DE3881894T2 - Titanlegierungen. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Titanlegierungen, die auf der geordneten intermetallischen Verbindung Ti&sub3;Al basieren oder diese enthalten und zur Verwendung bei Hochtemperaturanwendungsfällen geeignete Eigenschaften haben. Die Erfindung richtet sich insbesondere, obwohl nicht ausschlieβlich, auf Materialien zur Verwendung als Bauteile im Kompressorabschnitt von Gasturbinenantrieben.
• Titanbasislegierungen erfreuten sich einer bemerkenswerten Verwendung als Kompressorabschnittsmaterialien wegen ihres Festigkeits/Gewichts-Vorteils gegenüber alternativen Materialien wie Stählen. Jedoch haben vorliegende handelsübliche Titanlegierungen des herkömmlichen Titanbasistyps eine begrenzte Temperaturtoleranz bezüglich der Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Diese Begrenzungen beschränken die Verwendung der bekannten Titanlegierungen auf die Niederdruckstufen des Kompressors, wo Bauteile keinen Temperaturen von merklich über 540 ºC ausgesetzt werden. In den höheren Druckstufen des Kompressors werden feuerfestere Materialien, wie z. B. Eisen- oder Nickelbasissuperlegierungen, trotz des Gewichtsnachteils, den sie bringen, verwendet. Es gibt einen handelsüblichen Trend zum "Ganztitan"-Kompressor, um Gewicht durch Beseitigung von Eisen- oder Nickelbasissuperlegierungsbauteilen zu sparen. Es gibt auch einen Trend zur Steigerung des Kompressordruckverhältnisses, um den Gesamttriebwerkswirkungsgrad zu verbessern, und dies würde den Kompressorabschnittsbauteilen eine erhöhte Temperaturbelastung auferlegen.
• Die bekannten Titanlegierungen basieren auf einer Matrix, die aus einer oder der anderen oder einer Mischung der beiden solcher in reinem Titan gefundenen Phasen besteht. Diese Phasen sind die α-Phase, die die Phase bei niedrigerer Temperatur und von hexagonaler dichtgepackter (hcp)- Struktur ist, und die β-Phase, die von kubisch raumzentrierter (bcc)-Struktur ist. Die β-Phase ist von der Übergangstemperatur von 882 ºC bis zum Schmelzpunkt stabil. Legierungszusätze ändern die Temperatur, bei der der Übergang von α zu β auftritt. Einige Elemente erniedrigen die β-Übergangstemperatur, und diese werden β-Stabilisierer genannt. Andere, die die β-Übergangstemperatur erhöhen, werden α-Stabilisierer genannt. Die Legierungen werden üblicherweise bezüglich ihres vorwiegenden Mikrogefüges bei Raumtemperatur und der Art und Anteile der Legierungsbestandteile in die folgenden Gruppen kategorisiert: α-Typlegierungen; β-Typlegierungen und α+β-Typlegierungen. Die α-Gruppe umfaßt auch solche Legierungen, die als "nahe α"-Legierungen bezeichnet werden.
• Es folgt hier eine Abschweifung zur Erläuterung, daβ das Atomprozentsystem in diesem Text hauptsächlich bei der Definition und Beschreibung der Erfindung verwendet wird, wobei die auf diese Weise angegebenen Zusammensetzungen mit "At.%" bezeichnet sind. In der Handelspraxis ist es herkömmlich, Zusammensetzungen im Gewichtsprozentsystem anzugeben, und dieses System wird hier beibehalten, wenn auf bekannte Legierungen verwiesen wird, die in der Quellenveröfentlichung in Gewicht angegeben sind. Gewichtsmäßig angegebene Zusammensetzungen werden mit "Gew.%" bezeichnet.
• IMI 829 ist eine handelsübliche Legierung, die repräsentativ für die besten der bekannten Gasturbinenantriebs-Titanlegierungen hinsichtlich der Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit in ihren Hochtemperatureigenschaften ist (IMI 829 ist eine Handelsbezeichnung von IMI Titanium). Diese "nahe-α"-Legierung hat eine Nennzusammensetzung von Ti-5,5Al-3,5Sn-3Zr-1Nb-0,25Mo-0,3Si (At.%). Die Eigenschaften dieser Legierung werden als eine Basislinie zum Vergleich an verschiedenen Punkten in dieser Beschreibung verwendet. Sie ist durch Hochtemperaturoxidation und deren nachteilige Wirkung auf Ermüdungseigenschaften für Verwendungszwecke beschränkt, die keine Aussetzung bei Temperaturen von 550 ºC und darüber erfordern.
