachteil einer geringeren 0,2%-Grenze trotz der höheren Materialdämpfungskapazität d. h. eine Verringerung der spezifischen Festigkeit einem sehr wichtigen Vorteil, der allgemein für Titan-Legierungen beansprucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Wärmebehandlungsverfahren für die eingangs erwähnte Titan-Legierung zu schaffen, mit dem die Streckgrenze

jo verbessert werden kann, bei Beibehaltung der übrigen Vorteile.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Warmauslagern in einem Temperaturbereich zwischen 50 und 300°C während einer bis fünfzig

r> Stunden erfolgt.

Die Erfindung soll nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigen

Fig. 1 und 2 Diagramme der Beziehungen zwischen Vibrationsbeanspruchungen und logürithmischen De- krementen (6) von wärmebehandelten (^+j3)-Tita π-Legierungen nach dem erfindungsgemäßen und anderen Verfahren, und

Fig.3 ein Diagramm der Beziehung zwischen den spezifischen Festigkeiten und den logarithmischen

■ti Dekrementen (Λ) von χ \-^-Titan-Legierungen, die nach der Erfindung wärmebehandelt sind und aus einem Bezugsmaterial bestehen.

Der Mechanism·.« der Materialdämpfung durch (iX+/?)-Titanlegierungen, die nach der Erfindung wär-

■»» mcbchandclt worden sind, kann wie folgt erklärt werden.

Es ist bereits erwähnt worden, daß eine (* +/^-Titan-Legierung beim Abkühlen von einem bestimmten Temperaturbereich, beispielsweise im (iX + /i)-Phasenbe-

Vi reich und unter 500⁰C eine höhere Matcrialdämpfungs- küpazität erhält. Dieser günstige Effekt ergibt sich aus der Tatsache, daß die Abkühlung eine metastabile /J-Phasc auch bei Raumtemperaturen in der Legierung verbleiben läßt. Zum Erzielen dieses Effektes spielen die

Wi isomorphen Stabilisatoren in der (a+/f)-Ti!<in-l.ef?icrting eine wichtige Rolle. Die thermische Stabilität dieser metastabilen //-Phase ist jedoch so. da Ii einsprechend einem TfT(ZeU-Temperatur fransfor miitions-)Diagriimm mit einer Spn/c bei relativ

• ι niedrigen Temperaturen von lOO ( ein Abbau stattfindet. Während dieser Periode kann tue Legierung manchmal durch Ausfall der ,'i-Phase spröde werden.
Die Auslagerung bei niedrigen lcmpcr.iliiren /er

setzt die metastabile /?-Phace, der die Materialdämpfung der (<x+p)-Titan-Legierung weitgehend zugeschrieben werden kann, und ändert einen Teil des Gefüges in die stabilere (*+/3)-Phase, Die Legierung erhält somit ihre 0,2-Grenze zurück, obwohl ihre Materialdämpfungskapazität etwas verlorengegangen ist Während der Auslagerung kann der Ausfall der jJ-Phase, eine Obergangsphase, erfolgen.

Sollte dieses glücken, so würde die 0,2-Grenze erheblich verbessert werden, aber die Legierung würde mit starker Abnahme in letzter Längung und Ziehbarkeit spröde werden.

Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Begriff »spezifische Festigkeit« folgendes:

Wenn die 0,2-Grenze dieselbe ist würden Materialien verschiedener spezifischer Gewichte, beispielsweise die zu rotierenden Schaufeln verarbeiteten, verschiedene maximale Radien und zulässige maximale Winkelgeschwindigkeiten aufweisen. Angenommen, alle Materialien haben dasselbe spezifische Gewicht als typisches Material für eine rotierende Schaufel aus Stahl in weiter Verwendung (rostfreier Stahl AISI Nr. 40?_: oder Typ 403-Stahl), dann können ihre entsprechend nachgerechneten 0,2-Grenzen (im folgenden nur kurz als »spezifische Festigkeit« bezeichnet) einfach mit der spezifi- 2"> sehen Festigkeit von AISI-Typ 403-Stahl 6 (der natürlich gleich der Basis-Streckgrenze von 0,2% sein kann) verglichen werden, um die Eignung der jeweiligen Materialien für Schaufeln nach dem Gesichtspunkt ihrer mechanischen Eigenschaften auszuwerten. so

