DE3635194C2

DE3635194C2 -

Info

Publication number: DE3635194C2
Application number: DE3635194A
Authority: DE
Inventors: Hermann 8510 Fuerth De Andoerfer; Reinhard Heinrich Rudolf Dr. Dipl.-Ing. 8540 Schwabach-Luenbach De Haehn
Original assignee: GFE GESELLSCHAFT fur ELEKTROMETALLURGIE MBH 4000 DUESSELDORF DE
Current assignee: GFE GESELLSCHAFT fur ELEKTROMETALLURGIE MBH 4000 DUESSELDORF DE
Priority date: 1985-11-06
Filing date: 1986-10-16
Publication date: 1988-01-14
Also published as: JPH0465137B2; JPS63100150A; GB8626410D0; GB2182676A; GB2182676B; DE3635194A1; US4684506A

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Vorlegierung für die Herstellung einer Titanbasislegierung mit einem Molybdängehalt von über 20%, einem Vanadiumgehalt von über 10% sowie einem Aluminiumgehalt von über 40%. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorlegierung.

Die bekannte gattungsgemäße Vorlegierung (US-PS 33 87 971) weist einen Molybdängehalt von 20 bis 25%, einen Vanadiumgehalt von ebenfalls 20 bis 25%, kein Titan und im Rest Aluminium auf. Sie wird einstufig hergestellt. Ihr Schmelzpunkt kann durch eine Abstimmung dahingehend, daß der Gehalt an Molybdän plus Vanadium plus Aluminium insgesamt zumindest 99% ausmacht und durch eine Reduzierung des Gehaltes an Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff auf unter 1400°C eingestellt werden. Bei höheren Molybdängehalten in der Vorlegierung entstehen Probleme: Die Löslichkeit des Molybdäns in der Titanbasislegierung wird unbefriedigend.

Im einzelnen ist zur Herstellung von Titanbasislegierungen und über Vorlegierungen für die Herstellung einer Titanbasislegierung folgendes bemerkenswert: Die Titanbasislegierungen mit den Elementen Aluminium, Molybdän und Vanadium in unterschiedlicher Zusammensetzung und Ratio finden ihre kommerzielle Anwendung hauptsächlich in der Luftfahrt und in der Raumfahrt. Bei der Herstellung von Titanbasislegierungen ist es von besonderer Bedeutung, daß die Legierungselemente derart in das Basismetall eingebracht werden, daß optimale Homogenität erzielt wird. Besonders die hochschmelzenden Metalle, z. B. Molybdän mit seinem Schmelzpunkt von 2610°C, sind schwer in dem niedriger schmelzenden Titan mit seinem Schmelzpunkt von 1668°C aufzulösen. Auch molybdänhaltige Vorlegierungen mit Aluminium können wegen der Verbindungsbildungen Al₁₂Mo, Al₅Mo, Al₃Mo, Al₂Mo und AlMo₃ problematisch bei der Auflösung in Titan sein. Nicht aufgeschmolzene Molybdänteilchen oder ungelöste Molybdänverbindungen sind in der Fertigung und in daraus hergestellten Werkstücken die Ursache für Rißbildungen, die die Dauerfestigkeit und die Dauerstandfestigkeit beeinträchtigen. Ausreichende Homogenität der Titanbasislegierungen wird dadurch erreicht, daß die Legierungselemente in Form einer geeigneten Vorlegierung mit Titanschwamm gemischt werden und mit ausreichendem Druck zu Formstücken verpreßt werden. Diese Formstücke werden mittels speziellem Verfahren zu Aufschmelzelektroden verschweißt, die im Vakuumlichtbogenofen zu Ingots abgeschmolzen werden. Wiederholtes Umschmelzen der Ingots erhöht die Homogenität der Titanbasislegierungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorlegierung mit höheren Molybdängehalten so einzustellen, daß sie einen Schmelzpunkt von unter 1500°C aufweist, und zwar bei guter Löslichkeit des Molybdäns in der Titanbasislegierung.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Molybdängehalt 25 bis 36%, der Vanadiumgehalt 15 bis 18% ausmachen, und zwar mit der Maßgabe, daß der Molybdängehalt zumindest das 1,4fache des Vanadiumgehaltes beträgt, und daß durch einen zusätzlichen Titangehalt von kleiner oder gleich 7% (Rest der Legierung Aluminium) der Schmelzpunkt auf unter 1500°C abgesenkt wird. Die erfindungsgemäße Vorlegierung ist sehr homogen. Überraschenderweise erlaubt es die angegebene Abstimmung des Molybdängehaltes auf den Vanadiumgehalt auch bei erhöhtem Molybdängehalt den Schmelzpunkt sehr niedrig einzustellen, und zwar durch eine Beigabe von Titan, wobei fernerhin eine überraschend gute Löslichkeit des Molybdäns in der Titanbasislegierung festgestellt wird. Das gilt insbesondere für Molybdängehalte von über 25%. Die erfindungsgemäße Vorlegierung zeichnet sich auch durch eine überraschend gute Zerkleinerbarkeit aus. Vorlegierungen für die Herstellung von Titanbasislegierungen, die auch einen Titangehalt von einigen Prozent aufweisen, sind an sich bekannt (DE-OS 28 21 406). Dabei handelt es sich jedoch nicht um eine gattungsgemäße Vorlegierung, sondern um eine solche mit hohem Zirkongehalt.