• Eines der bei den bekannten Titanbasislegierungen verwendeten Legierungselemente ist Aluminium, das ein α-Stabilisierer ist. Wenn Aluminium Titan in geeignetem Anteil zugesetzt wird, bildet sich eine geordnete intermetallische Verbindung Ti&sub3;Al. Sie wird als die α&sub2;-Phase bezeichnet und hat eine geordnete hcp-Struktur. In den bekannten Legierungen ist der Aluminiumgehalt durch Bezugnahme auf eine empirische Regel auf ein Niveau unter dem beschränkt, bei dem die α&sub2;-Phase aufzutreten beginnt, weil diese Phase als versprödend bezüglich der vom Matrixmaterial gezeigten Duktilität usw. betrachtet wird. Jedoch sind die Eigenschaften von Ti&sub3;Al derart, daß es für einige Jahre Aufmerksamkeit als die mögliche Basis für eine Titanlegierungsklasse mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften auf sich gezogen hat. Die α&sub2;-Phase hat bekanntlich besonders hohe Steifheit in Kombination mit guter Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Aluminium ist weniger dicht als Titan, so daß ein hoher Aluminiumgehalt an sich schon für die daraus folgende Verringerung der Dichte attraktiv ist. Jedoch ist, obwohl es viele Hinweise in der technischen Literatur zur Forschung in α&sub2;-Basis-Legierungssystemen gibt, nur von einer solchen Legierung bekannt, daß sie in gewissem Ausmaß im Handel erhältlich wurde, und diese wird durch Timet Corporations (USA) hergestellt. Ein weiterer Hinweis auf diese Legierung wird später in dieser Beschreibung gegeben. Allgemein litten die anderen α&sub2;-Legierungen am Mangel von Duktilität bei niedrigen Temperaturen (Umgebung und darüber) und waren von relativ hoher Dichte im Vergleich mit herkömmlichen Titanlegierungen.
• Eine frühzeitige Arbeit auf dem Gebiet der Ti&sub3;Al-Basislegierungen wurde von McAndrews et al in einigen in den 1960ern ausgegebenen Berichten dokumentiert. Diese Legierungen basierten auf dem Ti-Al-Nb-System, und Versuche wurden mit der ternären Legierung und Legierungen mit Zusätzen von Hf, Zr, C und B durchgeführt. Die geprüften Legierungen umfassen Al-Gehalte von 7,5 bis 17,5 Gew.% und Nb-Gehalte von 15 bis 35 Gew.%, jedoch überhaupt keine Kombinationen von beiden. Die Berichte kamen zu dem Schluß, daß Legierungen mit hohen Nb- bzw. Al-Gehalten, die noch Hf und Zr enthalten, sich am meistversprechenden erwiesen.
• In US 3 411 901 (GB 1 041 701) werden Ti-Basislegierungen mit 10 bis 30 Gew.% Al und Nb offenbart, wo der Nb-Gehalt 8/7 des Al-Gehalts (gewichtsmäßig) plus oder minus 5 % ist. Si (bis zu 2 Gew.%) wird als ein brauchbarer Zusatz zur Förderung der Hochtemperaturfestigkeit und -oxidationsbeständigkeit offenbart. Kleine Mengen von Hf, Zr oder Sn könnten zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Hochtemperaturfestigkeit enthalten sein. In den Patentbeschreibungen ist der einzige Kommentar, der bezüglich des Mikrogefüges dieser Legierungen gegeben wird, der in der US- Veröffentlichung gegebene, jedoch in der britischen nicht gegebene Kommentar, daβ die Legierungen vom α-β-Typ sind. Diese Patentbeschreibungen liefern nur wenig Information bezüglich der durch die Legierungen innerhalb des beanspruchten Bereichs erzielten Eigenschaften. Soweit uns bekannt ist, fanden diese Legierungen kein Ausmaß kommerzieller Akzeptanz, falls sie tatsächlich in kommerziellem Maßstab produziert wurden.
• In GB 2 060 693 A (United Technologies Corporation) wird ein Bereich von Ti&sub3;Al-Basislegierungen offenbart. Der als die Erfindung beanspruchte Bereich ist Ti-Basis - 24 bis 27 Al - 11 bis 16 Nb (At.%), und der bevorzugte Bereich ist Ti-Basis - 24,5 bis 26 Al - 12 bis 15 Nb (At.%). Diese Zusammensetzungen nähern sich, wenn in Gewichtsprozent ausgedrückt, den folgenden: weiter Bereich Ti-Basis - 13,5 bis 14,7 Al - 21,4 bis 30 Nb; bevorzugter Bereich Ti-Basis - 13,7 bis 14,5 Al - 23,2 bis 28,3 Nb. Dort werden zwei Vergleichszusammensetzungen niedrigeren Aluminiumgehalts offenbart, welche Ti - 22 Al - 10 Nb und Ti - 22 Al - 5 Nb (beide At.