DE3024645A1

DE3024645A1 - Titanlegierung, insbesondere titan- aluminium-legierung

Info

Publication number: DE3024645A1
Application number: DE19803024645
Authority: DE
Inventors: Martin John Blackburn; Michael Price Smith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1981-02-19
Also published as: FR2462483B1; JPS5641344A; FR2462483A1; DE3024645C2; US4294615A; GB2060694A; JPH0127138B2; GB2060694B

Description

Titanlegierung, insbesondere Titan-Aluminium-Legierung

Die Erfindung bezieht sich auf Titanlegierungen, die bei hohen Temperaturen verwendbar sind,und betrifft insbesondere Legierungen vom TiAl-Y"-Phase-Typ. Titanlegierungen haben in den letzten Jahren wegen ihrer Kombination von hoher Festigkeit und niedriger Dichte zwar in Gasturbinen weitverbreitete Verwendung gefunden, ihre Verwendung beschränkt sich jedoch wegen unzureichender Festigkeits-und Oxidationseigenschaften auf Temperaturen unter 600 ⁰C. Bei höheren Temperaturen werden bislang relativ dichte Eisen-, Nickel- und Kobaltbasissuperlegierungen benutzt. Leichte Legierungen sind jedoch am erwünschtesten, da sie die Eigenschaft haben, Spannungen zu verringern, wenn sie in rotierenden Bauteilen benutzt werden.

Die Hauptarbeit konzentrierte sich in den 50er und 60er Jahren auf leichte Titanlegierungen für die Verwendung bei höheren Temperaturen, keine erwies sich aber für die technische Ver-

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wendung als geeignet. Zur Verwendung bei höheren Temperaturen benötigen Titanlegierungen die richtige Kombination von Eigenschaften. In dieser Kombination finden sich Eigenschaften, wie hohe Duktilität, Zugfestigkeit, Bruchzähigkeit, hoher Elastizitätsmodul, hohe Kriechfestigkeit, Dauerfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und niedrige Dichte. Wenn das Material nicht die richtige Kombination hat, wird es versagen und dadurch im Gebrauch begrenzt sein. Weiter müssen die Legierungen im Gebrauch metallurgisch stabil und in der Fertigung gieß- und schmiedbar sein.

Grundsätzlich müssen brauchbare warmfeste Titanlegierungen wenigstens diejenigen Metalle, die sie ersetzen sollen, in einiger Hinsicht übertreffen und ihnen in anderer Hinsicht wenigstens gleich sein. Dieses Kriterium bringt viele Beschränkungen mit sich, und bekannte Legierungsverbesserungen, von denen erst angenommen wurde, daß sie verwendbar sind, zeigten bei näherer überprüfung, daß dem nicht so war. Typische Nickelbasislegierungen, die durch eine Titanlegierung ersetzt werden könnten, sind INCO 718 oder INCO 713. Die dichtekorrigierten Bruchbelastungseigenschaften dieser Materialien sind in Fig. 1 zusammen mit den .besten im Handel erhältlichen Titanlegierungen gezeigt. Es ist zu erkennen, daß bekannte Titanlegierungen schlechtere Eigenschaften als Nickellegierungen haben. Legierungen nach der Erfindung, die weiter unten erläutert sind, sind in Fig. 1 ebenfalls gezeigt.

Bislang war eine bevorzugte Kombination von Elementen zur Erzielung einer höheren Warmfestigkeit Titan mit Aluminium in besonderen Legierungen, die von den intermetallischen Verbindungen oder geordneten Legierungen Ti Al ( oC_) und TiAl (V") abgeleitet wurden. Es ist klar, daß das TiAl-^-Legierungssystem das Potential hat, leichter zu

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sein, weil es mehr Aluminium enthält. Laborarbeiten in den 50er Jahren zeigten, daß diese Titan-Aluminid-Legierungen das Potential für eine Verwendung bei hoher Temperatur bis etwa 1000 ⁰C hatten. Spätere Erfahrungen mit solchen Legierungen im Maschinenbau zeigten aber,daß sie zwar die erforderliche hohe Warmfestigkeit hatten, daß sie jedoch nur eine geringe oder keine Duktilität bei Raumtemperatur und bei mäßigen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von 20-550 ⁰C aufwiesen. Materialien, die zu spröde sind, können weder leicht hergestellt werden noch können sie nicht häufige aber unvermeidliche kleine Beschädigungen im Betrieb aushalten, ohne zu reißen und später zu versagen. Sie können nicht im Maschinenbau benutzt werden, um Legierungen auf anderer Basis zu ersetzen.

