DE3621671C2

DE3621671C2 -

Info

Publication number: DE3621671C2
Application number: DE3621671A
Authority: DE
Inventors: Yoshiharu Urawa Saitama Jp Mae; Tsutomu Omiya Saitama Jp Oka; Atsushi Kitamoto Saitama Jp Hirano
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1989-05-11
Also published as: GB8615811D0; GB2178758B; DE3621671A1; JPH0686638B2; FR2584094B1; GB2178758A; JPS6289855A; US4889170A; FR2584094A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Titanlegierungsproduktes, das sich zur Herstellung von Flugzeugteilen, wo es auf eine hohe spezifische Festigkeit und Beständigkeit gegen Oxidation ankommt, eignet und das sich leicht durch Warm- und Kaltverformen zu Flug zeugteilen verformen läßt.

Werkstoffe, die für Flugzeug-Düsentriebwerke verwendet werden, müssen ein ausgewogenes Eigenschaftsspektrum in bezug auf Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Warmver formbarkeit aufweisen. Für derartige Zwecke werden zwei Typen von Ti-Legierungen verwendet: Ti-Legierungen von (α-+β)-Typ mit der Zusammensetzung Ti-6% Al-4% V sowie Ti-Legierungen vom Semi-α-Typ mit der Zusammensetzung Ti-8% Al-1% V-1% Mo, wobei der überwiegende Teil des Gefüges aus der α-Phase besteht. Die Warmverformbarkeit des vorge nannten zweiten Typs von Ti-Legierungen ist nicht so gut wie die des ersten Typs. Weder der α-Typ noch der β-Typ von Ti-Legierungen wurden in Teilen von Düsentriebwerken eingesetzt, da Ti-Legierungen vom α-Typ eine geringe Festigkeit und Warmverformbarkeit aufweisen, während Ti-Legierungen vom β-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; Lösungsglühbehandlung 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-Legierungen durchgeführt, während sie bei der Herstellung des zweiten Typs von Legierungen nicht zur Anwendung kommt, da diese nur in sehr geringem Umfang aushärtbar sind.

Wie vorstehend erwähnt, umfaßt die Herstellung von her kömmlichen Ti-Legierungsprodukten 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 Endprodukts besitzt.

Erhöhte Temperaturen sind nicht nur bei der Warmverfor mungsstufe sondern auch bei der Lösungsglühbehandlung von herkömmlichen Legierungsprodukten 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.

In der US-PS 34 05 016 wird eine Legierung auf Titan- Basis beschrieben, die zur Stabilisierung der α-Phase Aluminium, Zinn und/oder Antimon und zur Stabilisierung der β-Phase Molybdän, Vanadium, Mangan, Chrom und/oder Eisen enthält. Derartige Legierungen des (α+β)-Typs konnten jedoch nur bei hohen Temperaturen warmverformt werden, was zu den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen führte.

Es war auch bereits bekannt (DE-AS 27 47 558), Titan legierungen des (α+β)-Typ zu glühen, danach abzu kühlen und schließlich bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 300°C während 1 Stunde bis 50 Stunden zu tempern, um die mechanischen Eigenschaften der Legierungen zu ver bessern.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Titanlegierungen mit verbesserter Verformbarkeit zur Verfügung zu stellen, welches die Anwendung niedrigerer Temperaturen der Warm verformung und Lösungsglühbehandlung ermöglicht und zu verbesserter Festigkeit der hergestellten Legierungen führt.

Im Rahmen der durch die Anmelderin durchgeführten Untersuchungen konnte nun gefunden werden, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn eine Titanlegierung einer ganz spezifischen Zusammensetzung einer thermomechanischen Be handlung unter festgelegten Bedingungen unterworfen wird. Im einzelnen wurde folgendes festgestellt: Eine Ti-Le gierung, die aus 2 bis 5% Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 8% Mo (Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen), Rest Ti mit zufällig vorhandenen Verunreinigungen besteht 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-b)-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 Lösungsglühbehandlung 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 Legierung ist mit der Festigkeit einer auf herkömmliche Weise ausgehärteten Ti- 6% Al-4% V-Legierung vergleichbar oder größer als diese.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines hoch festen Ti-Legierungsproduktes mit verbesserter Verformbarkeit aus 2 bis 5% Al, 5 bis 12% V und 0,5 bis 8% Mo (Prozent angaben sind auf das Gewicht bezogen) wobei die Beziehung 14%≦1,5×(V-Gehalt)+(Mo-Gehalt)≦21% gilt, Rest Ti mit zufällig vorhandenen Verunreinigungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