Wenn die 0,2-Grenze und das spezifische Gewicht eines gegebenen Materials a Y bzw. g ist und der rotierende Körper aus diesem Material besteht, ist die Zentrifugalkraft O des Körpers gegeben durch die Gleichung: r>

O=fPY-

worin f = der Formfaktor, γ = der Rotationsradius, und ω die Winkelgeschwindigkeit ist. κι

Unter Betrachtung der Beziehung zwischen Festigkeit und Zentrifugalkraft dieses Materials nach der Gleichung (I) ist die zulässige Maximalwinkelgeschwindigkeit dieses Materials

»i„ max =

Tr

Y P

max =

Bei Rotationskörpern mit derselben Kontur ist dann das Quadrat der zulässigen Maximalwinkelgeschwind'gkeit proportional dem πΥ/q dieses Materials. Je größer dieser Wert, desto schneller kann sich der Rotationskörper drehen. Auch bei gleicher Winkelgeschwindigkeit wird die Grenze des Radius ν max. des Rotationskörpers durch die Gleichung (I) erhalten /u

Je größer dieser Wert, desto länger ist der Radius des Rotationskörpers, weil das v_mw proportional ~- ist

Kurz, αΥ/φ dient als Kriterium für die Eignung des Materials zur Herstellung eines Rotationskörpers. Die Gleichung (1) kann dann geändert werden in

gFe __

σΥ

gFc

ν ·

worin φ^ das spezifische Gewicht des Stahls AISI Typ 403 ist

Die rechte Seite der Gleichung (2) bezeichnet die Zentrifugalkraft eines von Rotationskörpern aus einem Material mit demselben spezifischen Gewicht wie der Stahl Typ 403 bei denselben Ausführungsformen und derselben Winkelgeschwindigkeit. Die linke Seite bezeichnet die maximale zulässig·* Belastung, wenn dasselbe spezifische Gewicht wie beim Stahl 403 angenommen worden ist, d. h. die 0,2-Grenze des Materials, umgewandelt in den anzunehmenden Materialwert und derselben spezifischen Gewichte wie der erwähnte Stahl. Um die 0,2-Grenze eines gegebenen Materials, das nicht eines der allgemein verwendeten Stähle wie der Typ 403 ist, ist es für Dampfturbinenschaufeln üblich die Festigkeit auszudrücken zu

'/Fe

_n Y ■ -'

d. h. wie es bei der Annahme errechnet wird, daß das Material dasselbe spezifische Gewicht wie der Stahl Typ 403 besitzt (die spezifischen Gewichte anderer Stähle für Dampfturbinenschaufeln sind von denen dieses Stahls nicht wesentlich verschieden). Der Einfachheit halber wird dieser Wert hier mit »spezifische Festigkeit« bezeichnet.

Es folgt somit, daß ein alleiniger Vergleich der spezifischen Festigkeit eines gegebenen Materials mit dem des 13%igen Cr-Stahls, der heute meistens verwendet wird, z. B. der AISI-Stahl-403 leicht die Eignung des jeweiligen Materials für den Rotor von Standpunkt der mechanischen Eigenschaften aus beurteilen läßt.

Das Verfahren nach der Erfindung wird im einzelnen anhand von Beispielen erläutert.