Es gibt zwei grundsätzliche geordnete Titan-Aluminium-Verbindungen von Interesse, nämlich Ti₃Al und TiAl, die als Basis für neue warmfeste Legierungen dienen könnten. Für den Fachmann ist zu erkennen, daß es einen wesentlichen Unterschied zwischen den beiden geordneten Phasen gibt. Das Legierungs- und Umwandlungsverhalten von Ti₃Al gleicht dem Verhalten von Titan, da die hexagonalen Kristallstrukturen sehr ähnlich sind. Die Verbindung TiAl hat jedoch eine tetragonale Atomanordnung und daher ziemlich andere Legierungseigenschaften. Dieser Unterschied ist in der früheren Literatur häufig nicht erkannt worden. Deshalb beschränken sich die folgenden Darlegungen bezüglich der Erfindung weitgehend auf das, was innerhalb des Bereiches der TiAl-Y-Phase liegt, d.h. TiAl, 5OTi-5OAl atomar und etwa 65Ti-35Al nach dem Gewicht.

In bezug auf die frühen Arbeiten über Titanlegierungen in den 50er Jahren sind mehrere US-Patente sowie Patente in anderen Ländern erteilt worden. Zu ihnen gehört die US-PS 2 880 087, die Legierungen mit 8-34 Gew.% Aluminium mit ei-

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nem Zusatz von 0,5-50% ß-Stabilisierungselementen (Mo, V, Nb, Ta, Mn, Cr, Fe, W, Co, Ni, Cu, Si und Be) enthält. Die Auswirkungen der verschiedenen Elemente werden in einem gewissen Ausmaß voneinander unterschieden. Beispielsweise heißt es, daß 0,5-50% Vanadium von Nutzen sind, um einer Legierung, die 8-10% Aluminium hat, bei Raumtemperatur Zugduktilität bis zu 2% Dehnung zu geben. Bei den Legierungen mit höherem Aluminiumgehalt, d.h. bei denjenigen, die der V-TiAl-Legierung am nächsten kommen, ist jedoch laut dieser Patentschrift bei irgendeinem Zusatz im wesentlichen keine Duktilität vorhanden. Ebenso erwähnt die US-PS 2 881 105 eine Legierung mit 6-20 Gew.% Aluminium, die durch einen Zusatz von bis zu 2% Vanadium verfestigt worden ist.

Die CA-PS 596 202 erwähnt weitere nützliche Legierungen mit weniger als 8 Gew.% Aluminium, wobei sie aber auch das Problem der Warmbearbeitbarkeit bei höheren Aluminiumgehalten angibt. Es heißt, daß das Problem überwunden werden kann, indem die vorgenannten ß-Stabilisierungselemente in Kombination mit Germanium (einem oC-Stabilisierer) zugesetzt werden. Diese Patentschrift offenbart die Nützlichkeit von Kohlenstoff mit einem Gehalt von 0,05 bis 0,3% zur Verbesserung der Warmfestigkeit der einen hohen Aluminiumgehalt (bis zu 32%) aufweisenden Legierungen, die in dieser Patentschrift beschrieben sind. Ähnlichen Stand der Technik zeigt die CA-PS 59 5 980, in der außerdem gesagt ist, daß weitere Elemente, wie Molybdän, Mangan, Vanadium, Niob und Tantal von Nutzen sind. Eine Überprüfung der Daten in der CA-PS 59 5 980 ergibt aber eine kleine Basis zur Unterscheidung zwischen den Elementen und zeigt überwiegend "Null"- Zugdehnungen bei Raumtemperatur.

Die CA-PS 621 884 nennt Aluminiumgehalte von 34-46 Gew.%. Es ist angegeben, daß die Legierungen nicht auf eine Wärme-

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behandlung ansprechen. Es sind keine Daten über die Zugdehnung angegeben/ es ist aber erwähnt, daß 34-46% Aluminium eine maximale Duktilität ergeben, die auf den niedrigen Härtewerten basiert. (Diese Angabe ist offenbar nicht richtig, da die Arbeiten der Anmelderin zeigen, daß Ti-38% Al eine niedrige Härte und keine Zugduktilität bei Umgebungstemperatur hat). oi-und ß-Promotoren sind beide als erwünschte Zusätze in Mengen von O,1 bis 5% angegeben, es findet sich aber kein Vorschlag über die Auswahl innerhalb dieser breiten Gruppe.

