DE3835789A1 - Verbessertes verfahren zur herstellung nahtloser rohre und aehnlicher gegenstaende aus einer titan-legierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung nahtloser Rohre aus einer β-Phasen-Titanlegierung, das eine vollständige Lösungs- Behandlung der Rohre aus der Legierung ohne den Einsatz eines Vakuumofens ermöglicht.

Titanlegierungen sind seit den späten 50er Jahren ver­ fügbar, und der Einsatz nahtlosen Rohrmaterials unter Nutzung dieser Legierungen, besonders beachtlich in der Raumfahrt-Industrie, begann in den 60er Jahren. Die Vorteile des Ersatzes von nichtrostendem Stahl, des zuvor verwendeten Metalls, durch Titanlegierungen liegen in den Gewichtseinsparungen, einem höheren Verhältnis Festigkeit zu Gewicht und einer erhöhten Korrosions­ beständigkeit.

Gegenwärtig wird Titan in Form von Legierungen einge­ setzt, um eine Feinsteuerung der Antwortreaktion des Metalls auf eine Wärme-Behandlung zu ermöglichen. Die Wärmebehandlung erfolgt, um Spannungen abzubauen, die sich während der Fertigung entwickelt haben, die Festig­ keit oder spezielle Eigenschaften zu steuern und die Duktilität und Gefügestabilität zu optimieren.

Eine zuerst in den 70er Jahren entwickelte neue Legie­ rung, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, ist in Form kaltgewalzter Bänder seit den frühen 1980er Jahren im Handel erhält­ lich. Diese Legierung ist vom metastabilen β-Phasen-Typ; sie ist "weich" und im lösungsbehandelten Zustand hoch­ gradig kalt verformbar. Die Legierung kann einen breiten Bereich von Festigkeitswerten aufweisen, der durch Alterung entweder aus dem lösungsbehandelten oder aus dem kaltverarbeiteten Zustand gewonnen wird. Sie ist schweißbar und in hohem Maße korrosionsbeständig.

Nahtloses hydraulisches Rohrmaterial aus einer β-Titan- Legierung, das aus dieser Legierung gebildet ist, ist für die Raumfahrt-Industrie attraktiv, da es zu hohen Festigkeitswerten wärmebehandelt werden kann, entweder durch Lösungsbehandlung und Alterung oder durch Lösungs­ behandlung, Kaltbearbeitung und Alterung. Rohrmaterial unter Einsatz dieser neuen Legierung wird jedoch bis heute nicht technisch hergestellt, und zwar hauptsäch­ lich wegen der Probleme beim Lösungsglühen zwischen den Kaltreduktionen und dem abschließenden Arbeitsgang des Lösungsglühens. Diese Vorgänge werden normalerweise mit Rohrmaterial aus Titanlegierungen in einem Hochvakuum- Ofen durchgeführt. Der Stand der Technik hat das Vakuum- Glühen gewählt, weil allgemein die Ansicht herrschte, daß der Einsatz von Öfen unter der Luft der Atmosphäre die Eigenschaften des fertigen Produkts nachteilig be­ einflussen würde. Eine Oxid-Schicht und eine Diffusions­ schicht bildet sich während des Glühens an der Luft aus.

Diese Beschichtungen reduzieren die mechanischen Eigen­ schaften des beschichteten Metalls.

Der Stand der Technik macht keine Mittel zur Bildung nahtlosen Rohrmaterials aus einer β-Titan-Legierung verfügbar, was auf der fehlenden Fähigkeit der gegen­ wärtig verfügbaren Vakuum-Öfen, technische Rohrlängen aufzunehmen, beruht. Eine volle Lösungsbehandlung der meisten β-Legierungen, die optimale Eigenschaften nach dem Altern ergibt, erfordert, daß das Produkt aus der Umgebungstemperatur der Lösung (732°C bis 816°C (1350°F bis 1550°F)) in weniger als etwa fünf (5) Minuten, je nach der Zusammensetzung, auf etwa 260°C (500°F) abgekühlt wird. Das läßt sich für die von den Verwendern hydraulischen Rohrmaterials benötigten Rohre von 2,44 m bis 6,10 m (8 bis 20 foot) Länge in irgend­ einem der gegenwärtig verfügbaren Vakuumöfen, ein­ schließlich der Öfen, die Inertgas-Abschrecksysteme verwenden, nicht erreichen.