Je einhundert Kilogramm (λ+ /^-Titanlegierung zweier verschiedener chemischer Zusammensetzungen, die mit A und B in der Tabelle I bezeichnet sind, werden gelrennt durch Vakuumlichtbogenschmelzung mit sioh verbrauchenden Elektroden geschmolzen und in Blöcke gegossen: letztere werden auf einen Querschnitt von je 55x55 mm durch (iX + /J)-Schmieden und weite,· auf 20x30 mm ebenfalls durch Λ + ^-Schmicden gebracht. Eine typische Zusammensetzung des AlSI-Stahls 403, anstelle des 13%igen Cr-Stahls, bei Benutzung Für Dampfturbinenscr jufeln ist in Tabelle I mit C bezeichnet.

Candle

Symbol I cp

ΛΙ

Mc

K-

Ti

T ι-6AI-IV
Ti-6AI-lV-3Mo

6.35
6.(W

4.20

3.Π

0.204 0.260 0,014
0.018

0,189
0.103

0,0027
0.0050

0.0021 hui.
0.0058 hai.

Symbol Legierung

C AISI No. 403

Alle Werte sind Gewichtsprozente.

0,12

Mn

0.54

Ni

Cr

0,38

12,05

Fig. I ist ein Diagramm der Beziehung /wischen logarithmischen Dekrementen und den Vibrationsbennspruchungen von Proben der Legierung Λ. die verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen sind. Die Bedingungen der Wärmebehandlungen dieser Proben sind durch Kurven dargestellt. Die Probe der Kurve I (weiße Punkte), wurde eine Stunde lang auf 800°C gehalten und dann in Wasser abgekühlt (d. h. gehärtet). Die Probe der Kurve 2 (schwarze Punkte), wurde eine Stunde auf 800⁰C gehalten und dann in Wasser abgekühlt, zwei Stunden auf 100⁰C gehalten und dann luftgekühlt (d. h. gehärtet und bei niedriger Temperatur ausgelagert). Die Probe nach Kurve 3 (weiße Dreiecke) wurde eine Stunde lang auf 800°C gehalten, in Wasser abgekühlt, zwei Stunden auf 200°C gehalten und luftgekühlt (d. h. im selben Zustand wie 2).

Die Probe der Kurve 4 (schwarze Dreiecke) wurde eine Stunde lang auf 800⁰C gehalten, in Wasser abgekühlt, zwei Stunden lang 300⁰C gehalten und luftgekühlt. Die Probe der Kurve 5 (χ-Markierungen) befand sich im ausgeglühten Zustand.

F i g. 2 zeigt graphisch die Beziehungen zwischen den logarithmischen Dekrementen φ und den Vibrationsbeanspruchungen der geglühten Legierung A (Kurve 5) mit χ-Markierungen und verschiedenen wärmebehandelten Proben der Legierung B in Tabelle 1 (dargestellt durch die Kurven (i) bis (iii)). Hier waren die Wärmebehandlungen: Kurve (i) (weiße Striche) eine Stunde auf 85O⁰C. Abkühlen im Wasser (d.h. in den gehärteten Zustand): Kurve (ii) (schwarze Striche) eine

in Stunde auf 850°C. Abkühlen im Wasser (d. h. in einein gehärteten und dann im Niedertemperatur- [ausgelagertem] Zustand); und die Kurve (iii) (weiße Dreiecke) eine Stunde auf 850⁰C, Abkühlen im Wasser, eine Stunde auf 200⁰C und dann Luftkühlung.

ι -, Aus F i g. 1 ergibt sich, daß Legierung A von 800° C im Wasser abgekühlt, wie durch die Kurve (i) dargestellt, in der Materialdämpfungskapazität mehr verbessert ist als die Proben im geglühten Zustand.

K i g. l zeigt, daß Legierung B bei Abkühlen im

>n Wasser von 850⁰C, wie in der Kurve (i) auch eine bessere Materialdämpfungscharakteristik erzielt als die

Proben aus der von 850°C im Wasser abgekühlten Legierung A. Tabelle 2 faßt die Ergebnisse der Tesfs gleichzeitig

r, mit denen an den Materialdämpfungscharakteristiken zusammen und gibt die mechanischen Eigenschaften der beiden (« + /?)-Titanlegierungen nach Tabelle 1 an, die sich irr» geglühten und im gehärteten Zustand befinden. Unter »gehärtetem Zustand« werden die zum Verbes-

jo sern der Materialdämpfungscharakteristik wärmebehandelten Proben verstanden, d. h. im Zustand nach einstündigem Halten entweder auf 800°C oder 850°C und anschließendem Abkühlen im Wasser. Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften der Testlegierun-

i", gen im gehärteten Zustand.