In einer früheren Veröffentlichung, "Ti-3 6 Pct Al as a Base for High temperature Alloys", von McAndrew und Kessler in Transactions AIME, Band 206, S. 1384ff (1956),werden viele TiAl-Zusammensetzungen mit Zusätzen, zu denen Niob und Tantal gehören, untersucht, die eine bessere Kriechfestigkeit und eine begrenzte Verbesserung in den Raumtemperatureigenschaften aufweisen. Andere Forscher berichten über Härte- und Gitterparameter für Legierungen, die Zirkonium und Yttrium enthalten. Grundlegendere Untersuchungen wurden im Auftrag der U.S. Air Force zur Erforschung von grundsätzlichen Legierungseigenschaften in der Mitte der 70er Jahre durchgeführt. Die Arbeiten im Auftrag der Air Force und private Arbeiten zeigten, daß Zr, Ni, In und Ga die Festigkeit, aber nicht die Duktilität von TiAl erhöhen. Während der vergangenen zwanzig Jahre sind auch Arbeiten über verschiedene ternäre Systeme, einschließlich Ti-Al-V, durchgeführt worden, vgl. z.B. Kornilov et al in "Metal Science and the Application of Titanium and its Alloys", Band 8, 92, Nauka Press, Moscow (1965). Die meisten dieser Arbeiten haben sich mit Phasenidentifizierungs- und Stabilitätsbereichen befaßt, nicht aber mit der Entwicklung nützlicher Legierungen.

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Trotz dieser Veröffentlichungen sind keine TiAl-Legierungen, die im Maschinenbau und kommerziell nutzbar sind, angegeben und zur Verfügung gestellt worden. Das kann auf die begrenzten Auswertungen und die notwendigerweise breiten Lösungen im Stand der Technik zurückgeführt werden. Der Stand der Technik gibt einige breite, aber einander widersprechende Lösungen an. Das Verständnis ist heute besser und von beträchtlichen weiteren Untersuchungen ist die vorliegende Erfindung ein Ergebnis. Es wäre aber nicht zu verantworten,zu behaupten, daß eine tiefe Einsicht in das Problem erzielt worden ist, wie in intermetallischen Titanlegierungen Hochtemperaturfestigkeit und Niedertemperaturduktilität erzielt werden können. Die folgenden Darlegungen werden zeigen, daß die breiten Lehren des Standes der Technik sich als nicht völlig genau und anwendbar erwiesen haben. Beispielsweise wurde im größten Teil des Standes der Technik für sämtliche Übergangselemente eine gleiche Auswirkung angenommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Titan-Aluminium-Legierung des TiAl-/"-Typs zu schaffen, die sowohl eine Zeitstandfestigkeit bei hoher Temperatur als auch eine Duktilität bei mäßigen Temperaturen und bei Raumtemperatur hat und durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden kann.

Die aus dem Stand der Technik bekannten breiten Bereiche der TiAl-Legierungen sind oben angegeben. Die Bereiche sind ziemlich breit, denn der schmälste Bereich ist 34-46 Gew.% Aluminium (vgl. die CA-PS 621 884). Der Zusatz von Vanadium ist im Stand der Technik zwar ebenfalls angegeben, allerdings austauschbar gegen andere Elemente und in breiten Bereichen. Eine Unterscheidung zwischen Vanadium und anderen ß-fördernden Elementen ist im Stand der Technik spärlich. In anderen Fällen wird im Stand der Technik Vanadium in Legierungen mit niedrigem Aluminiumgehalt als

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nützlich angesehen, nicht aber in Legierungen mit hohem Aluminiumgehalt. Die Arbeiten, die zu der vorliegenden Erfindung geführt haben, haben gezeigt, daß tatsächlich der Aluminiumgehalt in einer binären TiAl-Legierung die Eigenschaften sehr kritisch beeinflussen kann. Weiter ist festgestellt worden, daß Vanadium im Vergleich zu anderen gleichen Übergangselementen eine besondere Rolle spielt.

