DE3837544A1

DE3837544A1 - Verfahren zum verbessern der bruchzaehigkeit einer hochfesten titanlegierung

Info

Publication number: DE3837544A1
Application number: DE3837544A
Authority: DE
Inventors: Michael Price Smith; Edgar Earl Brown; Martin John Blackburn
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1989-06-01
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: GB2212432A; GB8825543D0; DE3837544C2; JPH01162755A; US4842652A; FR2623523B1; FR2623523A1; JP2728905B2; GB2212432B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das thermische/mechanische Bearbeiten von Gegenständen aus einer Titan-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246)-Legierung zum Verbessern der Bruchzähigkeit und der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele (im folgenden abgekürzt mit LCF für low cycle fatigue bezeichnet).

Titanlegierungen werden weitgehend für Hochleistungszwecke benutzt, z.B. in Gasturbinentriebwerken. Für jeden Verwendungszweck gibt es ein anderes Gleichgewicht der verlangten Eigenschaften. Bei der Verwendung in Gasturbinentriebwerken gibt es jedoch eine gemeinsame Forderung für gute LCF-Eigenschaften in Kombination mit einer hohen Bruchzähigkeit und guten Zugfestigkeitseigenschaften. Niedrige Rißbildungs- und -wachstumsgeschwindigkeiten bei Wechselbeanspruchung sind besonders wichtige Faktoren bei rotierenden Teilen wie Gasturbinenscheiben, die dauerfest sein müssen und im Falle einer Beschädigung rißausbreitungsbeständig sein müssen. Sollte sich ein Riß bilden, wird die begrenzende Größe vor einem schnellen Ausfall durch die Bruchzähigkeit des Materials gesetzt. Je größer der Wert ist, umso rißbeständiger ist das Material. Für Scheiben, die bei höheren Temperaturen (< 260°C oder 500°F) arbeiten, werden gute Zeitstandeigenschaften zusammen mit Freiheit von Eigenschaftsverschlechterung während langzeitiger Beaufschlagung mit höheren Temperaturen verlangt.

Die Legierung Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo ist für Gasturbinentriebswerkszwecke wegen ihrer guten Zugfestigkeit und LCF-Eigenschaften attraktiv. Leider zeigt bislang diese Legierung, wenn sie herkömmlich bearbeitet wird, eine relativ geringe Bruchzähigkeit und eine beträchtliche Verringerung der LCF-Eigenschaften, wenn die Oberfläche des Gegenstands auch nur geringfügig beschädigt, d.h. verkratzt ist. Diese Nachteile haben den Gebrauch dieser Legierung in Gasturbinentriebwerken begrenzt.

Gemäß der Erfindung werden Gegenstände aus einer Ti-6246-Legierung mit verbesserten Eigenschaften hergestellt durch isothermisches Schmieden des Ausgangsmaterials in dem Beta-Phase-Feld, Lösungsglühen oder -behandeln des geschmiedeten Gegenstands in dem Zweiphasen(Alpha plus Beta)-Feld, Abkühlen mit einer kontrollierten Geschwindigkeit und Ausscheidungsbehandeln bei etwa 593°C (1100°F).

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

Fig. 1 die Beziehung zwischen der Querschnittsdicke und der Abkühltechnik,

Fig. 2 eine Mikrophotographie des erfindungsgemäß bearbeiteten Materials,

Fig. 3 die Zugfestigkeitseigenschaften von erfindungsgemäß bearbeitetem Material und von auf bekannte Weise bearbeitetem Material, und

Fig. 4 Bruchzähigkeitswerte für erfindungsgemäß bearbeitetes Material und für auf bekannte Weise bearbeitetes Material.

Die Erfindung beinhaltet ein thermisches/mechanisches Verfahren zum Verbessern von gewissen Eigenschaften der Titanlegierung Ti-6246 ohne übermäßiges Reduzieren von anderen wichtigen Eigenschaften. Die kommerziellen Zusammensetzungsgrenzwerte für die Legierung Ti-6246 sind in Tabelle I angegeben.