%) sind. Eine beträchtliche Bedeutung wird in der Veröffentlichung dem Aluminiumgehalt zugeschrieben. Es wird festgestellt, daß "Es wird gefunden, daß sich die Duktilität und die Kriechfestigkeit umgekehrt zueinander über einen sehr engen Bereich des Aluminiumgehalts ändern, so daß der Aluminiumgehalt sehr kritisch ist". Die Minimalzahl von 24 At.% für den Aluminiumgehalt basiert auf einer Annahme, daß mindestens dieser Gehalt zur Sicherung einer befriedigenden Kriechfestigkeit (im Licht der Trenddaten innerhalb des beanspruchten Bereichs und der schlechten Eigenschaften der Legierungen mit 22 At.% Aluminium) trotz des festgestellten ungünstigen Effekts der Erhöhung des Aluminiumgehalts auf die Raumtemperatureigenschaften erforderlich ist. Die obere Aluminiumgrenze wird durch das Mindestniveau der Raumteperaturduktilität, das toleriert werden kann, und durch den Niobgehalt festgelegt. Der Niobbereich wird am oberen Ende durch Dichtebetrachtungen begrenzt und wird am unteren Ende durch das Mindestniveau der Raumtemperaturduktilität begrenzt, das toleriert werden kann.
• Innerhalb des beanspruchten Bereichs von Legierungen in GB 2 060 693 A gibt es sechs Legierungsbeispiele, die die Basislegierung, d. h. die ohne andere als bemerkenswert anzusehende Bestandteile dokumentieren. Deren Eigenschaften sind in der Tabelle 2 auf Seite vier der erwähnten Veröffentlichung durch die Zugdehnung bei Raumtemperatur und die Kriechbruchlebensdauer, wenn bei 650 ºC unter einer Belastung von 380 MPa getestet, dokumentiert. Die angegebenen Zusammensetzungen und Eigenschaften dieser Schlüssellegierungen werden unten wiedergegeben:
• Ti - 24 Al - 11 Nb (At.%) - Dehnung 4,0 % Kriechlebensdauer 20 Stunden
• Ti - 24 Al - 11 Nb (At.%) + nicht offenbarter Si-Gehalt - Dehnung 3,0 % Kriechlebensdauer 65 Stunden
• Ti-25 Al - 15 Nb (At.%) - Dehnung 3,0 % Kriechlebensdauer 130 Stunden
• Ti - 26 Al - 11 Nb (At.%) - Dehnung 1,5 % Kriechlebensdauer 80 Stunden
• Ti - 26 Al - 12 Nb (At.%) - Dehnung 1,4 % Kriechlebensdauer 143 Stunden
• Ti - 27 Al - 13 Nb (At.%) - Dehnung 1,0 Kriechlebensdauer 21 Stunden
• Diese vorstehend erfaßten Legierungen wurden in einem ß-Phasenlösungsbehandlungszustand ohne Anlassen getestet, und infolgedessen können die bezüglich der Zugdehnung erhaltenen Ergebnisse etwas optimistisch sein, weil allgemein eine Anlaßbehandlung ziemlich erforderlich sein kann, um ein befriedigendes Zugfestigkeitsniveau zu sichern und eine metallurgische Stabilität zur Verwendung bei der Betriebstemperatur zu verleihen. Es würde erwartet, daß eine künstliche Anlaßbehandlung oder alternativ ein Anlassen im Betrieb die Duktilität im Verhältnis zum Material vor dem Anlassen reduzieren würde, und unser eigener Test einer Legierung innerhalb des obigen Zusammensetzungsbereichs bestätigt, wenn wärmebehandelt und angelassen, diese Erwartung, siehe später gegebene Ergebnisse. Es ist auch bemerkenswert, daß keine Zugfestigkeits- oder Streckungsdaten für diese unangelassenen Legierungen gegeben werden.
• GB 2 060 693 A offenbart auch einige zusätzliche Bestandteile. Vanadin wird als der günstigste Bestandteil angesehen, und eine Legierung mit Vanadin in Gehalten bis zu 4 At.% als teilweiser Ersatz für Niob wird beansprucht. Andere erwähnte Bestandteile sind Si, C, B (sämtlich als Ersatz für Ti), Mo, W (beide als Ersatz für Nb) und Si, In (beide als Ersatz für Al). Diese zusätzlichen Bestandteile werden als bei bekannten Legierungen enthaltene Bestandteile erwähnt, die in der beanspruchten Legierung vorteilhaft sein können. Obwohl sogar eine Silizium enthaltende Legierung getestet worden war, hatte man nicht gesehen, daß sie einen erwähnenswerten Vorteil brachte, obwohl die Möglichkeit, daß sie einen Vorteil haben könnte, nicht ausgeschlossen wurde.