Gemäß der Erfindung wird eine besondere und nützliche Kombination von Zugduktilität und Warmfestigkeit in einer Titanlegierung erzielt, die einen ziemlich schmalen Zusammensetzungsbereich von Aluminium, zwischen 48-50 Atom%, Rest.Titan, aufweist. Der vorgenannten Legierung können verschiedene Elemente zugesetzt werden, um die Eigenschaften zu verändern. Eine bevorzugte Legierung besteht, in Gew.%, aus 34-36 Aluminium, nest Titan (atomar ΤΪ-48/5ΟΑ1). Legierungen mit weniger Aluminium als die der Erfindung haben zwar eine höhere Festigkeit, jedoch Duktilitäten von viel weniger als 1,5%. Legierungen mit mehr Aluminium, d.h. mit einem größeren Aluminiumgehalt als bei der Erfindung, haben geringere Festigkeiten und niedrigere Duktilitäten.

In einer Hauptausführungsform der Erfindung werden 0,1-4 Gew.% Vanadium zugesetzt, um die Duktilität bei Raumtemperatur und bei mäßigen Temperaturen zu verbessern, ohne die Hochtemperaturfestigkeit nachteilig zu beeinflussen. Es hat sich gezeigt, daß Vanadium in dieser Hinsicht unter anderen Elementen eine besondere Rolle spielt. Die Legierungen nach der Erfindung enthalten, in Gew.%, 31-36 Al, 0,1-4 V, Rest Ti; bevorzugte Legierungen enthalten 34-3 6 Al, 0,7-2,0 V, Rest Ti. (Atomar sind diese Legierungen 45-50 Al, 0-3 V, Rest Ti bzw. 48-50 Al, 0,5-1,5 V, Rest Ti).

Der Zusatz geringer Mengen anderer Elemente ist bei der Erfindung zulässig. 0,1 Gew.% Kohlenstoff verbessern die Zeit-

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Standfestigkeit bei erhöhter Temperatur, d.h. die Warmfestigkeit, während sie die Duktilität verringern. Die Legierungen nach der Erfindung können im gegossenen und geschmiedeten Zustand benutzt werden. Das Schmiedestück kann durch Altern bei erhöhter Temperatur in der Zugfestigkeit verbessert werden. Stattdessen kann es auch lösungsgeglüht und gealtert werden, um die Warmfestigkeit und die Zugduktil itat zu verbessern.

Die Erfindung schafft neue Legierungen, die Eigenschaften haben, welche sie für Maschinenbauzwecke geeignet machen. Gemäß Fig. 1 haben die Legierungen nach der Erfindung gewichtsangepaßte Eigenschaften, die besser sind als die einiger herkömmlicher Nickellegierungen, und stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Legierungen dar. Wegen ihrer beträchtlichen Duktilitäten bei niedrigen und Zwischentemperaturen können die neuen Legierungen unter Verwendung herkömmlicher isothermischer Gesenkschmiedeanlagen und leicht ausführbarer Verfahrensschritte geschmiedet werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die dichtekorrigierte Bruchbelastbarkeit für

ausgewählte Titan- und Nickellegierungen und für Legierungen nach der Erfindung,

Fig. 2 die Auswirkung des Aluminiumgehalts in binären

TiAl-Legierungen auf die Zugeigenschaften bei Raumtemperatur und die Kriechlebensdauer (creep life) bei 815 ⁰C/103 MPa,

Fig. 3 die Auswirkung von Legierungszusätzen in Ti-48

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Atom% Al-Legierungen auf die Zugeigenschaften bei Raumtemperatur und die Kriechlebensdauer bei 815 °C/1O3 MPa,

Fig. 4 die Auswirkungen von Vanadiumzusätzen auf die

Zugduktilität bei 20-700 Aluminium-Legierungen und

Zugduktilität bei 20-700 ⁰C von Ti-48/50 Atom%-

Fig. 5 die Auswirkung von Schmiede- und Wärmebehandlungen auf eine Ti-50 Al-Legierung.

Die bevorzugte Ausführungsform wird in bezug auf Atomprozente (Atom%) der Elemente beschrieben, da sie auf diese Weise ermittelt wurde . Zweckmäßigkeitshalber wird die Erfindung aber in Gewichtsprozenten (Gew.%) beansprucht. Für den Fachmann ist es leicht möglich, Atomprozente in Gewichtsprozente umzurechnen. Als Hilfe sind die äquivalenten Gewichts- und Atomprozentsätze in binären Ti-Al-Legierungen in Tabelle 1 angegeben.