Gewichtsprozent
Al
5,5-6,5
Zr	3,5-4,5
Sn	1,75-2,25
Mo	5,5-6,5

Rest im wesentlichen Titan

Diese Legierung kann folgendermaßen bearbeitet werden, um die Bruchzähigkeit zu verbessern und die LCF-Empfindlichkeit für Oberflächendefekte zu reduzieren. Der erste Schritt besteht darin, das Material in dem Beta-Phase-Feld zu schmieden. Bei dieser Legierung liegt die Betatransustemperatur bei ungefähr 943°C (1730°F), und der Schmiedevorgang wird deshalb oberhalb dieser Temperatur ausgeführt, vorzugsweise aber innerhalb von etwa 55°C (100°F) der Betatransustemperatur. Alle Teile des Legierungsgegenstands müssen während des Schmiedens oberhalb der Betatransustemperatur bleiben. Das macht es erforderlich, Gesenke zu benutzen, die auf eine Temperatur erhitzt werden, welche das Abkühlen der Legierungsoberfläche unter die Betatransustemperatur während des Schmiedens verhindert. Die Gesenke werden vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Betatransustemperatur erhitzt und ebenfalls vorzugsweise auf eine Temperatur innerhalb von etwa 28°C (50°F) der gewünschten Schmiedetemperatur. Zum Erzielen der gewünschten Resultate sollte der Schmiedevorgang eine Querschnittsverringerung von wenigstens etwa 50% ergeben, insbesondere in kritischen Teilbereichen.

Das Schmiedestück wird dann bei einer Temperatur unter der Betatransustemperatur lösungsgeglüht, vorzugsweise zwischen etwa 888°C (1630°F) und 943°C (1730°F), d.h. unterhalb, aber innerhalb von etwa 55°C (100°F) der Betatransustemperatur. Die Lösungsglühzeit wird im allgemeinen etwa 1 bis etwa 4 Stunden betragen.

Ein wichtiger Schritt in dem Verfahren ist der Abkühlschritt nach dem Lösungsglühen. Die Abkühlgeschwindigkeit muß kontrolliert werden, damit das richtige Gleichgewicht zwischen Festigkeits- und Bruchzähigkeits/Duktilitätseigenschaften erzielt wird. Die Abkühlgeschwindigkeit ist wichtig ab der Lösungsglühtemperatur herunter auf etwa 371°C (700°F), wo die Legierung thermisch stabil wird. Der kritischste Teil dieses Bereiches ist der zwischen der Lösungsglühtemperatur und etwa 760°C (1400°F).

Verschiedene Methoden stehen zur Verfügung, um die notwendige Abkühlgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Größe, Masse und Geometrie des Gegenstands zu erreichen. Praktische industrielle Kühltechniken reichen von Luftkühlung (einer langsamen Geschwindigkeit) bis Wasserhärtung (einer schnellen Geschwindigkeit). Bei einer besonderen Abkühltechnik wird ein Gegenstand mit dünnem Querschnitt (kleiner Masse) schneller Abkühlen als ein Gegenstand mit dickem Querschnitt (großer Masse). Bei einer besonderen Abkühltechnik ist die Querschnittsdicke der Hauptfaktor für die Festlegung der Abkühlgeschwindigkeit. Zum Erzielen einer besonderen Abkühlgeschwindigkeit innerhalb des für die Erfindung notwendigen Bereiches muß daher die Querschnittsgröße des Gegenstands mit der Abkühltechnik koordiniert werden. Fig. 1 zeigt ein Schema, das die geeigneten Abkühltechniken für unterschiedlich dicke Querschnitte veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 können Gegenstände mit dünnem Querschnitt, die eine Dicke von weniger als etwa 25,4 mm (1 Zoll) haben, mit der notwendigen Geschwindigkeit durch Lufkühlung abgekühlt werden.

