DE4023816C2

DE4023816C2 -

Info

Publication number: DE4023816C2
Application number: DE4023816A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Dr. 5340 Bad Honnef De Peters; Karl-Josef Dipl.-Phys. Dr. 5210 Troisdorf De Grundhoff; Yong-Tai Dr. 5000 Koeln De Lee; Hartmut 5206 Neunkirchen-Seelscheid De Schurmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1993-09-23
Also published as: GB2247895A; GB2247895B; DE4023816A1; US5185045A; GB9116076D0

Description

Die Erfindung betrifft ein thermomechanisches Verfahren zur Be handlung von Titanaluminiden auf der Basis Ti₃Al zur Erzielung extrem hoher Festigkeiten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Diesen Legierungen ist ein Gewichtsverhältnis von Titan zu Aluminium von etwa 3 : 1 gemeinsam, so daß die Legierungen, die im folgenden als (α₂+β)-Titanlegierungen bezeichnet werden, etwa 25 Atom-% entsprechend etwa 14 Gew.-% Aluminium enthalten.

Bekanntlich können die mechanischen Eigenschaften des Titans bereits durch Legierungszusätze verbessert werden, wobei durch Zusatz bestimmter Legierungselemente die Umwandlungstemperatur von Titan von der α- in die β-Phase erhöht oder erniedrigt wer den kann, d. h. es wird zwischen Legierungszusätzen unterschie den, die entweder die α- oder aber die β-Phase stabilisieren. Aluminium gehört beispielsweise zu den α-stabilisierenden Le gierungselementen und wird als Substitutionsmischkristall gelöst. Beispiele für β-stabilisierende Legierungselemente sind in erster Linie Niob, Vanadium und Molybdän. Zirkonium und Zinn sind in beiden Phasen gut löslich.

Nach den bei Abkühlen auf Raumtemperatur nach dem Glühen vorhandenen verschiedenen Phasen werden die Titanlegierungen u. a. in α-Titanlegierungen, β-Titanlegierungen, (α+β)- oder (α₂+β)-Titanlegierungen unterteilt. Speziell auf die bestimmten Legierungen des letztgenannten Typs bezieht sich die vorliegende Erfindung.

Es hat in den letzten Jahren nicht an Versuchen gefehlt, durch thermomechanische Behandlung die statischen und dynamischen me chanischen Eigenschaften der (α+β)-Titanlegierungen zu ver bessern, wobei die Werkstoffe zunächst meist warm umgeformt wer den, da ihre Gleichmaßdehnung gering ist. Durch Lösungsglühen und Stabilisieren können dann die besseren Eigenschaften der Werkstoffe erzielt werden, wie beispielsweise erhöhte Dauer festigkeit.

Aus DE-OS 36 22 433.2 und dem damit korrespondierenden US-Patent 48 42 653 sind (α+β)-Titanlegierungen und ein Verfahren zur Verbesserung der statischen und dynamischen mechanischen Eigen schaften bekannt. Es wird beschrieben, daß eine thermomechani sche Behandlung dieser Legierungen zu einer Erhöhung der Festigkeit führen kann.

Neben den oben erwähnten (α+β)-Titanlegierungen, die in der Regel etwa 6 Gew.-% Aluminium enthalten, sind auch (α₂+β)-Titanlegierungen und ihre Eigenschaften im Stand der Technik beschrieben, die sich insbesondere durch den höheren Gehalt an Aluminium unterscheiden.

TIMET, Datenblatt, Timet, Pittsburgh, PA, USA, 1989 referiert für eine Legierung Ti-14Al-20Nb-3V-2Mo eine 0,2% Dehngrenze (im folgenden als Streckgrenze bezeichnet) von 793 MPa, eine Zug festigkeit von 1000 MPa und eine Bruchdehnung von 2% bei Raum temperatur. Bei 650°C wird eine Streckgrenze von 586 MPa, eine Zugfestigkeit von 793 MPa und eine Bruchdehnung von 10% ge nannt.

RMI Titanium Datenblatt, RMI, Niles, OH, USA, 1989 beschreibt für eine Ti-14Al-21Nb-Legierung eine Streckgrenze von 655 MPa, eine Zugfestigkeit von 827 MPa und eine Bruchdehnung von 2% bei Raumtemperatur. Die entsprechenden Werte bei 650°C betragen 483 MPa für die Streckgrenze, 655 MPa für die Zugfestigkeit und 8% für die Bruchdehnung.