Die erfindungsgemäße Vorlegierung kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Durch Einfachheit und Chargensicherheit ausgezeichnet ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zuerst eine Molybdän/Aluminium-Legierung sowie eine Vanadium/Aluminium- Legierung durch eine aluminothermische Reduktion hergestellt werden und daß danach in einem Vakuuminduktionsofen aus der gereinigten Molybdän-Aluminium-Legierung sowie der gereinigten Vanadium/ Aluminium-Legierung zusammen mit Aluminiummetall und Titanmetall die Vorlegierung erschmolzen wird. Vorzugsweise wird mit einer Molybdän/Aluminium-Legierung 75 : 25, einer Vanadium/Aluminium- Legierung 80 : 20, Aluminiummetall mit 99,8% Al, Titanmetall mit 99,7% Ti gearbeitet. Es empfiehlt sich, in dem Vakuuminduktionsofen eine induktive Badbewegung zu erzeugen, eine Vakuumentglasung durchzuführen und danach die Schmelze mit Schutzgas, z. B. Argon, der induktiven Badbewegung so lange zu unterwerfen, bis alle störenden Aluminiumoxid-Einschlüsse aluminothermischer Herkunft entfernt sind. Gleichzeitig wird die Homogenität gefördert. Es empfiehlt sich, die Vorlegierung bei etwa 1510°C unter Argon abzugießen und danach unter Helium von 200 Torr oder weniger abzukühlen.

Ausführungsbeispiel

Das bevorzugte Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Vierstoffsystems basiert auf einem Zweistufenprozeß und gewährleistet eine dichte und einschlußarme Vorlegierung von hoher Homogenität. Darüber hinaus werden durch das Schmelzen in der zweiten Stufe in einem Vakuuminduktionsofen äußerst niedrige Gasgehalte, wie 0,008% N bzw. 0,02 bis 0,04% O, erreicht.

Zur Herstellung der Vorlegierung werden in einer ersten Stufe MoAl- Legierung bzw. VAl-Legierung durch aluminothermische Reduktion in Abbrandöfen hergestellt. Dazu wird in einer ersten Stufe einmal reines Molybdän (VI) Oxid mit min. 99,9% MoO₃ mit Aluminium von hohem Reinheitsgrad innig gemischt und durch Initialzündung zur Reaktion gebracht. Die exotherme Reaktion garantiert einwandfreie Trennung von Metall und Schlacke. Auf zusätzliche Flußmittel, um die Viskosität der Schlacke herabzusetzen, kann verzichtet werden. Dies ist vorteilhaft, da durch die Zugabe von Flußmittel die Gefahr einer Verunreinigung nicht auszuschließen ist. Neben dem stöchiometrischen Aluminium-Versatz für die Reduktion des MoO₃ wird die Zugabe eines Überschusses so berechnet, daß eine Legierung mit 72 bis 75% Mo und 25 bis 28% Al resultiert.

In gleicher Weise wird reines V₂O₅ und/oder V₂O₃ aluminothermisch zu einer VAl-Legierung mit 80 bis 62% V und 18 bis 20% Al umgesetzt.