• Es wurde oben erwähnt, daß eine α&sub2;-Basislegierung von Timet Corporation (USA) hergestellt wird. Die Lage bezüglich der Unerhältlichkeit dieser Legierung oder Legierungen ist ungewiß, und sie kann außerhalb der USA unverfügbar sein. Wenig Eigenschaftsdaten wurden offenbart, und sogar die Zusammensetzung ist nicht sicher. Kurze Druckhinweise scheinen anzudeuten, daß diese fragliche Legierung Ti - 24 Al - 11 Nb (At.%) ist, und sie würde, wenn dies zutrifft, anscheinend eine Legierung sein, die gemäß dem Patent von United Technologies hergestellt ist. Die Zusammensetzung Ti - 24 Al - 11 Nb wurde von uns als Basis zum Vergleich mit der Legierung, die wir beanspruchen, verwendet.
• Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Titanlegierung vorzusehen, die sich zur Ausdehnung des Brauchbarkeitsbereichs solcher Legierungen (unter Berücksichtigung der vorhandenen bekannten Legierungen) auf über 600 ºC in Gasturbinen-Kompressorabschnitten u. dgl. eignet, und eine solche Legierung vorzusehen, die bessere Eigenschaften als die der bekannten Legierungen auf Basis von Ti&sub3;Al u. dgl. hat. Um als eine Kompressorlegierung brauchbar zu sein, muß die Legierung eine gute Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit bei den fraglichen Temperaturen (600 ºC und darüber) zeigen. Eine brauchbare Ti&sub3;Al-Legierung muß diese Eigenschaften zeigen und auch eine ausreichende Duktilität bei Raumtemperatur nach Schmieden haben, um eine weitere Verarbeitung zuzulassen. Die beanspruchte Legierung kann mit geeigneter Herstellung so verarbeitet werden, daß sie eine höhere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechlebensdauer bei einem gegebenen Niveau der Raumtemperaturduktilität als die im Patent von United Technologies offenbarten Legierungen (wie durch die in der Patentbeschreibung offenbarten Daten und unsere eigenen Versuche mit Ti - 24 Al - 11 Nb belegt) aufweist.
• Die bei der beanspruchten Legierung erzielten Verbesserungen müssen als unerwartet angesehen werden, mindestens insoweit, wie das Patent von United Technologies betroffen ist, weil die beanspruchte Zusammensetzung die in der Patentbeschreibung bezüglich des Aluminiumgehalts gegebene Firmenanleitung widerlegt und sich auf Silizium als vorteilhaften und erforderlichen Bestandteil stützt, während in der bekannten Veröffentlichung diesem Bestandteil kein besonderer Wert beigemessen wurde.
• Die Erfindung ist eine wärmebehandelbare Titanlegierung, die sich zur Verwendung als Bauteile im Kompressorabschnitt eines Gasturbinenmotors eignet und auf der intermetallischen Phase Ti&sub3;Al basiert oder sie enthält, wobei sie eine Zusammensetzung innerhalb des unten angegebenen Bereichs in Atomanteilen:
• 10 bis 23 % Aluminium
• 9 bis 15 % Niob
• 0,5 bis 1,0 % Silizium
• 0 bis 3 % Zirkonium
• 0 bis 3 % Vanadin
• 0 bis 3 % Molybdän
• Rest Titan, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen
• aufweist und wobei insgesamt nicht mehr als 5 % Bestandteile aus der aus Zirkonium, Vanadin und Molybdän bestehenden Gruppe vorliegen.
• Es ist nicht wesentlich, daß die Legierung irgendeinen Bestandteil aus der oben erwähnten Gruppe von Zirkonium, Vanadin und Molybdän enthält, da Legierungen mit besseren Eigenschaften als die bekannten Legierungen aus der quaternären Basislegierung von Ti - 20 bis 23 Al - 9 bis 15 Nb - 0,5 bis 1,0 Si hergestellt werden können, wenn sie geeignet wärmebehandelt und angelassen werden.
• Es wurde gefunden, daß ein Niobgehalt von etwa 11 At.% beste Eigenschaften hinsichtlich eines Ausgleichs zwischen der Kriechbruchlebensdauer und der Raumtemperaturduktilität ergibt. Der Niobgehalt scheint wichtiger als der Aluminiumgehalt in dieser Hinsicht innerhalb der Grenzen des beanspruchten Gesamtbereichs zu sein. Demgemäβ weist ein bevorzugter Legierungsbereich nominell 11 % Nb mit 20 bis 23 % Al, 0,5 bis 1,0 % Si und Rest Ti, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, auf.