W. Cho, A.W. Thompson und J.C. Williams, Metallurgical Trans actions 21A (1990), 641-651, beschreibt eine Wärmebehandlung einer Legierung Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo. Nach dem Schmieden der Legierung im (α₂+β)-Phasengebiet wird ohne anschließende Ver formung ein Lösungsglühen im Bereich der β-Phase durchgeführt. Hieran schließt sich eine Luftkühlung an. Als Ergebnis wird eine Legierung mit einer Streckgrenze von 1180 MPa, einer Zugfestig keit von 1300 MPa und einer Bruchdehnung von 4% erhalten.

C.H. Ward, J.C. Williams, A.W. Thompson, D.G. Rosenthal und F.H. Froes, Proc. 6th World Conference on Titanium, Seite 1103-1108, Cannes, Frankreich, 1988 beschreibt eine Legierung der nomi nellen Zusammensetzung Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo (jeweils in Atom prozent) und eine Wärmebehandlung. Die unter 70%iger Volumen reduktion geschmiedeten Formteile werden einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei der Wärmebehandlung wird entweder eine direkte Spannungsfreiglühung/Auslagerung in einem Salzbad vorgenommen oder die Behandlung im Salzbad erst nach einer (α₂+β)-Lösungs behandlung durchgeführt. Die erhaltenen Zugversuchskennwerte der Legierung betragen für die Streckgrenze 942 MPa, für die Zug festigkeit 1097 MPa und für die Bruchdehnung 2,7% bzw. 703 MPa für die Streckgrenze, 907 MPa für die Zugfestigkeit und 1,6% für die Bruchdehnung.

Aus A.K. Gogia, D. Banerjee und T.K. Nandy, Metallurgical Trans actions 21A (1990), Seiten 609-625 und S.J. Balsone, in: Oxi dation of High Temperature Intermetallics, I. Grobstein und J. Doychack, The Minerals, Metals and Materials Society, 1989, Sei ten 219-234 sind Wärmebehandlungen von (α₂+β)-Titanlegierungen bekannt, die neben Titan und Aluminium Niob als weiteres Element enthalten, deren Zugfestigkeitseigenschaften jedoch gegenüber den oben genannten nicht verbessert sind.

Da die Luft- und Raumfahrt als größter Verbraucher von Titan legierungen an verbesserten mechanischen Eigenschaften der Legierungen interessiert ist, war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und damit (α₂+β)-Titanlegierungen verfügbar zu machen, die Streckgrenzen und Zugfestigkeiten von eindeutig mehr als 1100 MPa, insbesondere mehr als 1300 MPa bis in Bereiche von 1600 MPa und mehr, aufweisen und darüber hinaus auch Lastspielen bis zum Bruch gewachsen sind, die über denen der nach bisher üblichen Verfahren erhaltenen (α+β)- und (α₂+β)-Titanlegierungen vergleichbarer Zusammensetzung liegen.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird gelöst durch ein thermo mechanisches Verfahren zur Behandlung von Legierungen auf der Basis Ti₃Al bestehend aus Titan, Aluminium als die α-Phase stabilisierendem Element und insgesamt 20 bis 30%, die β-Phase stabilisierenden Elementen, wobei Niob Zwangskomponente ist und die übrigen, die β-Phase stabilisierenden Elemente neben Niob in einer Menge von wenigstens 4 Gew.-% vorliegen, gekennzeichnet durch

a) Herstellen der Legierungen durch Schmelzen oder auf pulver metallurgischem Wege,
b) Verformen bei einer Temperatur im (α₂+β)-Phasengebiet um mehr als 60% in einem oder mehreren Schritten mit jeweils zwischen diesen Schritten durchgeführtem Zwischenglühen ohne vollständige Rekristallisation,
c) Lösungsglühen des Formteils im Verlauf von 5 bis 120 Minuten unterhalb der β-Transus-Temperatur der Legierung,
d) Abschrecken und
e) anschließendes Auslagern und Spannungsfreiglühen bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 750°C im Verlauf von 0,5 bis 24 Stunden.

Die zunächst erfindungsgemäß erforderliche Umformung der durch Schmelzen oder auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten (α₂+β)-Titanlegierungen, für die eingangs einige Beispiele er läutert worden sind, um mehr als 60% kann zweckmäßig durch Schmieden, Pressen, Hämmern, Walzen oder Ziehen erfolgen, wobei zwischen den einzelnen Verformungsschritten zwischengeglüht werden kann, doch ist darauf zu achten, daß dieses Gefüge nicht vollständig rekristallisiert. Aus diesem Grunde sind langzeitige Zwischenglühungen in jedem Falle zu vermeiden. Die Verformungstemperatur kann theoretisch bis auf Raumtemperatur erniedrigt werden. In der Praxis sind jedoch durch die schwere Verformbarkeit Grenzen gesetzt, so daß unterhalb von etwa 800°C eine ausreichende Verformung kaum mög lich ist. Es wird daher bei einer Temperatur im (α₂+β)-Phasengebiet verformt.