- einen Block aus der Legierung der angegebenen Zusammen setzung 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 Lösungsglühbehandlung unterzieht; 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 erfindungsgemäß herzustellenden Ti- Legierungsproduktes und für die Herstellungsbedingungen.

(I) Zusammensetzung (a) Aluminium

Die Aluminiumkomponente besitzt die Fähigkeit, die α-Phase zu verstärken. Liegt der Al-Gehalt unter 2%, so kann die Festigkeit der α-Phase und damit die Gesamtfestigkeit des Ti-Legierungsproduktes 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-Legierungsprodukte mit verschlechterter Warmverformbarkeit (was sich durch einen erhöhten Verformungs widerstand und die Notwendigkeit zum Einsatz einer großen Schmiedepresse bemerkbar macht) erhalten werden. Daher ist 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 Vanadium zur Verstärkung der β-Phase ohne eine starke Beeinträchtigung der Duktilität des Ti- Legierungsproduktes in der Lage, wenngleich diese Fähig keit bei Vanadium nicht so stark ist wie bei Molybdän. Liegt der Vanadiumgehalt 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 mich mit nahezu gleichen Volumina an α- und β-Phase zu erhalten, was zum Ergebnis hat, daß die zur Durchführung der Warmverformung und der Lösungsglühbehandlung erforder lichen Temperaturen nicht wesentlich unter den bei her kömmlichen Verfahren angewandten Temperaturen liegen. Übersteigt andererseits der Vanadiumgehalt 12%, so wird die Verarbeitbarkeit des Ti-Legierunsproduktes beeinträch tigt (was sich durch einen erhöhten Verformungswiderstand und die Notwendigkeit zum Einsatz einer großen Schmiede presse bemerkbar macht). Daher muß der Vanadiumgehalt 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 rungsproduktes nicht erreicht. Übersteigt andererseits der Molybdängehalt 8%, so wird die Duktilität des Ti-Legie rungsproduktes verringert. Daher muß der Molybdängehalt 0,5 bis 8% betragen.

(d) 1,5×(V-Gehalt)+(Mo-Gehalt)

Wie vorstehend erwähnt, stellen sowohl Mo als auch V Ele mente dar, die zur Stabilisierung der β-Phase dienen. Jedoch ist V ein wirksamerer Stabilisator für die β-Phase. Seine Wirksamkeit ist etwa 1,5mal so groß wie bei Mo. Dies ist der Grund, warum 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 Lösungsglühbehandlung 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 rungsproduktes beeinträchtigt (was sich durch einen er höhten Verformungswiderstand und die Notwenidgkeit zum Einsatz einer großen Schmiedepresse bemerkbar macht). Daher darf bei dem erfindungsgemäß herzustellenden Legierungsprodukt 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 Verformungswiderstand. 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 Endverarbei tungstemperatur für die Warmverformungsstufe auf den Be reich von 600 bis 950°C beschränkt. Ist es erforderlich, das Gußgefüge 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 das erfin dungsgemäß herzustellende Ti-Legierungsprodukt bei Belassen im Temperaturbereich von 650 bis 750°C ein Gemisch aus α- und b-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 Lösungsglühbehandlung