• Das Silizium, das ein wesentliches Merkmal der beanspruchten Legierung ist, liefert einen bedeutenden Beitrag für die Eigenschaften der Legierung. Der optimale Siliziumgehalt kann von Zusammensetzung zu Zusammensetzung innerhalb des beanspruchten Bereichs variieren und kann auch von dem genauen Ausgleich der für die Legierung erforderlichen Eigenschaften abhängen. Es wurde gefunden, daß allgemein 0,9 % Si bessere Eigenschaften als 0,5 % Si liefert. Ein hoher Siliziumgehalt wird bei bekannten Legierungen der herkömmlichen Auswahl als unerwünscht betrachtet, und so halten wir es für vernünftig, den Siliziumgehalt auf maximal 1,0 % in der beanspruchten Legierung zu begrenzen, und ein bevorzugter Siliziumbereich ist 0,8 bis 1,0 At.%.
• Eine bevorzugte Legierung, die Ti - 23 Al - 11 Nb - 0,9 Si (At.%) aufweist, wurde als die Basis zur Untersuchung der Wirksamkeit zusätzlicher Bestandteile aus der Gruppe Zirkonium, Vanadin und Molybdän verwendet. Eine Legierung mit 2 At.% Zr als Ersatz für Nb führte zu einer verbesserten Kombination der Raumtemperaturfestigkeit und -duktilität mit der Kriechbruchlebensdauer. 2 At.% V war auch vorteilhaft, wenn zu Lasten von Nb zugesetzt, doch war es weniger wirksam, wenn als Ersatz für Ti eingeführt. Eine Legierung mit Ti - 23 Al - 11 Nb - 0,9 Si - 1,0 Mo, die nur im Zustand direkt nach dem Schmieden überprüft wurde, führte auch zu einer verbesserten Kombination der Eigenschaften gegenüber der Basislegierung im gleichen Zustand. Eine Grenze von 3 At.% für jeden dieser zusätzlichen Bestandteile einzeln und eine Grenze von 5 At.% von diesen insgesamt werden als ratsam gewertet, um ein Überschreiten der Brauchbarkeitsgrenze zu vermeiden.
• Die Eigenschaften der beanspruchten Legierungen und die Verfahren zu deren Herstellung und Wärmebehandlung werden unten anhand einiger Beispielszusammensetzungen angegeben. Es wird auch auf einige Vergleichszusammensetzungen außerhalb des beanspruchten Bereichs, jedoch nicht innerhalb des Standes der Technik, soweit er bekannt ist, hingewiesen. Zwei bekannte Zusammensetzungen werden auch für Vergleichszwecke angegeben, welche sind:
• a. IMI 829 als repräsentativ für gängige herkömmliche Legierungen und
• b. Ti - 24 Al - 11 Nb (At.%) zur Einschätzung der Eigenschaften der bekannten "handelsüblichen" Ti&sub3;Al-Legierung von Timet Corporation (USA)
• Sämtliche hergestellte und geprüfte Legierungsproben wurden als 200 g-Rohlinge durch Vakuumbogenschmelzen erzeugt. Nach Erstarrung und Abkühlung aus der ersten Schmelze wurden die Rohlinge umgedreht und (nach dem Vakuumbogenverfahren) zur verbesserten Homogenität umgeschmolzen. Diese Rohlinge wurden dann isothermisch bei 1000 ºC auf halbe Ursprungsdicke bei einem Belastungsgrad von 0,001/s geschmiedet. Diese geschmiedeten Stücke wurden in einige Teile unterteilt. Einige Teile wurden bearbeitet, um Zugtest- und Kriechtestproben im geschmiedeten Zustand zu erhalten. Andere Teile wurden besonderen Wärmebehandlungen unterworfen, bevor sie zur Testprobenform bearbeitet wurden.
• Die untersuchten quaternären Zusammensetzungen und die jeder von diesen gegebenen Bezeichnungen sind in der Tabelle 1 unten aufgeführt. Zwei ternäre Ti-Al-Nb-Legierungen und IMI 829 sind ebenfalls aufgeführt. TABELLE 1 Legierungszusammensetzungen (At.%) - alle haben Ti als Rest Legierungsbezeichnung Vergleichslegierungen Eine Auswahl von Legierungszuständen bezüglich Nach- Schmiedebehandlungen wurden untersucht. Diese sind in der Tabelle 2 unten angegeben. TABELLE 2 Legierungszustand Bezeichnung Geschmiedet (natürlich abgekühlt). 24 Stunden unter Vakuum bei 800 ºC angelassen, dann schnell in Gas abgekühlt. 1 Stunde unter Vakuum bei einer Temperatur im β-Feld lösungsgeglüht, dann in Gas schnell gekühlt, dann 24 Stunden bei 700 ºC unter Vakuum angelassen und wieder schnell in Gas gekühlt. Wie C, mit der Ausnahme, daβ 2 Stunden bei ºC angelassen wurde. 1 Stunde bei einer Temperatur im α- und β-Feld lösungsgeglüht, dann 2 Stunden bei 625 ºC angelassen, dann natürlich abgekühlt. Wie F&sub1;, mit der Ausnahme, daβ die Anlaβtemperatur 700 ºC ist.
BEMERKUNG
