DE3621671A1

DE3621671A1 - Hochfestes ti-legierungsmaterial mit verbesserter bearbeitbarkeit und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3621671A1
Application number: DE19863621671
Authority: DE
Inventors: Yoshiharu Mae; Tsutomu Oka; Atsushi Hirano
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1987-01-08
Also published as: GB8615811D0; GB2178758B; US4889170A; FR2584094A1; FR2584094B1; JPH0686638B2; DE3621671C2; JPS6289855A; GB2178758A

Description

Die Erfindung betrifft ein hochfestes Ti-Legierungsmaterial, das sich zur Herstellung von Flugzeugteilen, wo es auf eine hohe spezifische Festigkeit und Wärmebeständigkeit (Bestän digkeit gegen Oxidation) ankommt, eignet und das sich leicht durch Warm- und Kaltformen zu Flugzeugteilen verfor men läßt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen hochfesten Ti-Legierungsma terials.

Materialien, die für Flugzeug-Düsentriebwerke verwendet werden, müssen ein ausgewogenes Eigenschaftsspektrum in bezug auf Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Warmver formung aufweisen. Für derartige Zwecke werden zwei Typen von Ti-Legierungsmaterialien verwendet: Ti-Legierungsma terialien von α + β-Typ mit der Zusammensetzung Ti-6% Al-4% V sowie Ti-Legierungsmaterialien vom Semi-α-Typ mit der Zusammensetzung Ti-8% Al-1% V-1% Mo, wobei der überwiegende Teil der Struktur aus der α-Phase besteht. Die Warmbearbeitbarkeit (Warmverformbarkeit) des vorge nannten zweiten Typs von Ti-Legierungsmaterialien ist nicht so gut wie die ersten Typs. Weder der α-Typ noch der β-Typ von Ti-Legierungsmaterialien wurden in Teilen von Düsentriebwerken eingesetzt, da Ti-Legierungsmaterialien vomα-Typ eine geringe Festigkeit und Warmbearbeitbarkeit aufweisen, während Ti-Legierungsmaterialien vom α-Typ eine geringe Oxidationsbeständigkeit besitzen.

Legierungen der Zusammensetzungen Ti-6% Al-4% V und Ti-8% Al-1% V-1% Mo werden herkömmlicherweise unter Einhaltung folgender Schritte hergestellt: Warmverformung bei Temperaturen von nicht unter 850°C ( 900°C für die letztgenannte Zusammensetzung und 950°C für die zweite Zusammensetzung);Tempern; Festlösungsbehandlung bei Tem peraturen von nicht unter 950°C; und Aushärtung bei Tem peraturen im Bereich von 500 bis 600°C. Die Aushärtungs stufe wird nur für die Herstellung des erstgenannten Typs von Ti-Legierungsmaterialien durchgeführt, während sie bei der Herstellung des zweiten Typs von Ti-Legierungsmate rialien nicht zur Anwendung kommt, da diese Materialien nur in sehr geringem Umfang aushärtbar sind.

Wie vorstehend erwähnt, umfasst die Herstellung von her kömmlichen Ti-Legierungsmaterialien vom α + β-Typ sowie vom Halb-α-Typ eine Warmverformungsstufe, die bei Tem peraturen von nicht unter 850°C durchgeführt wird. Wünscht man die Herstellung von durch Isothermschmieden hergestell ten Schmiedeprodukten, deren Form und Abmessungen nahe beim Endprodukt liegen, so ist es erforderlich, eine kostenauf wendige Form zu verwenden, die eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist und eine komplizierte und glatte Innenfläche ent sprechend der Form des Endproduktes besitzt.

Erhöhte Temperaturen sind nicht nur bei der Warmverfor mungsstufe sondern auch bei der Festlösungsbehandlung von herkömmlichen Legierungsmaterialien vom α + β-Typ und Halb-α-Typ erforderlich, was die thermische Wirtschaft lichkeit des Gesamtverfahrens beeinträchtigt und den Nach teil einer Schuppenbildung mit sich bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ti-Legierungsmaterial be reitzustellen, daß bei Temperaturen, die unterhalb den bei herkömmlichen Verfahren erforderlichen Temperaturen liegen, der Warmverformung und der Festlösungsbehandlung unter worfen werden kann und das zusätzlich zur Erzielung einer hohen Festigkeit ausgehärtet werden kann.