Elementares Titan kommt in zwei geometrischen Formen vor. Bei Temperaturen unterhalb von 885°C (1625°F) hat Titan eine Struktur mit hexagonal-dichtester Packung, die die α-Phase ist. Bei höheren Temperaturen wandelt es sich in die β-Phase um, eine kubisch-flächenzentrierte Geometrie. Legierungselemente oder Stabilisatoren ändern die Temperatur, bei der der β-Zustand stabil wird. In einer β-Legierung, wie der hier verwendeten, zersetzt die Einwirkung ausgewählter höherer Temperaturen die β-Struktur unter Ausfällung einer feinen Dispersion der α-Phase, die die Festigkeit erhöht.

Während des Verfahrens der Fertigung von Rohren durch­ läuft das Metall vor und nach der Heiß- oder Kaltverar­ beitung mehrere Typen von Wärmebehandlungen, die ein Erhitzen auf speziell festgelegte Temperaturen während spezieller Zeiträume und nachfolgendes Abkühlen erfor­ dern. Das Abkühlen im Fall einer Lösungsbehandlung muß auch innerhalb einer speziellen Zeit stattfinden, um dem Metall die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Diese Behandlungen sind im wesentlichen: Entspannungsglühen, Lösungsbehandlung (manchmal als Lösungsglühen bezeich­ net) und Alterung. Daneben müssen nach der Wärmebehand­ lung verunreinigende Stoffe und Oxidationsprodukte ent­ fernt werden.

Das Lösungsglühen dient dazu, die Bruchzähigkeit und Duktilität bei Raumtemperatur zu erhöhen. Die Schritte des intermediären Lösungsglühens werden durchgeführt vor jedem sukzessiven Pilgerschritt oder Schritt der Kalt­ verformung des Produkts. Lösungsbehandlung oder Lösungs­ behandlung plus Schritt der Kaltverformung (Pilger­ schritt) und anschließendes Altern werden angewandt, um die Festigkeitswerte des Metalls zu erhöhen. Beim Er­ hitzen auf die Temperatur der Lösungsbehandlung von 732°C bis 816°C (1350°F bis 1550°F) und rasches Abkühlen wird die b-phase auf Raumtemperatur stabili­ siert, und beim anschließenden Altern bei niedrigeren Temperaturen von 427°C bis 677°C (800°F bis 1250°F) zersetzt sich die ß-Phase zu einer stärkeren Struktur, die auf einer feinen Dispersion der α-Phase beruht, die die Festigkeit der Legierung erhöht.

Nach dem Lösungsglühen kann das Abschrecken mit Hilfe von Wasser, Luft oder mittels eines Ofens vorgenommen werden, wobei diese einzelnen Methoden jeweils unter­ schiedliche Zugfestigkeiten nach dem Altern ergeben. Die Geschwindigkeit des Abkühlens von den Temperaturen des Lösungsglühens ist kritisch. Wenn der Vorgang zu langsam erfolgt, tritt während des Abkühlens partielle Zerset­ zung der β-Phase ein, und das anschließende Altern der β-Phase führt nicht zu dem gewünschten Effekt der Ver­ festigung; optimale Duktilität für den nachfolgenden Pilgerschritt wird nicht erreicht, und die Eigenschaften des fertigen Erzeugnisses nach dem Altern sind nicht mehr vorhersagbar, und subnormale Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität sind die Folge. Die durch­ gehende Lösungsbehandlung der Legierung erfordert, daß das Abkühlen innerhalb von etwa 5 min erfolgt, je nach der Zusammensetzung der Legierung. Zur Vermeidung der Bildung einer Oxid-Schicht auf der Oberfläche des Metalls und einer wahrgenommenen nachteiligen Auswirkung auf die endgültigen Eigenschaften des Metalls lehrt der Stand der Technik, daß das Abkühlen in einem Vakuum-Ofen durchgeführt werden sollte. Bedauerlicherweise sind keine Vakuum-Öfen verfügbar, die Rohre von mehr als 2,44 m (8 feet) Länge aufzunehmen vermögen, die in der Luftfahrt-Industrie gebraucht werden. Wenn die Bildung einer Oxid-Schicht ohne Konsequenzen ist, kann das effektive Abschrecken unter Verwendung verfügbarer Öfen für eine Wärmebehandlung an der Luft erfolgen, wobei Luft, Wasser, Kochsalz-Lösung oder Ätzalkali-Lösungen, je nach Bedarf, angewandt werden, um die erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit zu erzielen. Diese hängt ab von der Querschnitt-Dicke und der Größe des Rohres.

Die abschließenden Schritte in dem Verfahren sind das Altern und die Entspannung. Die Entspannungs-Behandlun­ gen senken die von der Kaltverarbeitung und vom Richten herrührenden unerwünschten Restspannungen. Dies erhält die Formbeständigkeit ohne Einbuße an Streckfestigkeit.