Die Erschmelzung der Mehrstoff-Vorlegierung erfolgt bei der bevorzugten Ausführungsform in einer zweiten Stufe in einem Vakuuminduktionsofen. Dazu wird das Einsatzmaterial, bestehend aus gereinigtem MoAl 75 : 25, VAl 80 : 20, Aluminium 99,8% Al und Titanmetall 99,7% Ti über Vakuumschleuse in einem keramischen Tiegel eingeschmolzen. Nach der Entgasung wird unter Argon Schutzgasatmosphäre eine zeitlich längere Flüssigkeitsphase gehalten und durch die induktive Badbewegung ein Raffinationseffekt erreicht, der es ermöglicht, geringste Al₂O₃-Einschlüsse der aluminothermischen Legierungen zu entfernen. Weiterhin wird durch die Badbewegung eine optimale Homogenität erreicht. - Der gesamte Schmelzvorgang wird exakt kontrolliert und dabei besonders die Schmelztemperatur beachtet. Abgegossen wird in Stahlkokillen. Abguß und Abkühlung erfolgt unter Edelgas-Partialdruck. - Im folgenden werden drei Chargen beschrieben:

Charge 1:

In einem Vakuuminduktionsofen werden eingesetzt:

4.728 kg MoAl73,6% Mo 1.852 kg VAl80,5% V 0.702 kg Ti-Schrott99,7% Ti 2.718 kg Al-Granalien99,7% Al

Die Einsatzstoffe werden eingeschmolzen, entgast und unter Argon- Schutzgas flüssig gehalten. Abgegossen wird bei 1.510°C unter Argon. Die Abkühlung erfolgt über drei Stunden unter 200 Torr Helium.

Ausgebracht werden:
9,51 kg  Al-Mo-V-Ti  43:35:15:7
mit
41.5  % Al
35.8  % Mo
15.1  % V
6.9  % Ti
0.20 % Fe
0.08 % Si
0.022% O₂
0.007% N₂
0.016% C
0.001% B
0.015% Cr
0.002% Cu
0.002% Mg
0.003% Mn
0.009% Ni
0.008% P
0.001% S
0.001% Pb
0.03 % W
0.002% Y

Solidus-Temperatur 1420 +/- 10°C
Liquidustemperatur 1460 +/- 15°C

Charge 2:

In den Vakuuminduktionsofen wurde eingesetzt:

3.588 kg MoAl75,0% Mo 2.210 kg VAl81,0% V 0.702 kg Ti-Schrott99,7% Ti 3.514 kg Al-Granalien99,7% Al

Der Schmelzverlauf war wie unter Beispiel 1. Die Abgießtemperatur betrug 1420°C.

Ausgebracht wurden:
9.85 kg  Al-Mo-V-Ti  48:27:18:7
mit
48.3  % Al
26.1  % Mo
17.9  % V
7.1  % Ti
0.22 % Fe
0.075% Si
0.028% O₂
0.008% N₂
0.01 % C
0.001% B
0.013% Cr
0.001% Cu
0.002% Mg
0.004% Mn
0.005% Ni
0.007% P
0.001% S
0.001% Pb
0.01 % W
0.001% Y

Solidus-Temperatur 1330 +/- 20°C
Liquidustemperatur 1365 +/- 20°C.

Claims

1. Vorlegierung für die Herstellung einer Titanbasislegierung, mit
einem Molybdängehalt von über 20%,
einem Vanadiumgehalt von über 10%
sowie einem Aluminiumgehalt von über 40%, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt 25 bis 36%, der Vanadiumgehalt 15 bis 18% ausmachen, und zwar mit der Maßgabe, daß der Molybdängehalt zumindest das 1,4fache des Vanadiumgehaltes beträgt und daß durch einen zusätzlichen Titangehalt von kleiner oder gleich 7% der Schmelzpunkt auf unter 1500°C abgesenkt ist, und der Restbestandteil Aluminium ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst eine Molybdän/Aluminium-Legierung sowie eine Vanadium/Aluminium-Legierung durch eine aluminothermische Reduktion hergestellt werden und daß danach in einem Vakuuminduktionsofen aus der gereinigten Molybdän/Aluminium-Legierung sowie der gereinigten Vanadium/Aluminium-Legierung zusammen mit Aluminiummetall und Titanmetall die Vorlegierung erschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Molybdän/Aluminium-Legierung 75 : 25, einer Vanadium/Aluminium- Legierung 80 : 20, Aluminiummetall mit 99,8% Aluminium, Titanmetall mit 99,7% Titan gearbeitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vakuuminduktionsofen eine induktive Badbewegung erzeugt, eine Vakuumentgasung durchgeführt und danach die Schmelze mit Schutzgas, z. B. Argon, dieser Badbewegung so lange unterworfen wird, bis alle störenden Aluminiumoxid-Einschlüsse aluminothermischer Herkunft entfernt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlegierung bei etwa 1510°C unter Argon abgegossen und danach unter Helium von 200 Torr oder weniger abgekühlt wird.