Im Rahmen der Untersuchungen, die zur vorliegenden Erfin dung führten, wurden folgende Befunde erhoben: Eine Ti-Le gierung, die 2 bis 5% Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 8% Mo (Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen), Rest Ti und zufällig vorhandene Verunreinigungen, enthält und bei der die Beziehung 14% 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) 21 gilt, weist bei relativ niedrigen Temperaturen (z. B. 700°C) die α + β-Struktur auf, wobei das Volumenverhältnis der α-Phase zur β-Phase nahe bei 1 : 1 liegt; die Ti-Legierung läßt sich leicht bei Temperaturen, die unter den herkömm licherweise erforderlichen Temperaturen liegen, warmver formen; ferner kann die Legierung leicht bei Temperaturen, die unter den herkömmlicherweise erforderlichen Temperaturen liegen, einer Festlösungsbehandlung unterzogen werden; trotz ihrer Zusammensetzung, die auf dem Ti-Al-V-Mo-System beruht, kann diese Legierung im Gegensatz zu herkömmlichen Ti-8% Al-1% V-1% Mo-Legierungen ausgehärtet werden; und die Festigkeit der ausgehärteten Legierungist mit der Festigkeit einer auf herkömmliche Weise ausgehärteten Ti- 6% Al-4% V-Legierung vergleichbar oder größer als diese.

Gegenstand der Erfindung ist ein hochfestes Ti-Legierungs material mit verbesserter Bearbeitbarkeit (Verformbarkeit), das 2 bis 5% Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 8% Mo (Prozent angaben sind auf das Gewicht bezogen), Rest Ti und zufällig vorhandene Verunreinigungen, enthält und bei dem die Be ziehung 14% 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) 21%gilt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Her stellung eines hochfesten Ti-Legierungsmaterials mit ver besserter Bearbeitbarkeit, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
- einen Ti-Legierungsblock herstellt, der 2 bis 5% Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 8% Mo (Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen), Rest Ti und zufällig vorhandene Verunreinigungen, enthält und bei dem die Beziehung 14% 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) 21% gilt;
- den Block bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 950°C einer letzten Warmverformung unterzieht;
- das Produkt bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 800°C einer Festlösungsbehandlung untertzieht; und
- das Produkt bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 600°C aushärtet.

Nachstehend finden sich nähere Angaben über die Auswahlkri terien für die Zusammensetzung des erfindungsgemässen Ti- Legierungsmaterials und für die Herstellungsbedingungen.

(I) Zusammensetzung (a) Aluminium

Die Aluminiumkomponente besitzt die Fähigkeit, die a-Phase zu verstärken. Liegt der Al-Gehalt unter 2%, so kann die Festigkeit der α-Phase und damit die Gesamtfestigkeit des Ti-Legierungsmaterials nicht auf der gewünschten Höhe gehal ten werden. Übersteigt der Al-Gehalt 5%, so müssen V und Mo, die stabilisierende Elemente darstellen und dazu dienen, den β-Umwandlungspunkt auf einer geringen Höhe zu halten, in erhöhten Mengen zugesetzt werden, was zum Ergebnis hat, daß nur Ti-Legierungsmaterialien mit verschlechterter Warmverformbarkeit (was sich durch einen erhöhten Deforma tionswiderstand und die Notwendigkeit zum Einsatz einer großen Schmiedepresse bemerkbar macht) erhalten werden. Daher ist erfindungsgemäß der Aluminiumgehalt auf 2 bis 5% beschränkt.

(b) Vanadium

Die Vanadiumkomponente besitzt die Fähigkeit, den β-Umwand lungspunkt auf einer niedrigen Höhe zu halten und den Be reich, in dem eine stabile β-Phase gebildet wird, zu erwei tern. Ausserdem ist Vanadin zur Verstärkung der β-Phase ohne eine starke Beeinträchtigung der Duktilität des Ti- Legierungsmaterials in der Lage, wenngleich diese Fähig keit bei Vanadium nicht so stark ist wie bei Molybdän. Liegt der Vanadingehalt unter 5%, so kann der β-Umwand lungspunkt nicht auf einer niederen Höhe gehalten werden und es wird ausserdem unmöglich, bei etwa 700°C ein Ge misch mit nahezu gleichen Volumina an α- und β-Phase zuerhalten, was zum Ergebnis hat, daß die Durchführung der Warmverformung und der Festlösungsbehandlung erforder lichen Temperaturen nicht wesentlich unter den bei her kömmlichen Verfahren angewandten Temperaturen liegen. Übersteigt andererseits der Vanadingehalt 12%, so wird die Bearbeitbarkeit des Ti-Legierungsmaterials beeinträch tigt (was sich durch einen erhöhten Deformationswiderstand und die Notwendigkeit zum Einsatz einer großen Schmiede presse bemerkbar macht). Daher muß erfindungsgemäß der Vanadingehalt 5 bis 12% betragen.