Das Altern besteht aus einem erneuten Erhitzen auf Zwischentemperaturen, was eine partielle Zersetzung der β-Phase unter Erhöhung der Festigkeit verursacht.

Vor der vorliegenden Erfindung existierte keine Lösung für diese Probleme. Dementsprechend ist Rohrmaterial aus β-Titan-Legierungen bislang nicht technisch hergestellt worden.

Die vorliegende Erfindung macht nunmehr ein Verfahren zur Herstellung von Rohrmaterial aus einer Titan-Legie­ rung der metastabilen β-Phase durch eine Reihe von Pilgerschritten und nachfolgendes Glühen verfügbar. Um die mit dem Vakuum-Ofen zusammenhängenden Probleme zu umgehen, wird das Lösungsglühen für sämtliche Zwischen- Arbeitsgänge in einem Ofen mit Luft-Atmosphäre durch­ geführt, worauf entweder mit Wasser oder mit Luft von Raumtemperatur abgeschreckt wird, um ein Abkühlen innerhalb von fünf (5) Minuten zu bewerkstelligen. Während des Glühens an der Luft bilden sich ein Oxid- Überzug und eine α-Phasen-Oxid-Diffusionsschicht auf dem Rohrmaterial. Nach dem Abschrecken werden die Rohre in einem heißen Salzbad entzundert und zur Entfernung der durch Sauerstoff verunreinigten Oberflächen-Schicht gebeizt. Nach dem letzten Arbeitsgang des Pilgerns kommt vorzugsweise die direkte Alterung in einem Vakuum-Ofen zur Anwendung. Dadurch, daß das gepilgerte Produkt direkt im Vakuum gealtert wird, wird eine Verunreinigung vermieden, und der Beizvorgang wird minimiert. Dies erzeugt auch ein feinkörnigeres Produkt, das sich für den Nachweis von Fehlstellen mittels Ultraschall-Prüfung besser eignet und bei verschiedenen Partien, Wärmeein­ wirkungen und Rohrgrößen eine gleichmäßigere Antwort- Reaktion auf das Altern zeigt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sämtliche Arbeitsgänge des Zwischenglühens in einer Luft-Atmo­ sphäre durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit der Dampfreinigung und dem Pilgern des Ausgangsmaterials. Das Produkt wird dann von dem Pilger-Verfahren entfettet und wiederum mit Dampf gereinigt. Dann wird der erste der Schritte des Glühens in einer Luft-Atmosphäre durchgeführt. Das Abschrecken erfolgt dann, wobei nach Bedarf Wasser oder Luft von Raumtemperatur eingesetzt werden, um innerhalb von 5 min abzukühlen. Nach dem Abkühlen wird das Metall in einem heißen Salzbad entzundert und in einer Lösung von Salpe­ tersäure-Flußsäure gebeizt, um die mit Sauerstoff ver­ unreinigte Oberflächenschicht zu entfernen. Das Produkt wird dann gerichtet, gereinigt und erneut gepilgert. Diese Verfahrensweise wird fortgesetzt wiederholt, bis der gewünschte Durchmesser und die gewünschte Dicke des Rohrmaterials erreicht sind. Nach Erreichen dieser Spezifikationen wird das Rohrmaterial gereinigt und in einer Vakuum-Umgebung anschließend gealtert. Dies be­ wirkt eine Entspannung und die Alterung, die zur Zer­ setzung der β-Phase erforderlich ist, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Normalerweise würde die ab­ schließende Behandlung aus einer Lösungs-Behandlung und dem anschließenden Altern bestehen. Das vorliegende Ver­ fahren benutzt die direkte Alterung in einem Vakuum-Ofen nach dem Pilgern, um die Verunreinigung der Oberfläche zu vermeiden, die auftreten würde, wenn die letzte Lösungs-Behandlung an Luft durchgeführt werden würde. Es entfernt auch Wasserstoff, der während vorangegangener Arbeitsgänge des Glühens und Beizens aufgenommen wurde. Dies resultiert in einem feinkörnigeren Produkt, das sich für den Nachweis von Fehlstellen mittels Ultra­ schall-Prüfung besser eignet und von Partie zu Partie, Wärmebehandlung zu Wärmebehandlung und bei verschiedenen Rohrgrößen eine gleichmäßigere Antwort-Reaktion auf das Altern zeigt.

BEISPIEL

Aus der Legierung Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1 wurde Rohrmaterial hergestellt. Begonnen wurde mit einem Rohr mit 86,4 mm (3,4 inch) Außendurchmesser, einer Wandstärke von 15,3 mm (0,60 inch) und einer Länge von 2,17 m (7,1 feet). Das Rohr wurde mit Hilfe der im folgenden aufgeführten Schritte bearbeitet, wodurch ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 9,525 mm (0,375 inches), einer Wandstärke von 0,71 mm (0,028 inches) und einer Länge des Fertigprodukts von 270,4 m (887,1 feet) hergestellt wurde.