Das in der gewünschten Endabmessung vorliegende Formteil wird anschließend lösungsgeglüht, und zwar wird 5 min bis 120 min, insbesondere 5 bis 30 min, unterhalb des β-Transus, d. h. im (α₂+β) -Phasengebiet, geglüht, der beispielsweise bei der Le gierung Ti-14Al-20Nb-3V-2Mo (Gew.-%) bei etwa 1070°C liegt. Das Lösungsglühen wird vorzugsweise dicht unterhalb des β-Transus durchgeführt, insbesondere 5 bis 60°C darunter. Anschließend wird abgeschreckt, wobei geeignete Mittel zum Abschrecken dem Fachmann geläufig sind. Vorzugsweise wird aber mit Wasser, mit Öl oder mit beiden Mitteln abgeschreckt.

Um die Stabilisierung des Gefüges zu erreichen, werden die ab geschreckten Formteile anschließend bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 750°C, vorzugsweise 650 bis 700°C, im Verlauf von 0,5 h bis 24 h, vorzugsweise 0,5 bis 6 h, ausgelagert und dabei spannungsfreigeglüht.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird ein thermomechanisches Behandlungsverfahren zur Verfügung gestellt, das die Festig keit-Streckgrenze und Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und Tem peraturen bis über 700°C sowie die Ermüdungsfestigkeit von be stimmten Titanaluminiden auf der Basis Ti₃Al mit zusätzlichen Legierungselementen drastisch erhöht.

Im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Legierungen konnte die Festigkeit der erfindungsgemäß einzusetzenden (α₂+β) - Titanlegierungen durch die thermomechanische Behandlung um mehr als 50% gesteigert werden. Selbst bei 650°C liegen die Festig keitswerte des thermomechanisch behandelten Werkstücks noch deutlich über denen des Anlieferungszustandes bei Raumtempera tur, wodurch die herausragenden Warmfestigkeits-Eigenschaften nachhaltig unterstrichen werden.

Auch wurde ein ausgezeichnetes Dauerschwingverhalten der Ma terialien nach der erfindungsgemäßen Behandlung festgestellt.

Die Ursache für die extrem hohen Festigkeiten nach der erfolgten thermomechanischen Behandlung dürfte u. a. in einer Gefügefeinung zu sehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden als β-Phase stabili sierende Elemente neben Niob weiterhin Molybdän und Vanadium in einer Menge von 5 Gew.-%, bezogen auf die Legierung, eingesetzt. Insbesondere bevorzugt wird ein Gesamtgehalt an β-Phase stabilisieren den Elementen von 25 Gew.-%, bezogen auf die Legierung.

Insbesondere bevorzugt wird eine Legierung der Zusammensetzung Ti-14Al-20Nb-3V-2Mo (Angaben jeweils in Gewichtsprozent), ent sprechend Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo (Angabe in Atomprozent), die im Stand der Technik auch unter der Bezeichung "Super-Alpha-2" be kannt ist.

Die hervorragenden und gegenüber den bisher bekannten Ver gleichslegierungen eindeutig verbesserten mechanischen Eigen schaften der erfindungsgemäß hergestellten (α₂+β)-Titanlegierun gen sind in den nachfolgenden Tabellen I und II und in den Fig. 1 bis 4 wiedergegeben.

Beispiele

Als Ausgangsmaterial wurde eine handelsübliche Legierung Ti-14Al-20Nb-3V-2Mo (Gew.-%) mit folgenden Zugversuchs-Kenn werten eingesetzt: Streckgrenze 907 MPa, Zugfestigkeit 1128 MPa und einer Bruchdehnung von 3,0% bei Raumtemperatur (Beispiel 1a in Tabelle I) sowie einer Streckgrenze von 673 MPa, einer Zug festigkeit von 829 MPa und einer Bruchdehnung von 9,7%, bei 650°C, wie dem Beispiel 2a der Tabelle I zu entnehmen ist.

Für die erfindungsgemäße thermomechanische Behandlung wurde Rundmaterial verwendet, das in sechs Schritten bei 950°C durch Rundhämmern 76,6% verformt und anschließend schnell abgekühlt wurde. Die nachfolgende Lösungsglühung erfolgte für 20 min bei 1050°C mit anschließendem Abschrecken in Wasser. Schließlich wurde das Material 4 h bei 700°C geglüht. Die so erhaltenen Werte sind der folgenden Tabelle I als Beispiel 1 (bei Raum temperatur) und als Beispiel 2 (bei 650°C) zu entnehmen.