(c) Molybdän

Die Molybdänkomponente ist sowohl zur Stärkung der β-Phase als auch zur Erweiterung des Bereichs der β-Phasenstabili sierung in der Lage, wobei der β-Umwandlungspunkt auf nied riger Höhe gehalten wird. Liegt der Molybdängehalt unter 0,5%, so wird die beabsichtigte Verstärkung der β-Phase und somit die Erhöhung der Gesamtfestigkeit des Ti-Legie rungsmaterials nicht erreicht. Übersteigt andererseits der Molybdängehalt 8%, so wird die Duktilität des Ti-Legie rungsmaterials verringert. Daher muß erfindungsgemäß der Molybdängehalt 0,5 bis 8% betragen.

(d) 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt)

Wie vorstehend erwähnt, stellen sowohl Mo als auch V Ele mante dar, die zur Stabilisierung der β-Phase dienen. Jedoch ist V ein wirksamerer Stabilisator für die β-Phase. Seine Wirksamkeit ist etwa 1,5 mal so groß wie bei Mo. Dies ist der Grund, warum erfindungsgemäß der Wert 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) kritisch ist. Liegt der Wert für 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) unter 14%, so wird der β-Umwandlungspunkt in unzureichendem Masse gesenkt und die für die Warmverformung und Festlösungsbehandlung erforder lichen Temperaturen liegen nicht wesentlich unter den bei herkömmlichen Verfahren angewandten Temperaturen. Über steigt andererseits der Wert für 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo- Gehalt) 21%, so wird die Warmverformbarkeit des Ti-Legie rungsmaterials beeinträchtigt (was sich durch einen er höhten Deformationswiderstand und die Notwendigkeit zum Einsatz einer großen Schmiedepresse bemerkbar macht). Daher darf erfindungsgemäß der Wert für 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) nicht unter 14% und nicht über 21% liegen.

(II) Verfahrensbedingungen (a) Warmverformungstemperatur

Der Ti-Legierungsblock mit der unter (I) angegebenen Zu sammensetzung wird Warmverarbeitungsverfahren, wie Warm schmieden, Warmwalzen und Warmstrangpressen, unterzogen. Liegt die Temperatur für die Warmverformung unter 600°C, so erfolgt die Rekristallisation nicht bereitwillig und es ergibt sich ein erhöhter Deformationwiderstand. Über steigt andererseits die Temperatur für die Warmverformung 950°C, so kommt es nicht nur zu einer unerwünschten Ver gröberung der Kristallkörner, sondern es ist auch eine kostspielige Form zur Durchführung des Isothermschmiedens erforderlich. Daher ist erfindungsgemäß die Endbearbei tungstemperatur für die Warmverformungsstufe auf den Be reich von 600 bis 950°C beschränkt. Ist es erforderlich, die Giesstruktur zu beseitigen, so wird der Block vorzugs weise bei einer Temperatur in der Nähe von 900°C oder da rüber, warmverformt. Bei der Endstufe der Warmverformung werden im Hinblick auf die leichte Durchführung der Warm verformung Temperaturen im Bereich von 650 bis 750°C be vorzugt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die erfin dungsgemäße Ti-Legierung bei Belassen im Temperaturbereich von 650 bis 750°C ein Gemisch aus α- und β-Phasen im Vo lumenverhältnis von etwa 1 : 1 darstellt, was für die Warm verformung geeignet ist.

(b) Tempern

Die Temperungsstufe ist nicht wesentlich und kann ggf. vor der Kaltverformung durchgeführt werden. Bevorzugt ist eine Temperung bei Temperaturen im Bereich von 650 bis 750°C bei einer Dauer von 0,5 bis 2 Stunden.