In einem Versuchsprogramm, das sich über mehrere Jahre erstreckt hat, wurden über 120 Legierungen gegossen und ausgewertet. Ziel war es, eine Legierung zu ermitteln, die eine Zugduktilität von über 1,5% bei Raumtemperatur und eine spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte-Verhältnis) hat, welche gleich oder größer als bei gegenwärtig benutzten Nickelsuperlegierungen ist. Als Bezugslegierungen wurden die Legierungen INCO 718 (19Cr-CgTi-OiGAl-SMo-ISFe-SNb+ Ta, Rest Nickel, in Gew.%) und INCO 713C (14Cr-1Ti-6Al-4,5Mo-Rest Ni, in Gew.%) benutzt.

Die Anfangsuntersuchung befaßte sich mit der Auswertung von Legierungen in dem Zustand nach dem Schmieden. Bei diesen Arbeiten wurde die Auswirkung des Aluminiumgehalts in binä-

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OR/G/NAL

ren TiAl-Legierungen ermittelt, wofür die Ergebnisse in Fig. angegeben sind. Die Legierung Ti-50 Al wurde als Basispunkt genommen. Es ist zu erkennen, daß die Änderung im Aluminiumgehalt kritisch ist. Als der Aluminiumgehalt auf 44% verringert wurde, erhöhte sich die Zugfestigkeit um 200%, aber die Duktilität nahm um etwa 84% ab und die Kriechlebensdauer wurde wesentlich verringert. Unter Verwendung eines Kriteriums von nominell 1,5% Duktilität zeigte sich somit, daß Legierungen mit 48-50% zu bevorzugen sind.

Die Untersuchungen über die Auswirkungen von anderen Legierungszusätzen wurden daraufhin auf Ti-48/50 Al konzentriert. Tabelle 2 zeigt einige der Legierungen, die weiter untersucht wurden. Die Auswirkungen der Legierungszusätze sind in Fig. 3 für Ti-48 Al zusammengefaßt worden. Fig. 3 zeigt, daß sämtliche Zusätze die Kriechlebensdauer erhöhen, daß aber Wolfram die Duktilität verringert, während Vanadium sie erhöht oder aufrechterhält, vgl. die Legierung 128 mit der Legierung 125. Weiter ist zu erkennen, daß andere Elemente, z.B. W und Sb, in Kombination mit V hilfreich sind, vgl. die Legierungen 127 und 125. Die Auswirkung von Kohlenstoff ist weiter unten erläutert. Tabelle 3 zeigt die Auswirkung von Legierungszusätzen auf die Zugeigenschaften bei 260 C. Es ist zu erkennen, daß sich eine bessere Zugfestigkeit und eine bessere Zugdehnung aus Vanadiumzusätzen bis zu dem ausgewerteten Gehalt von 2,5% ergeben. Die Situation ist in Ti-50 Al-Legierungen nicht ganz so einfach. Die meisten Elemente, wie Mo und W, verringern etwas die Duktilität und können die Warmfestigkeitseigenschaften verringern. Vanadiumzusätze können ebenfalls das Kriechvermögen in begrenztem Ausmaß verringern und ändern die Zugduktilität bei Umgebungstemperatur nicht. Gemäß Tabelle 4 kann sich jedoch eine bessere Zugfestigkeit und Zugduktilität bei einer Zwischentemperatur von 260 ⁰C durch Vanadiumzusätze ergeben. V verbesserte auch in veränderlicher Weise die Duktilität und die Festigkeit bei mäßigen

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Temperaturen in weniger bevorzugten Ti-44/4 5/46% Al-Legierungen .