Dickere Querschnitte bis ungefähr 152,4 mm (6 Zoll) können über den kritischen Temperaturbereich mit einer geeigneten Geschwindigkeit abgekühlt werden, indem sie aus dem Lösungsglühofen direkt in ein Salzbad überführt werden. Teile mit relativ dünnem Querschnitt in der Größenordnung von 25,4-51 mm (1 bis 2 Zoll) erfahren die gewünschte Abkühlgeschwindigkeit in einem Salzbad mit hoher Temperatur in der Größenordnung von 538°C (1000°F) bis 760°C (1400°F), wogegen relativ dicke Querschnitte in der Größenordnung von 102 bis 152,4 mm (4 bis 6 Zoll) die gewünschte Abkühlgeschwindigkeit in einem Salzbad mit niedriger Temperatur in der Größenordnung von 177°C (350°F) bis 316°C (600°F) erfahren. Für dickere Querschnitte von etwa 102 bis 203 mm (4 bis 8 Zoll) kann ein Ölabschreckbad benutzt werden.

Ein alternatives Verfahren für Gegenstände mit extrem dickem Querschnitt (größer als etwa 152,4 mm oder 6 Zoll) besteht darin, sie sehr scharf abzuschrecken, z.B. in Wasser, und sie dann in dem Temperaturbereich von 816°C (1500°F) bis 871°C (1600°F) für 1-4 Stunden anzulassen, d.h. nachzuerwärmen. Das ist die aggressivste Abkühltechnik, die für Gegenstände mit dickem Querschnitt anwendbar ist.

Die Abkühlgeschwindigkeit kann als eine tatsächliche mittlere Metallabkühlgeschwindigkeit ausgedrückt werden, die ungefähr gleich der ist, welche ein in ruhender Luft abgekühlter Querschnitt mit einer Dicke von 6,3 bis 25,4 mm (0,25-1,0 Zoll) erfährt.

Für Gegenstände variierender Dicke wird die Abkühltechnik so gewählt, daß sich die erfindungsgemäße Abkühlgeschwindigkeit (und deshalb die erfindungsgemäßen Eigenschaften) in demjenigen Teil des Gegenstands ergibt, der die besten Eigenschaften verlangt.

Zum Modifizieren der Abkühlgeschwindigkeit sind Variationen möglich, insbesondere das Bewegen des Kühlmittels. Außerdem kann die Abkühlgeschwindigkeit eines Wasserbades modifiziert werden, indem Salz oder lösliche Öle zugesetzt werden. Diese und andere Variationen liegen im Rahmen der Erfindung.

Nach dem Abkühlschritt und ungeachtet der benutzten Alternative wird dem Gegenstand eine Ausscheidungsbehandlung bei einer Temperatur von etwa 593° (1100°F), d.h. bei einer Temperatur in dem Bereich von 538-649°C (1000-1200°F) für etwa 2 bis etwa16 Stunden gegeben.

Das Schmieden oberhalb der Betatransustemperatur führt zu einer nadelförmigen "Würfelbindung"-Alphaphasenmorphologie bei dem anschließenden Abkühlen. Es ist bekannt, daß diese Morphologie zu größerer Zähigkeit in Titanlegierungen führt, welche üblicherweise von einem Mangel an LCF- und Zugduktilität begleitet ist. Die angegebenen Wärmebehandlungsverfahren führen zu größerer Zähigkeit, ohne einen großen LCF-Mangel zu verursachen.

Das Lösungsglühen von Alpha + Beta-Titanlegierungen nahe bei, aber unterhalb der Transformationstemperatur vergrößert die Menge an vorhandener Betaphase und begrenzt das Kornwachstum, welches oberhalb der Betatransustemperatur schnell auftreten würde. Das Vergrößern der Menge an Betaphase vergrößert die Legierungsfestigkeit. Der Schlüssel zum Erzielen des gewünschten Eigenschaftsgleichgewichts in der Legierung ist die Bearbeitung nach dem Lösungsglühen, hauptsächlich die Abkühlmethode, bei welcher Mengen an metastabilem Beta, Martensit und Alpha erzielt werden. Darüber hinaus wird die Morphologie des transformierten Alpha während dieser Behandlung ebenfalls festgelegt. Für eine optimale Zähigkeit ist ein grobes Netzwerk aus Alphaplättchen in einer Widmanstatten ("Würfelbindung") - oder Koloniematrix erforderlich, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das wird erreicht durch Kontrollieren der Abkühlgeschwindigkeit, d.h. durch Luftkühlung oder, bei Gegenständen mit komplexer Geometrie, durch isothermisches Transformieren und Wachsen in einer Salzschmelze oder in einem herkömmlichen Ofen in dem Bereich von 816-899°C (1500-1650°F) nach einem Wasserhärten, d.h. Abschrecken in Wasser. Während dieses Schrittes zerfällt jeder verbliebene Martensit. Die Ausscheidungsbehandlung führt zur Bildung eines Netzwerks von sehr feinen Alphaplättchen in den Betagebieten.