Das warmverformte Ti-Legierungsprodukt bzw. das Produkt, das nach einer fakultativen Temperung im Anschluß an die Warmverformung einer Kaltverformung unterzogen worden ist, wird sodann einer Lösungsglühbehandlung unterzogen, die im Temperaturbereich von 700 bis 800°C durchgeführt werden muß. Dieser Bereich liegt unter dem für herkömmliche Ver fahren angewandten Temperaturbereich. Liegt die Temperatur für die Lösungsglühbehandlung 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 Lösungsglüh behandlung 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 ein homogenes Gefüge zu bilden. Es reicht aus, wenn die Lösungsglüh behandlung 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 in der β-Phase zu erzielen, und das Werkstück kann nicht ausgehärtet werden. Übersteigt die Temperatur für die Aushärtung 600°C, so tritt eine Überalterung 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 Lösungsglüh behandlung und vor der Aushärtung der Kaltverformung unter zogen werden.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Ti-Legierungsproduktes 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 Lösungsglühbehandlung unterworfen, die darin besteht, daß man sie 1 Stunde bei 750°C beläßt und mit Wasser kühlt. Schließlich werden die Platten durch 4stündiges Belassen bei 520°C ausgehärtet. Gemäß diesen Verfahrensstufen werden erfindungsgemäß die Proben Nr. 1 bis 10 des Ti-Legierungsproduktes und auf herkömmlichem Wege die Proben Nr. 1 und 2 erhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte werden be stimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Die Werte in Tabelle I zeigen, daß erfindungsgemäß die Proben Nr. 1 bis 10 des Ti-Legierungsproduktes hergestellt werden können, ohne daß es während der bei einer Tempera tur von nur 720°C durchgeführten Warmverformungsstufe zu einer Rißbildung kommt. Bei derart niederen 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 erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäß hergestellten Legierungsproben eine Dehnung von 200% und eine Zugfestigkeit (Beständig keit gegen Verformung) von nur 200 N/mm². Bei 700°C zei gen sie eine Dehnung von nahezu 500%, was als superplasti sche Dehnung bezeichnet werden kann, und extrem niedere Zugfestigkeitswerte (≈50 N/mm²). Dies spricht für die besonders gute Eignung dieser Legierungsproben für Warmver formungsverfahren, 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 Zugfestigkeit von mehr als 300 N/mm² und 200 N/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 erfindungsgemäß hergestellten Ti-Legierungsprodukte bei im Ver gleich zu herkömmlichen Ti-Legierungsprodukten äußerst niedrigen Temperaturen warmverformen. Sie lassen sich daher in recht kostengünstigen Formen schneiden. Die Anwendung von niedrigen Temperaturen hat den zusätzlichen Vorteil, daß das Wachstum der Kristallkörner in ausreichendem Maße gehemmt wird, um die Bildung eines feinkörnigen Gefüges 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 den 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 mäß hergestellten Ti-Legierungsprodukte 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 erfindungsgemäß erhaltenen, getemper ten Proben, hohe Werte für die Dehnung. Daher kann dieses Ti-Legierungsmaterial durch Kaltformung leicht in die Form des Endproduktes gebracht werden.

Aus Tabelle I geht auch hervor, daß gemäß der Erfindung die Proben des Ti-Legierungsproduktes bei Temperaturen, die unterhalb der für Proben von herkömmlichen Ti-Legierungs produkten erforderlichen Temperaturen liegen, der Lösungsglüh behandlung unterworfen werden können (die Ver gleichsproben werden einer Lösungsglühbehandlung 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 dungsgemäß hergestellten Ti-Legierungsproduktes nach dem Aushärten hohe Werte für Festigkeit und Dehnung aufweisen, die mit den Werten für Proben aus herkömmlichen Ti-Legierungsprodukten vergleichbar sind oder diese übertreffen.

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

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Titanlegierungsproduktes mit verbesserter Verformbarkeit aus 2 bis 5% Aluminium, 5 bis 12% Vanadium und 0,5 bis 8% Molybdän, wobei die Beziehung 14%≦1,5×(Vanadium-Gehalt)+(Molybdän-Gehalt)≦21% gilt, und Titan als Rest mit zufällig vorhandenen Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß
- - ein Block aus der Legierung der angegebenen Zusammen setzung bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 950°C einer letzten Warmverformung unterzogen wird,
- - das entstandene Produkt bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 800°C Lösungsgeglüht und bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 600°C ausgehärtet wird.