Tabelle 1

Ungefähre äquivalente Prozentsätze in binären Ti-Al-Legierungen

Gew.% Atom%

Ti-Al Ti-Al

92-8 87-13

69-31 56-44

68-32 54-46

66-34 52-48

60-40 4 6-54

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ORIGiNAL /NSPECTED

j

Tabelle 2
Zusammensetzungen von untersuchten TiAl-Legierungen

Atom %

Ti-5OA1

ΤΪ-44Α1

Ti-46A1

TL-48A1

Ti-44Al-1,0V

TL-45A1-1,0V

ΤΪ-45Α1-1,OV-1,0In

Ti-45Al-I₅OHf

Ti-45A1-1,0In-I₅OHf

Ti-45Al-5,0Nb

Ti-46A1-2,5V

Ti-48A1-1,0W

Ti-48Al-0,5V

Ti-48Al-1,0V

Ti-48Al-1,0V-1,0W

Ti-48Al-1,0V-0,2C

Ti-48Al-1,0V-0,3Sb

Ti-48A1-2,5V

Ti-50Al-0,1Bi

Ti-50Al-0,1Sb

Ti-50Al-0,2Sb

ΤΪ-50Α1-1,0Mo

Ti-50Al-0₅5V

Ti-50Al-1,0V

Ti-50Al-1,0V-0,1Sb

Ti-50Al-1,0W-0,3Sb

ΤΪ-50Α1-1₅0V-1W-0,3Sb

Ti-5OA1-2,5V

Legierung Nr.	Gew.%
V-5032 (Basis)	Ti-36,OA1
T A-106	Ti-3O,7A1
T₂A-107	Ti-32,4A1
T₂A-108	Ti-34,2A1
T₂A-I18	Ti-30,4Al-1,4V
T₂A-HI	Ti-31,5Al-1,3V
T._;A-122	Ti-30,9Al-1,3V-3,0In
T₂A-I19	Ti-30,5Al-4,5Hf
T₂A-I21	Ti-30,0Al-2,8In-4,5Hf
T₂A-I12	Ti-29,8Al-11,4Nb
T₂A-I31	Ti-32,4A1-3,3V
T₂A-128	Ti-33,OA1-4,7W
T₂A-132	Ti-34,2Al-0₅7V
T₂A-125	Ti-34,2Al-1,3V
T₂A-I27	Ti-33,0Al-4,7W-1₅3V
T₂A-134	Ti-34,2Al-1,4V-0,1C
T₂A-I26	Ti-34,OAl-I,3V-1,OSb
T₂A-I33	Ti-34,1Al-3,4V
T₂A-I16	Ti-36,0Al-0,4Bi
T₂A-I15	Ti-36,0Al-0,2Sb
T₂A-I20	Ti-36,0Al-0,6Sb
T₂A-109	Ti-35,6Al-2,5Mo
T₂A-135	Ti-36,OAl-0,7V
T₂A-HO	Ti-36,OAl-1,4V
T₂A-I17	Ti-36,0Al-1,4V-O,2Sb
T₂A-I29	Ti-35,8Al-1,4V-0,9Sb
T₂A-130	Ti-34,5A1-1,3V-4,7W-1,OSb
T A-136	Ti-36,0A1-3.4V

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Tabelle 3

Zugeigenschaften bei 260 ⁰C für Ti-48 Al Atom%-Legierungen

Streckgrenze bei 0,2% spezifische %

Zugfestigkeit _Deh_

Ti-48 Al	(MPa) 390
Ti-48 A1-1W	324
-0,5 V	359
-1 V	374
-1 V-1 W	396
-1 V-O,2 C	496
-1 V-O₇3 Sb	348
- 2,5 V	337
	Tabelle 4

(MPa)	nung
486	2,1
474	3,1
565	5,1
517	3,1
523	3,2
596	2,5
443	1,8
536	5,1

Zugeigenschaften bei 260 C für Ti-50 Al Atom%-Legierungen

Streckgrenze bei 0,2%

(MPa)

Ti-50 Al-O,1 Bi	250
-0,1 Sb	254
-0,2 Sb	275
-1 Mo	305
-0,5 V	243
-1 ,0 V	263
-1 V-O,1 Sb	256
-1 V-O,3 Sb	263
-1 V-1 W-O,3 Sb	368
-2,5 V	279

spezifische Zugfestigkeit (MPa)	% Deh nung
336	2,0
330	1,8
307	0,8
339	0,8
365	2,0
383	2,4
350	2,0
368	2,0
400	0,8
412	2,75

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ORiGifsJAi iui^L

Fig. 4 faßt die mittlere Auswirkung von kritischen Vanadiumzusätzen in dem Bereich von 0,5 bis 2,5% bei Ti-48/50 Al-Legierungen über 20-250 C zusammen. Es ist zu erkennen, daß es eine zwar bescheidene, aber doch beträchtliche Verbesserung in der Duktilität bei niedriger Temperatur und eine beträchtliche Verbesserung in der Duktilität bei mäßiger Temperatur gibt. Bei höheren Temperaturen ist die Auswirkung gering. Frühere Löslichkeitsuntersuchungen haben gezeigt, daß ziemlich große Konzentrationen an Vanadium in der T-Phase löslich sind; Werte bis zu 20% sind angegeben worden. Im Fall der vorliegenden Anmeldung haben die Erfinder die Nützlichkeit und die Besonderheit von Zusätzen von bis zu 2,5% in ihren Tests demonstriert, sie haben aber nicht die obere Grenze der Nützlichkeit angeben können. Während sie annehmen, daß in Zukunft Werte bis zu der Löslichkeitsgrenze von Nutzen sind, meinen sie gegenwärtig, daß gefolgert werden kann, daß Vanadium bis zu 3% von Nutzen sein wird, weil es in ihrem Testbereich offensichtlich keine Verringerung des Trends gibt. Die untere Grenze ihrer Testdaten waren 0,5%, sie nehmen aber an, daß sich vernünftigerweise folgern läßt, daß kleinere Mengen bis zu 0,1% noch eine erwünschte Duktilisierungswirkung haben werden, aber in einem geringeren Ausmaß.