(c) Temperatur für die Festlösungsbehandlung

Das warmverformte Ti-Legierungsmaterial bzw. das Material, das nach einer fakultativen Temperung im Anschluß an die Warmverformung einer Kaltverformung unterzogen worden ist, wird sodann einer Festlösungsbehandlung unterzogen, die im Temperaturbereich von 700 bis 800°C durchgeführt werden muß. Dieser Bereich liegt unter dem für herkömmliche Verfahren angewandten Temperaturbereich. Liegt die Temperatur für die Festlösungsbehandlung unter 700°C, so löst sich Aluminium, das ein stabilisierendes Element für die α-Phase darstellt, nicht in ausreichendem Maße in der β-Phase, so daß die gewünschte Festigkeit selbst bei der Aushärtung der Legierung in der folgenden Stufe nicht erreicht werden kann. Übersteigt andererseits die Temperatur für die Fest lösungsbehandlung 800°C, so kommt man nahe an den β-Umwand lungspunkt heran oder übertrifft diesen, so daß der Anteil der zunächst ausfallenden α-Phase zu klein wird, um eine homogene Struktur zu bilden. Es reicht aus, wenn die Fest lösungsbehandlung für die Zeitdauer, während der das Werk stück gleichmäßig erwärmt werden kann, fortgesetzt wird.

(d) Aushärtungstemperatur

Liegt die Aushärtungstemperatur unter 300°C, so ist die Diffusionsgeschwindigkeit zu langsam, um eine Ausfällung der feinkörnigen α-Phase zu erzielen, und das Werkstück kann nicht ausgehärtet werden. Übersteigt die Temperatur für die Aushärtung 600°C, so tritt eine Überaushärtung (Übervergütung) auf, und die Festigkeit des Werkstücks nimmt ab. Daher ist erfindungsgemäß die Tem peratur für die Aushärtung auf den Bereich von 300 bis 600°C beschränkt.

Die Dauer der Aushärtung hängt von der in dieser Stufe an gewandten Temperatur ab und beträgt aus Wirtschaftlichkeits gründen vorzugsweise 0,5 bis 10 Stunden.

Ggf. kann das getemperte Werkstück anschließend einer Kaltverformung unterzogen werden. Wird keine Temperung durchgeführt, so kann das Werkstück nach der Festlösungs behandlung und vor der Aushärtung der Kaltverformung unter zogen werden.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Ti-Legierungsmaterial und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieses Materials anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiele

Ti-Legierungen der in Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen werden durch Zweistufenschmelzen in einem Vakuum-Lichtbogen schmelzofen zu Blöcken mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 500 mm geschmolzen. Die Blöcke werden bei 1000°C zu Platten von 50 mm Dicke, 600 mm Breite und 500 mm Länge warmgeschmiedet. Die Platten werden sodann durch Warmwalzen bei 720°C zu Blechen von 3 mm Dicke verformt. Die gewalzten Bleche werden darauf untersucht, ob beim Warm walzen Risse entstanden sind. Anschließend werden die Bleche 2 Stunden bei 700°C getempert. Aus den getemperten Blechen werden Proben entnommen und zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften herangezogen. Die anderen Ble che werden einer Festlösungsbehandlung unterworfen, die darin besteht, daß man sie 1 Stunde bei 750°C beläßt und mit Wasser kühlt. Schließlich werden die Platten durch 4-stündiges Belassen bei 520°C ausgehärtet. Gemäß diesen Verfahrensstufen werden die Proben Nr. 1 bis 10 des erfin dungsgemäßen Ti-Legierungsmaterials und die Proben Nr. 1 und 2 von herkömmlichen Ti-Legierungsmaterials erhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte werden be stimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Tabelle I (Forts.)

Die Werte in Tabelle I zeigen, daß die Proben Nr. 1 bis 10 des erfindungsgemäßen Ti-Legierungsmaterials hergestellt werden können, ohne daß es während der bei einer Tempera tur von nur 720°C durchgeführten Warmverformungsstufe zu einer Rissbildung kommt. Bei derart niedrigen Temperaturen ist die Rissbildung bei der Herstellung der Vergleichs proben Nr. 1 und 2 unvermeidlich.

Die niedrigste Temperatur, bei der Ti-Legierungsmaterialien ohne Rissbildung warmverformt werden können, beträgt für die erfindungsgemäßen Proben 600°C und für die Vergleichs proben 900°C.