Tabelle II zeigt die Zugfestigkeitseigenschaften bei verschiedenen Temperaturen für Material dünnen Querschnitts, das gemäß der Ausführungsform der Erfindung mit Luftabkühlung bearbeitet worden ist. Die Werte in eckigen Klammern sind die Werte für auf herkömmliche Weise bearbeitetes Ti-6246-Material. Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäßen Zugfestigkeitseigenschaften nur geringfügig niedriger sind als die durch herkömmliche Bearbeitung erzielten Zugfestigkeitseigenschaften.

Die Tabellen III und IV zeigen die Zugfestigkeitseigenschaften für die Legierung Ti-6246, die entsprechend den erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit Abschrecken im Salzbad bzw. Abschrecken in Wasser plus Anlassen bearbeitet worden sind, wobei die in eckigen Klammern angegebenen Werte für auf herkömmliche Weise bearbeitetes Material gelten. Es ist zu erkennen, daß die Zeitdehnwerte für das erfindungsgemäß bearbeitete Material mit denjenigen des auf bekannte Weise bearbeiteten Materials vergleichbar sind. Die Tabellen II, III und IV zeigen auch typische Werte der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die gemäß der Erfindung bearbeitete Legierung Ti-6246 und wieder in eckigen Klammern für das auf herkömmliche Weise bearbeitete Material. Hier ist zu erkennen, daß die Werte der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die Erfindung beträchtlich größer sind als diejenigen, die sich durch die bekannte Bearbeitung ergeben. Die Tabellen II und IV zeigen im wesentlichen äquivalentes bzw. merklich verbessertes Zeitstandverhalten für das erfindungsgemäße Material.

Eine weitere umfangreich benutzte Titanlegierung ist Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo). Diese Legierung wird gegenwärtig stärker als die Legierung Ti-6246 in Gasturbinentriebwerken für umlaufende Teile benutzt, weil sie ein besseres Gleichgewicht aus Bruchzähigkeit und Zugfestigkeitseigenschaften ergibt als die auf bekannte Weise bearbeitete Legierung Ti-6246. Fig. 3 vergleicht die Zugfestigkeitseigenschaften als Funktion der Temperatur für Ti-6246, bearbeitet gemäß der Erfindung, und Ti-6242. Es ist zu erkennen, daß hinsichtlich der Festigkeit das erfindungsgemäß bearbeitete Material stärker ist als das Material Ti-6242, aber weniger Dehnung hat. Fig. 4 ist ein Balkendiagramm, welches die Bruchzähigkeit von Ti-6246-Material, das gemäß der Erfindung bearbeitet worden ist, und von Ti-6242-Material, dem zwei verschiedene Bearbeitungen gegeben worden sind, zeigt. Es ist zu erkennen, daß das gemäß der Erfindung bearbeitete Material einen höheren Bruchzähigkeitswert als das Material Ti-6242 hat, und es ist außerdem zu erkennen, daß der Schritt des Abschreckens im Salzbad, der weiter oben als Teil der Erfindung erläutert worden ist, höhere Bruchzähigkeitswerte als der einfache Luftkühlprozeß erzeugen kann. Hinsichtlich der Zeitstandlebensdauer erfährt Ti-6242, dem eine herkömmliche Bearbeitung gegeben wird und das bei 427°C/448 MPa (800°F/65 KSI) getestet worden ist, 0,1% Kriechdehnung in etwa 55 Stunden, wohingegen Ti-6246, das gemäß der Erfindung bearbeitet worden ist, etwa 120 Stunden erfordert, um dasselbe Ausmaß an Kriechdehung zu erfahren. Bei dem Testen der Dauerwechselfestigkeit versagte herkömmlich bearbeitetes Ti-6242-Material nach 1×10⁴ bis 4×10⁴ Lastspielen, wogegen Material, das gemäß der Erfindung bearbeitet wurde, keine Anzeichen eines Ausfalls bei 3×10⁵ Lastspielen zeigte.