Tabelle 2

Sym bol	Material	Wärmebehandlung	Streck grenze Ar	Zug festigkeit AT	Längung	Gebiets- verklei nerung	Spez. Gew.	Spez. Festigkeit 7.72 or
			N/mm²	N/mm²	%		g/cm'	P N/mm²
A	Ti-6A1-4V	ausgekühlt	960,4	1029,0	13,0	26,0	4,45	1666,0
A	Ti-6AI-4V	800°C 1 Std. wasser gekühlt (gehärtet)	753,6	985,9	17,2	31,6	4,45	1307,3
B	Ti-6AI-4V-3Mo	ausgekühlt	943,7	994,7	15,2	45,0	4,54	160;,2
		850°C 1 Std. wasser gekühlt (gehärtet)	551,7	1040,8	16,0	34,2	4,54	937,9

Zustand im Vergleich mit denen der Proben im geglühten Zustand etwas verschlechtert Die einzige Ausnahme ist die 0,2-Grenze, die bei den Legierungen um etwa 196 N/mm² für A und um etwa 392 N/mm² für B fühlbar abgenommen hat Diese Verschlechterung der 0,2-Grenze beim Härten wird auf die spezifische Festigkeit zurückgeführt Legierung A zeigt gehärtet eine spezifische Festigkeit von 1666 N/mm². Legierung B zeigt ebenfalls einen stark verringerten Wert von nur etwa 9403 N/mm² beim Härten. Beide Legierungen besitzen trotzdem spezifische Festigkeiten von etwa 980 N/mm² und diese beiden Arten «+ß-Titan-Legierungen sind im gehärteten Zustand in der spezifischen Festigkeit zum AISI-403-Stahl mehr als gleich. Diese beiden Arten von {<x+ß)-T\tan-Legierungen werden bei niedrigen Temperaturen nach dem Härten ausgelagert Die Wirkungen auf die Materialdämpfungscharakteristiken und mechanischen Eigenschaften der Legierungen werden geprüft

Die Ergebnisse zeigen die F i g. 1 und 2 und die

Tabelle 3. Die Änderungen der beiden Eigenschaften werden zusammengefaßt und in F i g. 1 graphisch dargestellt In diesen Figuren werden Symbole benutzt, die ähnliche Legierungen bezeichnen.

7	Tabelle 3	Niedr. Temp.	27 47	558	² N/mm²	8	Gebietsver kleinerung	Spez. Festigkeit 7,72 δy	1
Symbol Legierung				1000,6		%	P N/mm²
	100 ( X21I	Auslag.	0.2-(irenze Zugfestigkeit fi γ fi T	1024,1	Längung	31,2	1413,2	I
Λ TJ-6A1-4V	200"C X 2H		N/mm	1043,7	%	28,4	1536,6
	200XX IH	• AC	814,4	1076,0	17,2	31,8	1173,1	I
B Ti-OA 1-4V-3MO	25OC X IH	AC	885,9	1227,9	17,0	24,5	1351,4
	30O⁰CX IH	• AC	689,9	16,0	8,7	1763,0	S
	AC	794,8	13,5		M
	• AC	1036,8	4,8		I