• 1. Sämtliche Gasschnellkühlung ist durch Argon und mit einer Geschwindigkeit von angenähert 6 ºC/s.
• 2. Bei den Behandlungen F&sub1; und F&sub2; wurden die Proben in einer evakuierten und dann mit Argon gefüllten Quarzeinkapselung behandelt, um eine Sauerstoffverunreinigung bei der natürlichen Abkühlungsphase zu vermeiden.
• Die β-Übergangstemperatur wurde für jede der Schwerpunktlegierungen durch eine herkömmliche Differentialthermoanalysentechnik bestimmt. Die β-lösungsbehandelten Proben wurden bei einer Temperatur über dem β-Übergang lösungsbehandelt. Die Lösungsbehandlungstemperatur variierte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung von 1050 ºC bis 1125 ºC. Die α- und β-lösungsbehandelten Proben wurden bei einer Temperatur unter dem β-Übergang lösungsbehandelt. Die Lösungsbehandlungstemperatur für diese Proben war in Abhängigkeit von der Zusammensetzung im Bereich von 900 ºC bis 1050 ºC.
• Es wurde gefunden, daß die Eigenschaften der beanspruchten Legierungen, wie bei anderen Ti&sub3;Al-Legierungen, merklich durch die Legierungsbehandlung beeinflußt werden. Diese Variation der Eigenschaften wird bezüglich der Legierungen 5A und 7A in der Tabelle 3 unten belegt. Die in der Tabelle 3 und den nachfolgenden Tabellen verwendeten Eigenschaftsmessungen sind: Zugdehnung bei Raumtemperatur (nominal 20 ºC) als eine Messung der Duktilität bei dieser Temperatur, Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und Kriechbruchlebensdauer, wenn auf Kriechen in Luft bei 625 ºC unter einer Last von 250 MPa geprüft. Der Kriechbruchtest wurde bei 1000 Stunden für solche Proben abgebrochen, die zu diesem Zeitpunkt noch intakt waren.
• Für einige Legierungen sind auch die Zugdehnung und die Zugfestigkeit bei 650 ºC in den Tabellen angegeben. TABELLE 3 Legierung Zustand Zugfestigkeit (MPa) Zugdehnung (%) Kriechbruchlebensdauer (Stunden) bei 20 ºC bei 650 ºC
• Allgemein wurde gefunden, daß der mit D&sub1; bezeichnete Legierungszustand zu den verläßlichsten guten Ergebnissen führt. Dies bedeutet nicht, daß es das Beste für alle Legierungen ist, sondern nur, daß es eine geeignete Basis ist, auf der man die relativen Eigenschaften der Legierungen innerhalb des beanspruchten Bereichs und der Legierungen außerhalb des beanspruchten Bereichs vergleichen kann. Die Tabelle 4 unten gibt einen Vergleich hauptsächlicher Eigenschaften für die beanspruchten Legierungen und die Vergleichslegierungen. TABELLE 4 Legierung Legierungszusammensetzung Zugfestigkeit (MPa) bei 20 ºC Zugdehnung % bei 20 ºC Kriechbruchlebensdauer (Stunden) Vergleichslegierungen
• Alle Legierungen innerhalb des beanspruchten Bereichs haben eine brauchbare Kombination der in der Tabelle 4 belegten drei Eigenschaften. Sie haben alle eine merklich höhere Kriechbruchlebensdauer als die bekannte IMI 829- Legierung und ein brauchbares Niveau der Zugdehnung bei Raumtemperatur, obwohl dies, wie erwartet würde, kein vergleichbares Niveau für die bekannte Legierung ist. Der Ausgleich der Zugdehnung und der Kriechbruchlebensdauer für alle diese Legierungen im beanspruchten Bereich ist höher als bei den Legierungen des Ti&sub3;Al-Typs, die außerhalb des beanspruchten Bereichs liegen, einschlieβlich der handelsüblichen Ti-24Al-11Nb-Zusammensetzung, die im D&sub1;-Zustand keine Zugdehnung, jedoch eine gute Kriechbruchlebensdauer hat. Die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur ist für alle Legierungen im beanspruchten Bereich in diesem Zustand gut. Für einige Legierungen gibt es einen beträchtlichen Vorteil in dieser Hinsicht gegenüber der bekannten IMI 829-Legierung. Eine umfassendere Aufstellung der Eigenschaften für die hauptsächlichen Legierungen im beanspruchten Bereich und Vergleichslegierungen wird in der Tabelle 5 unten gegeben. TABELLE 5 Legierung Zustand Zugfestigkeit (MPa) Zugdehnung (%) Kriechbruchlebensdauer (Stunden) bei 20 ºC bei 650 ºC TABELLE 5 (Fortsetzung) Vergleichslegierungen Legierung Zustand Zugfestigkeit (MPa) Zugdehnung (%) Kriechbruchlebensdauer (Stunden) bei 20 ºC bei 650 ºC