Die erfindungsgemäße Bearbeitung stellt daher ein Verfahren dar, durch das gewisse mechanische Eigenschaften von Ti-6246 verbessert werden,ohne daß andere wichtige Eigenschaften übermäßig reduziert werden. Ti-6246, das gemäß der Erfindung bearbeitet worden ist, wird Eigenschaften aufweisen, die insgesamt besser sind als die von Ti-6242.

Tabelle II

Luftgekühlt

(Werte in eckigen Klammern gelten für den Stand der Technik)

Tabelle III

Im Salzbad abgeschreckt

(Werte in eckigen Klammern gelten für den Stand der Technik)

Tabelle IV

Abschrecken im Wasserbad und Anlassen

(Werte in eckigen Klammern gelten für den Stand der Technik)

Claims

1. Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246-Legierung mit einer Betatransustemperatur von etwa 943°C (1730°F) zum Verbessern der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele und der Bruchzähigkeit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Warmgesenkschmieden der Legierung oberhalb der Betatransustemperatur;
b) Lösungsglühen der geschmiedeten Legierung unter, aber innerhalb von etwa 55°C (100°F) der Betatransustemperatur;
c) Abkühlen der geschmiedeten Legierung mit einer Geschwindigkeit, die der äquivalent ist, welche durch Abkühlen eines 6,3-25,4 mm (0,25-1,0 Zoll) dicken Querschnitts in ruhender Luft erzielt wird; und
d) Ausscheidungsbehandeln der geschmiedeten Legierung bei 593-649°C (1100-1200°F) für 2-16 Stunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden eine Querschnittsverringerung von wenigstens 2:1 ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden bei einer Temperatur über, aber innerhalb von etwa 55°C (100°F) der Betatransustemperatur erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen für eine Zeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausscheidungsbehandlung für eine Zeit von 2 bis 16 Stunden ausgeführt wird.

6. Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246-Legierung mit einer Betatransustemperatur von etwa 943°C (1730°F) zum Verbessern der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele und der Zähigkeit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Warmgesenkschmieden der Legierung oberhalb der Betatransustemperatur;
b) Lösungsglühen der geschmiedeten Legierung unter, aber innerhalb von etwa 28°C (50°F) der Betatransustemperatur;
c) Abschrecken der geschmiedeten Legierung in einem Salzbad, das auf einer Temperatur von 204-760°C (400-1400°F) gehalten wird; und
d) Ausscheidungsbehandeln der geschmiedeten Legierung bei 593-649°C (1100-1200°F) für 2-16 Stunden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden eine Querschnittsverringerung von wenigstens 2:1 beinhaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden bei einer Temperatur über, aber innerhalb von etwa 55°C (100°F) der Betatransustemperatur erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen für eine Zeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausscheidungsbehandlung für eine Zeit von 2 bis 16 Stunden ausgeführt wird.

11. Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246 Legierung mit einer Betatransustemperatur von etwa 943°C (1730°F) zum Verbessern der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele und der Zähigkeit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Warmgesenkschmieden der Legierung oberhalb der Betatransustemperatur;
b) Lösungsglühen der geschmiedeten Legierung unter, aber innerhalb von etwa 28°C (50°F) der Betatransustemperatur;
c) Wasserhärten der geschmiedeten Legierung;
d) Erhitzen der geschmiedeten Legierung auf eine Temperatur zwischen etwa 816°C (1500°F) und der Lösungsglühtemperatur des Schrittes b) für 1-10 Stunden; und
e) Ausscheidungsbehandeln der geschmiedeten Legierung bei 593-649°C (1100-1200°F) für 2-16 Stunden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden eine Querschnittsverringerung von wenigstens 2:1 beinhaltet.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden bei einer Temperatur über, aber innerhalb von etwa 55°C (100°F) der Betatransustemperatur erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen für eine Zeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausscheidungsbehandeln für eine Zeit von 2 bis 16 Stunden erfolgt.