• 1. Das Rohr wird mit Dampf gereinigt.
• 2. Das Rohr wird auf einen Außendurchmesser von 60,33 mm (2,375 inch), eine Wandstärke von 8,38 mm (0,330 inch) und eine Länge von 5,33 m (17,5 feet) gepilgert.
• 3. Das Rohr wird entfettet und alkalisch und mit Dampf gereinigt.
• 4. Das Rohr wird 15 min bei 816°C (1500°F) in einer Luft-Atmosphäre geglüht und dann abgekühlt.
• 5. Das Rohr wird entzundert, gebeizt und gerichtet.
• 6. Das Rohr wird mit Dampf gereinigt.
• 7. Das Rohr wird auf einen Außendurchmesser von 38,1 mm (1,50 inch), eine Wandstärke von 5,02 mm (0,198 inch) und eine Länge von 13,50 m (44,3 feet) gepilgert.
• 8. Das Rohr wird entfettet und alkalisch und mit Dampf gereinigt.
• 9. Das Rohr wird 10 min bei 816°C (1500°F) in einer Luft-Atmosphäre geglüht und dann abgekühlt.
• 10. Das Rohr wird entzundert, gebeizt und gerichtet.
• 11. Das Rohr wird mit Dampf gereinigt.
• 12. Das Rohr wird auf einen Außendurchmesser von 25,50 mm (1,004 inch), eine Wandstärke von 2,54 mm (0,100 inch) und eine Länge von 38,07 m (124,9 feet) gepilgert.
• 13. Das Rohr wird entfettet und alkalisch und mit Dampf gereinigt.
• 14. Das Rohr wird 5 min bei 816°C (1500°F) in einer Luft-Atmosphäre geglüht und dann abgekühlt.
• 15. Das Rohr wird entzundert, gebeizt und gerichtet.
• 16. Das Rohr wird mit Dampf gereinigt.
• 17. Das Rohr wird auf einen Außendurchmesser von 15,98 mm (0,629 inch), eine Wandstärke von 1,40 mm (0,055 inch) und eine Länge von 105,77 m (347,0 feet) gepilgert.
• 18. Das Rohr wird entfettet und alkalisch und mit Dampf gereinigt.
• 19. Das Rohr wird 5 min bei 816°C (1500°F) in einer Luft-Atmosphäre geglüht und dann abgekühlt.
• 20. Das Rohr wird entzundert, gebeizt und gerichtet.
• 21. Das Rohr wird mit Dampf gereinigt.
• 22. Das Rohr wird auf einen Außendurchmesser von 9,63 mm (0,379 inch), eine Wandstärke von 0,81 mm (0,032 inch) und eine Länge von 295,14 m (968,3 feet) gepilgert.
• 23. Das Rohr wird entfettet, eingeseift und gespült.
• 24. Das Rohr wird blitzgebeizt.
• 25. Das Rohr wird 180 min bei 649°C (1200°F) in einem Vakuum-Ofen gealtert.
• 26. Der Innendurchmesser wird gesandstrahlt, um die Oberfläche für das Beizen vorzubereiten.
• 27. Der Außendurchmesser wird leicht poliert, um die Oberfläche für das Beizen vorzubereiten.
• 28. Von dem Innendurchmesser werden 0,051 mm (0,002 inches) durch Beizen entfernt.
• 29. Von dem Außendurchmesser werden 0,051 mm (0,002 inches) durch Beizen entfernt.
• 30. Endgültiger Außendurchmesser:
  9,525 mm (0,3750 inches).
  Endgültige Wandstärke:
  0,711 mm (0,0280 inches).
  Endgültige Länge:
  270,4 m (887,1 feet).
• 31. Das Rohr wird mittels Ultraschall und visuell untersucht und auf Festigkeit und Qualität ge­ prüft.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einer Titan-Legierung der metastabilen β-Phase durch eine Reihe von wenigstens einem Schritt der Kaltverformung und nachfolgend einem Schritt des Glühens, wobei die Legierung nach dem Glühen rasch abgekühlt wird, um optimale physikalische Eigenschaften zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung während wenigstens eines der Schritte aus der Reihe der Schritte der Kaltverformung und des Glühens an der Luft geglüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während eines letzten Schrittes des Glühens eine direkte Alterung im Vakuum durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugnisse aus der β-Titan-Legierung Rohre sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die b-Titan-Legierung die Legierung Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al ist.