• Die Beziehung von Eigenschaften zur Zusammensetzung für die beanspruchten Legierungen kann einfacher anhand der Tabellen 6, 7 und 8 unten eingeschätzt werden, die die Eigenschaften in Beziehung zu variierenden Aluminium- bzw. Niob- bzw. Siliziumniveaus für Legierungen im D&sub1;- Zustand zeigen. TABELLE 6 Wechselbeziehung der Eigenschaften bezüglich des Aluminiumgehalts Legierung Legierungszusammensetzung Zugfestigkeit (MPa) bei 20 ºC Zugdehnung % bei 20 ºC Kriechbruchlebensdauer (Stunden) TABELLE 7 Wechselbeziehung der Eigenschaften bezüglich des Niobgehalts Legierung Legierungszusammensetzung Zugfestigkeit (MPa) bei 20 ºC Zugdehnung % bei 20 ºC Kriechbruchlebensdauer (Stunden) TABELLE 8 Wechselbeziehung der Eigenschaften bezüglich des Siliziumgehalts Legierungszusammensetzung Zugfestigkeit (MPa) bei 20 ºC Dehnung % bei 20 ºC Kriechbruchlebensdauer (Stunden) bei 625 ºC
• Der günstige Effekt von Silizium auf dem untersuchten höheren Niveau ist aus der Tabelle 8 unmittelbar ersichtlich. Das Patent von United Technologies (GB 1 060 693) sagt diese Wirkung nicht voraus. Tatsächlich scheint die Fig. 3 in dieser Veröffentlichung zu zeigen, daß Silizium die Raumtemperaturdehnung senkt. Wir fanden, daß Silizium sowohl die Raumtemperaturduktilität als auch die Kriechbruchlebensdauer ohne Beeinträchtigung der Zugfestigkeit steigert. Mit dieser günstigen Wirkung von Si, die bei niedrigeren Aluminiumgehalten als vorher angenommen gesichert wurde, führt dies zu einem merklichen Vorteil einer beträchtlich verbesserten Raumtemperaturzugdehnung im Vergleich mit der bekannten Ti&sub3;Al-Legierung Ti-24Al-11Nb, wenn unter gleichen Bedingungen geprüft.
• Die Eigenschaften der beanspruchten Legierungen bezüglich der Oxidationsbeständigkeit sind in der Tabelle 9 unten angegeben. Die Legierungen wurden in einem zyklischen Oxidationstest von 100 Stunden Dauer in Luft bei 700 ºC geprüft. Alle 25 Stunden wurden die Testproben aus dem Ofen entnommen, natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt und dann wieder im heiβen Ofen angeordnet. Der Grad des Oxidationseindringens wurde durch eine Mikrohärtedurchquerung eines Querschnitts der getesteten Proben unter Auswertung der auf Oxidation folgenden Härtung bestimmt. TABELLE 9 Legierung Zustand Aushärtungstiefe (um)
• Man sieht, daβ die zwei Beispiele der beanspruchten Legierung eine beträchtliche Verringerung des Grades des Oxidationseindringens im Vergleich mit der bekannten Titanlegierung IMI 829 zeigen, und man sieht auch, daβ sie in dieser Hinsicht merklich besser als die CIA-Ti&sub3;Al-Legierungszusammensetzung mit einer Zusammensetzung außerhalb des beanspruchten Bereichs sind.
• Die Wirkung verschiedener Zusätze zur beanspruchten quaternären Legierung wurden unter Verwendung der Legierung 7A (Ti-23Al-11Nb-0,9Si in At.%) als Vergleichsbasis untersucht. Legierungsproben verschiedener Zusammensetzungen von Interesse wurden unter Anwendung des vorher beschriebenen Verfahrens hergestellt und den gleichen Tests unterworfen, wie sie für die vorherigen Materialien angewendet wurden. Die Eigenschaften dieser modifizierten Legierungen und der Basislegierung 7A sind in der Tabelle 10 unten angegeben. TABELLE 10 Legierungsbezeichnung Legierungszusammensetzung Zustand Zugfestigkeit (MPa) bei 20 ºC Zugdehnung % bei 20 ºC Kriechbruchlebensdauer (Stunden)
• Die Legierung 7B mit 2 At.% Zr als Ersatz für Nb hat im D&sub1;-Zustand eine verbesserte Zugfestigkeit und Zugdehnung bei Raumtemperatur gegenüber der Basislegierung und eine vergleichbare Kriechbruchlebensdauer. Die Legierung 7D mit 2 At.% V als Ersatz für Nb hat im D&sub1;-Zustand eine noch höhere Zugdehnung bei vergleichbarer Festigkeit und Kriechbruchlebensdauer als die Basislegierung.
• Die Mo enthaltende Legierung 7J zeigt die besten Eigenschaften von allen im A-Zustand direkt nach dem Schmieden. Diese Legierung wurde noch nicht unter anderen Bedingungen überprüft.