Es sind mehrere Elemente festgestellt worden, die die Warmfestigkeit verbessern. Es hat sich gezeigt, daß Sb, Bi und insbesondere Kohlenstoff die Warmfestigkeit verbessern. Fig. 3 zeigt, daß der Zusatz von 0,20 Kohlenstoff zu einer Ti-Al-V-Legierung die Lebensdauer bis zum Bruch mehr als verdreifacht. Bei diesem Kohlenstoffgehalt wird eine gewisse Verringerung der Zugduktilität bei Raumtemperatur festgestellt. Die Erfinder nehmen jedoch an, daß weitere Untersuchungen über den Kohlenstoffgehalt, möglicherweise· gekoppelt mit Wärmebehandlungen, die Duktilitätsverringerung beseitigen können.

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X-

Es können somit folgende Schlußfolgerungen gezogen werden:

a) Zum Erzielen einer ausreichenden Zugduktilität und einer guten Zeitstand-Zugfestigkeit (creep strength) sollte eine Titan-Aluminium-Legierung vorzugsweise einen Aluminiumgehalt von ungefähr 48-50 Atom% (oder 34-36 Gew.%) haben.

b) Vanadium in einer Legierung mit 48-50% AL ist in Mengen von 0,1-3 Atom% oder darüber (~0,1 bis 4 Gew.%) von Vorteil, vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 1,5 Atom% (^ 0,7 bis 1,5 Gew.%), um die Zugduktilität bei niedrigen und Zwischentemperaturen zu verbessern, ohne die Warmfestigkeit zu verschlechtern. Weder ß-Promotoren wie Mo oder W, noch oC-Promotoren, wie Bi und Sb, sind gleich wirksam. V verleiht auch Legierungen Duktilität, die die weniger bevorzugten Zusammensetzungen mit 44-48% Al haben.

c) Kohlenstoff in dem Bereich von 0,05 bis 0,25% (0,02 bis 0,12 Gew.%), vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 0,2% C (0,05 bis 0,1 Gew.%) ist in Ti-Al-V-Legierungen gemäß den obigen Abschnitten (a) und (b) vorteilhaft, da er

,die Eigenschaften bei hoher Temperatur verbessert,was allerdings mit einer gewissen Verringerung der Duktilität bei Raumtemperatur verbunden ist.

Die hier beschriebenen Legierungen wurden in Chargengrößen von 1-2 bis 40 kg hergestellt und bei konstanter Temperatur geschmiedet. Die kleineren Chargen überwogen.standardverfahren und übliche Vorsichtsmaßnahmen beim Schmelzen und Schmieden von Titanlegierungen wurden angewandt, um bekannte Defekte in solchen Legierungen zu vermeiden. Insbesondere sollte Sauerstoff unter etwa 0,1 Gew.% gehalten werden und andere Verunreinigungen sollten vermieden werden.

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Die metallurgischer Analyse der Legierungen innerhalb des Bereiches nach der Erfindung zeigen, daß sie eine Zweiphasenstruktur haben. Vorherrschend ist eine T- (TiAl) -Phasemit einer kleinen Menge an kugeligem et - (Ti Al) . Wärmebehandlungsuntersuchungen zeigen, daß die Eigenschaften geändert werden können, indem die Korngröße sowie die Menge und die Verteilung der 0C2 -Phase verändert werden. Die oben angegebenen Daten gelten für Material im geschmiedeten Zustand, wobei das Schmieden bei konstanten Temperaturen von etwa 1010 ⁰C bis 1100 ⁰C erfolgte und die Probestücke in Luft abgekühlt wurden. Fig. 5 zeigt die Auswirkung des direkten Alterns (DA für direct aging) in dem Bereich von 750-1000 °C und Lösungsglühbehandlung bei 1150-1250 ⁰C gefolgt von Altern bei 750-1000 ⁰C von 1 bis 8 h; sämtliche Schritte schloß sich Abkühlung in Luft an. Außerdem sind verschiedene Schmiedetemperaturen angegeben. Es ist zu erkennen, daß die niedrigere Schmiedetemperatur die Streckfestigkeit insgesamt erhöht, aber die Warmfestigkeit verringert. Direktes Altern verringert die Zug- und Zeitstandfestigkeit, erhöht aber die Duktilität. Lösungsbehandlung und Alterung führen zu Kornwachstum, geringerer Zugfestigkeit und besseren Bruchbelastungseigenschaften.