Tabelle I

Die nachfolgende Tabelle II zeigt für verschiedene Spannungs amplituden die Belastungszyklen bis zum Bruch der Probe (Bei spiel 1 betrifft die erfindungsgemäß behandelte Legierung wäh rend Beispiel 1a für die unbehandelte Legierung steht). Die Ver suche erfolgten bei Raumtemperatur an Laborluft im Zug/Druck (R = -1) bei einer Frequenz von ca. 100 Hz und sinusförmiger Be lastung.

Tabelle II

Die Fig. 1 gibt die Abhängigkeit der Zugfestigkeit (UTS) der Streckgrenze (YS), der Bruchdehnung (El) und der Bruchein schnürung (RA) in Abhängigkeit von der Temperatur des Lösungs glühens gemäß Beispiel 1 wieder. Dieser Fig. 1 ist die über raschend große Steigerung der Festigkeit durch das erfindungs gemäße Verfahren zu entnehmen. In der Fig. 1 steht ST für die variable Lösungsglühtemperatur. Angegeben ist die Lösungsglüh zeit (20 min) mit anschließendem Wasserabschrecken, die Aus lagerungs- und Spannungsfreiglühung bei 700°C im Verlauf von 4 h mit anschließender Luftabkühlung.

Die Verformung wurde durch Rundhämmern bei 950°C durchgeführt.

Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die thermomechanische Behand lung bei der nicht erfindungsgemäß einzusetzenden α₂-Legierung (Ti-14Al-21Nb) unter gleichen Bedingungen wie in Fig. 1 kaum zu Festigkeits steigerungen durch Variation der Lösungsglühtemperatur führt. Dies zeigt eindeutig die Notwendigkeit zusätzlicher, die β-Phase stablisierender Legierungselemente wie z. B. Mo oder V.

In den Fig. 3 und 4 werden die Daten der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und der Bruchdehnung vor und nach der erfindungs gemäßen thermomechanischen Behandlung der Legierungen gegen übergestellt. In Fig. 3 werden die Ergebnisse der erfindungs gemäß zu behandelnden Legierung "Super-Alpha-2" aufgetragen, während in Fig. 4 die Ergebnisse vor und nach der Durchführung der Wärmebehandlung bei einer nicht erfindungsgemäß einzusetzenden "Alpha-2"-Legierung darge stellt werden.

Auf Grund der geschilderten Verbesserung der statischen und dy namischen mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß herge stellten Werkstoffe ist es offensichtlich, daß durch diese der Anwendungsbereich hochfester (α₂+β)-Legierungen sowohl bei sta tischen als auch bei dynamischen Beanspruchungen beträchtlich erweitert werden kann, was insbesondere für die Luft- und Raum fahrtindustrie von größter Bedeutung ist.

Claims

1. Thermomechanisches Verfahren zur Behandlung von (α₂+β)-Titanlegierungen, auf der Basis Ti₃Al, bestehend aus Titan, Aluminium als die α-Phase stabilisierendem Element und insgesamt 20 bis 30% die β-Phase stabilisierenden Elementen, wobei Niob Zwangskomponente ist und die übrigen, die β-Phase stabilisierenden Elemente neben Niob in einer Menge von wenigstens 4 Gew.-% vorliegen, gekennzeichnet durch

a) Herstellen der Legierungen durch Schmelzen oder auf pulvermetallurgischem Wege,
b) Verformen bei einer Temperatur im (α₂+β)-Phasengebiet um mehr als 60% in einem oder mehreren Schritten mit jeweils zwischen diesen Schritten durchgeführtem Zwischenglühen ohne vollständige Rekristallisation,
c) Lösungsglühen des Formteils im Verlauf von 5 bis 120 Minuten unterhalb der β-Transus-Temperatur der Legierung,
d) Abschrecken und
e) anschließendes Auslagern und Spannungsfreiglühen bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 750°C im Verlauf von 0,5 bis 24 Stunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als die β-Phase stabilisierende Elemente neben Niob 5 Gew.-% an Molybdän und Vanadium eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungen mit einem Gesamtgehalt an die β-Phase stabilisierenden Elementen von 25 Gew.-% eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierung Ti-14Al-20Nb-3V-2Mo (Gew.-%) eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen durch Schmieden, Pressen, Hämmern, Walzen oder Ziehen verformt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil im Verlauf von 5 bis 30 Minuten lösungsgeglüht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil 5 bis 60°C unterhalb der β-Transus-Temperatur lösungsgeglüht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslagerung und Spannungsfreiglühung bei 650 bis 700°C durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslagerung und Spannungsfreiglühung für 0,5 bis 6 Stunden durchgeführt wird.