Claims (10)

1. Wärmebehandelbare Titanlegierung, die sich zur Verwendung als Teile im Kompressorabschnitt eines Gasturbinenmotors eignet und auf der intermetallischen Phase Ti&sub3;Al basiert oder sie enthält, wobei sie eine Zusammensetzung innerhalb des unten angegebenen Bereichs in Atomanteilen:

20 bis 23 % Aluminium

9 bis 15 % Niob

0,5 bis 1,0 % Silizium

0 bis 3 % Zirkonium

0 bis 3 % Vanadin

0 bis 3 % Molybdän

Rest Titan, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

aufweist und wobei insgesamt nicht mehr als 5 % Bestandteile aus der aus Zirkonium, Vanadin und Molybdän bestehenden Gruppe vorliegen.

2. Titanlegierung nach Anspruch 1, die eine Zusammensetzung innerhalb des unten angegebenen Bereichs in Atomanteilen:

20 bis 23 % Aluminium

9 bis 15 % Niob

0,5 bis 1,0 % Silizium

Rest Titan, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

aufweist.

3. Titanlegierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die 0,8 bis 1,0 Atomprozent Silizium aufweist.

4. Titanlegierung nach Anspruch 2, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

20 bis 23 % Aluminium

11 % Niob

0,9 % Silizium

Rest Titan, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.

5. Titanlegierung nach Anspruch 1, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

Aluminium 20 bis 23 %

Niob 9 bis 15 %

Silizium 0,5 bis 1,0 %

Zirkonium 0 bis 3 %

Titan Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.

6. Titanlegierung nach Anspruch 5, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

Aluminium 20 bis 23 %

Niob 9%

Silizium 0,5 bis 1,0 %

Zirkonium 2 %

Titan Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.

7. Titanlegierung nach Anspruch 1, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

Aluminium 20 bis 23 %

Niob 9 bis 15 %

Silizium 0,5 bis 1,0 %

Vanadin 1 bis 3 %

Titan Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.

8. Titanlegierung nach Anspruch 7, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

Aluminium 20 bis 23 %

Niob 9 %

Silizium 0,5 bis 1,0 %

Vanadin 2 %

Titan Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.

9. Titanlegierung nach Anspruch 1, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

Aluminium 20 bis 23 %

Niob 9 bis 15 %

Silizium 0,5 bis 1,0 %

Molybdän 1 bis 3 %

Titan Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.

10. Titanlegierung nach Anspruch 9, die aus den folgenden Bestandteilen in den unten angegebenen Atomanteilen:

Aluminium 20 bis 23 %

Niob 9 %

Silizium 0,5 bis 1,0 %

Molybdän 2%

Titan Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen

besteht.