Es kann somit gefolgert werden, daß die Legierung vorzugsweise benutzt wird, nachdem sie bei 1050 C oder weniger geschmiedet und wahlweise bei 750-1000 ⁰C direkt gealtert worden ist. Wenn eine bessere Streckfestigkeit erwünscht ist, sollte die Schmiedetemperatür in dem Bereich von 10ΙΟ1100 C verringert werden, während, wenn eine bessere Warmfestigkeit erwünscht ist, das Schmiedestück bei 1100-1200 ⁰C geglüht und dann in dem Bereich von 815-950 ⁰C gealtert werden sollte.

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Zusammenfassung:

Die Erfindung befaßt sich mit gegossenen und geschmiedeten Titanlegierungen, die für die Verwendung bei Temperaturen über 600 C geeignet sind und auf einer TiAl-^-Phase-Struktur basieren (Fig. 1).

Beschrieben sind Legierungen, die Zusammensetzungen in Gewichtsprozent von 31-36 Aluminium, 0-4 Vanadium, Rest Titan, haben (in Atom% etwa 45-50 Al, 0-3 V, Rest Ti). Ein Gehalt an etwa 0,1 Gew.% Kohlenstoff verbessert die Warmfestigkeit. Zum Erzielen einer hohen Zugfestigkeit werden die Legierungen bei etwa 1025 ⁰C geschmiedet und bei etwa 900 ⁰C gealtert; zur Erzielung einer höheren Warmfestigkeit und einer höheren Zugduktilität wird vor dem Altern ein Lösungsglühen bei etwa 1150 ⁰C zwischengeschaltet.

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eerse

ite

Claims

Patentansprüche :

1. Titan-Aluminium-Legierung, die gegossen und geschmiedet werden kann und eine Duktilität bei Raumtemperatur und eine gute Zeitstandfestigkeit bei hoher Temperatur hat, dadurch gekennzeichnet, daß sie 48-50 Atom% Aluminium, Rest Titan, aufweist.

2. Titan-Aluminium-Legierung, die eine optimale Kombination von Duktilität bei Raumtemperatur und guter Zeitstandfestigkeit bei hoher Temperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie 34-36 Gew.% Aluminium, Rest Titan, enthält.

3. Gegossene und geschmiedete Titanlegierung mit Duktili- . tat bei Raumtemperatur und guter Warmfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie, in Gew.%, 31-36 Aluminium, 0,1-4 Vanadium, Rest Titan, enthält (in Atom% etwa 45-50 Al,

0-3 V, Rest Ti).

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ORIGINAL INSPECTED

4. Gegossene und geschmiedete Titanlegierung mit Duktilität bei Raumtemperatur und guter Warmfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie, in Gew.%, 34-36 Aluminium, 0,7-2,0 Vanadium, Rest Titan, enthält (in Atom% etwa 48-50 Al, 0,5-1,5 V, Rest Ti).

5. Legierung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch Zugdehnungen von mehr als etwa 1,5% bei 20 C und 3% bei 260 ⁰C.

6. Legierung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch wenigstens 0,1 Gew.% Kohlenstoff zur Verbesserung der Zeitstandfestigkeit.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Erzielung einer hohen Zufestigkeit bei etwa 1000-1050 ⁰C geschmiedet und bei 815-950 ⁰C wärmebehandelt worden ist.

8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Erzielen einer hohen Zeitstandfestigkeit und einer besseren Zugduktilität bei etwa 1000-1050 ⁰C geschmiedet und in zwei Schritten wärmebehandelt worden ist, die aus einem Lösungsglühen bei 1100-1200 ⁰C mit einer anschließenden Alterungsbehandlung bei 815-950 ⁰C bestehen.

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