Die Tabelle 3 zeigt die 0,2-Grenze und die spezifische Festigkeit der Legierung A nach dem Warmauslagern bei niedriger Temperatur von 100⁰C mit 814 bzw. 1413 N/mm² nach dem Warmauslagern bei 200⁰C mit 885 bzw. 1536 N/mm². In gleicher Weise, wie es die Tabellen 2 und 3 zeigen, kann durch das Warmauslagern bei 200⁰C und 250⁰C die Legierung B ihre 0,2-Grenze entsprechend dem gehärteten Zustand wieder annehmen. Andererseits ergibt sich aus den F i g. 1 und 2, daß die Auslagerungsdauer dieselbe ist und daß die Materialdämpfungscharakteristiken beider Legierungen A und B bei Zunahme der Auslagerungstemperatur abnehmen. In derselben Weise wie beim AISI-403-Stahl sind deshalb die Beziehungen zwischen den spezifischen Festigkeiten und den Materialdämpfungskapazitäten der Legierungen A und B auch in Fig.3 graphisch dargestellt.

Die geraden Linien, die die Charakteristiken der Legierungen A und B darstellen, sind weit rechts von der Linie des AISI-403-StahIs (C). Dies zeigt an, daß die mit niedrigen Temperaturen ausgelagerten («+/^-Titan-Legierungen weit höhere Materialdämpfungscharakteristiken als der AISI-403-Stahl aufweisen, wenn die spezifische.! Festigkeiten auf derselben Höhe liegen, und weit größere spezifische Festigkeiten haben, wenn die Materialdämpfungskapazitäten gleich sind. Beim Auswerten der beiden Titan-Legierungen sowohl hinsichtlich der spezifischen Festigkeit als auch der Materialdämpfung ergibt sich, daß das Auslagern bei niedriger Temperatur, wie ausgeführt, eine wirksame Behandlung ist Vom Gesichtspunkt anderer mechanischer Eigenschaften werden jetzt die Zustände der Auslagerung bei 300° C betrachtet. Nach lOminfltiger Auslagerung betrugen Längung und Gebietsverkleine rung 10,2% bzw. 19,5%, obwohl diese Werte in Tabelle 3 nicht angeführt worden sind. Nach dem einstündigen Auslagern betrugen die Werte 4,8 bzw. 8,7% (Tabelle 3). Es ergibt sich, daß 300⁰C die oberste Temperaturgrenze ist, bei der die 0,2-Grenze der («+j3)-Titan-Legierungen ohne schädliche Beeinträchtigung der Längung und

Flächenverkleinerung dieser Metalle verbessert werden

kann und daß ein Auslagern über mehr als eine Stunde hinaus ein Verspröden der ω-Phase bewirken kann.

Es wird vorstehend das Auslagern bei niedrigen

Temperaturen als äußerst wirksam zum Verbessern der gewöhnlich gegensätzlichen mechanischen Eigenschaften und Materialdämpfungscharakteristiken der (&+ß)-Titan-Legierungen beschrieben. Die obere Grenze für das Auslagern bei niedrigen Temperaturen muß so sein, daß die ausgezeichnete Materialdämpfungscharakteristik ohne Phasenversprödung gehalten wird. Die untere Grenze muß so liegen, daß die Temperatur im wesentlichen das Wiederannehmen der 0,2-Grenze unterstützt. Obwohl die Angaben in Tabelle 3 nicht enthalten sind, wird bei der Temperatur von 50⁰C sowohl Legierung A als auch B die 0,2-Grenze um etwa 49 bis 58 N/mm² wieder in etwa 50 Stunden annehmen. Die untere Grenze liegt somit bei 5O⁰C und die obere bei 300° C.

»5 Das Verfahren nach der Erfindung ist eine ausgezeichnete Wärmebehandlung, mit der sowohl die sonst entgegengesetzt beeinflußbaren mechanischen Eigenschaften und die Innenreibungscharakteristiken von («+/?)-Titan-Legierungen verbessert werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Verfahren zur Wärmebehandlung von Titan-Legierungen des («+0)-Typs, bei dem die Legierung bei einer im («+0)-Pbasenbereich liegenden Temperatur geglüht, abgekühlt und anschließend warmausgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Warenauslagen) in einem Temperaturbereich zwischen 50 und 300" C während einer Stunde bis fünfzig Stunden erfolgt