In Tabelle I sind auch die Werte für die Dehnung und die Zugfestigkeit bei Temperaturen von 600 und 700°C angegeben. Bei 600°C zeigen die erfindungsgemäßen Legierungsproben eine Dehnung von 200% und eine Zugfestigkeit (Beständig keit gegen Deformation) von nur 20 kg/mm². Bei 700°C zei gen sie eine Dehnung von nahezu 500%, was als superplasti sche Dehnung bezeichnet werden kann, und extrem niedere Zugfestigkeitswerte(≈5 kg/mm²). Dies spricht für Warmbe arbeitungsverfahren, z. B. das Isothermschmieden. Bei den beiden Vergleichsproben ergeben sich Dehnungen von weniger als 30% und 100% bei 600 bzw. 700°C. Ferner ergeben sich Zugfestigkeitswerte von mehr als 30 kg/mm² und 20 kg/mm² bei 600 bzw. 700°C. Es ist somit klar ersichtlich, daß die Vergleichslegierungen für eine Warmverformung bei nied rigeren Temperaturen, z. B. für das Isothermschmieden, nicht gut geeignet sind.

Wie aus den vorstehenden Werten ersichtlich ist, lassen sich die erfindungsgemäßen Ti-Legierungsmaterialien bei im Ver gleich zu herkömmlichen Ti-Legierungsmaterialien äusserst niedrigen Temperaturen warmverformen. Sie lassen sich daher in recht kostengünstigen Formen schmieden. Die Anwendung von niedrigen Temperaturen hat den zusätzlichen Vorteil, daß das Wachstum der Kristallkörner in ausreichendem Masse gehemmt wird, um die Bildung einer feinen Struktur mit Körnern mit einer durchschnittlichen Größe von nicht mehr als 1 µm zu ermöglichen. Da es beim Warmformen nicht zur Rissbildung kommt, ist es möglich, beim Warmformen Werk stücke herzustellen, deren Abmessungen des Endprodukts nahekommen, so daß keine starke maschinelle Bearbeitung für die Fertigstellung erforderlich ist. Daher müssen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestell ten Ti-Legierungsmaterialien keiner Kaltformung unterwor fen werden.

Ferner geht aus Tabelle I hervor, daß die erfindungsge mäßen Ti-Legierungsmaterialien äußerst niedrige Werte für die Zugfestigkeit und für die 0,2%-Streckgrenze im getemperten Zustand im Vergleich zu den Werten nach der Aushärtung aufweisen. Andererseits besitzen die getemper ten Proben der Erfindung hohe Werte für die Dehnung. Daher kann das erfindungsgemäße Ti-Legierungsmaterial durch Kaltformung leicht in die Form des Endproduktes gebracht werden.

Aus Tabelle I geht auch hervor, daß die Proben des erfin dungsgemäßen Ti-Legierungsmaterials bei Temperaturen, die unterhalb der für Proben von herkömmlichen Ti-Legierungs materialien erforderlichen Temperaturen liegen der Fest lösungsbehandlung unterworfen werden können (die Ver gleichsproben werden einer Festlösungsbehandlung unterwor fen, bei der sie 1 Stunde bei 955°C belassen, anschlie ßend mit Wasser gekühlt und sodann 4 Stunden bei 530°C ausgehärtet werden).

Ferner geht aus Tabelle I hervor, daß die Proben des erfin dungsgemäßen Ti-Legierungsmaterials nach dem Aushärten hohe Werte für Festigkeit und Dehnung aufweisen, die mit den Werten für Proben aus herkömmliichen Ti-Legierungsmaterialien vergleichbar sind oder diese übertreffen.

In den vorstehend geschilderten Beispielen wurden sämtliche erfindungsgemäßen Proben vor der Festlösungsbehandlung getempert. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Ti-Le gierungsmaterialien mit den gewünschten Eigenschaften auch erhalten werden können, wenn die Temperungsstufe wegge lassen wird.

Claims

1. Hochfestes Ti-Legierungsmaterial mit verbesserter Bearbeitbarkeit, enthaltend 2 bis 5% Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 8% Mo (Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen), wobei die Beziehung 14% ≦ 1,5 × (V-Gehalt) + (Mo-Gehalt) ≦ 21% gilt,Rest Ti und zufällig vorhandene Verunreinigungen.

2. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Ti-Legierungsmaterials mit verbesserter Bearbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man
- einen Ti-Legierungsblock herstellt, der 2 bis 5%Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 0,8% Mo (Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen), Rest Ti und zufällig vorhan dene Verunreinigungen, enthält, wobei die Beziehung 14 ≦ 1,5 × (V-Gehalt)+(Mo-Gehalt) ≦ 21% gilt;
- den Block bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 950°C einer letzten Warmformung unterzieht;
- das Produkt bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 800°C einer Festlösung unterzieht; und
- das Produkt bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 600°C aushärtet.