DE4107144A1 - Verarbeitung von alpha-zwei-Titanmaterialien zur Erzielung hoher Duktilität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verarbeitung von Legierungen auf Ti­ tanbasis des Ti₃Al-(alpha-zwei-)Typs zur Erzielung einer be­ trächtlichen Tieftemperatur- bzw. Kaltbildsamkeit bzw. -dukti­ lität.

Seit mehreren Jahren sind Titanlegierungen, die auf der inter metallischen Verbindung Ti₃Al basieren (und auch als alpha-zwei- Materialien bekannt sind), Gegenstand von Interesse gewesen und untersucht worden. Diese Materialien versprechen gute Hochtem­ peratureigenschaften in Verbindung mit einer niedrigen Dichte und einer brauchbaren Oxidationsbeständigkeit.

Diese Legierungen haben jedoch bisher wegen ihrer beschränkten Duktilität bzw. Verformbarkeit (nachstehend als Duktilität be­ zeichnet) bei niedriger Temperatur keine Anwendung gefunden. Zwar können gewisse Legierungen dieser Art bei Temperaturen, die in der Nähe und oberhalb ihrer beta-Übergangstemperaturen bzw. -Umwandlungstemperaturen bzw. -Transustemperaturen [typi­ scherweise 1066 bis 1177°C (1950 bis 2150°F)] liegen, warm­ umgeformt bzw. warmverarbeitet werden, jedoch lag die Duktili­ tät dieser Materialien bei Raumtemperatur in der Größenordnung einer maximalen Zugdehnung bzw. Bruchdehnung von 3 bis 7%, wo­ bei 1 bis 3% typisch waren. Materialien mit einer so niedrigen Duktilität sind keine erwünschten technischen Werkstoffe, weil es außer bei hohen Temperaturen schwierig ist, daraus brauchba­ re Formen bzw. Gestalten zu fertigen und weil ihre Anwendung bei niedrigen Temperaturen wegen der Möglichkeit einer Beschä­ digung bei dem Transport bzw. der Handhabung zu Problemen füh­ ren kann. Risse, die durch falsche Behandlung während der Fer­ tigung und der Montage bzw. des Zusammenbaus gebildet werden, könnten sich während des Betriebes bzw. Gebrauches ausbreiten und zum Bruch führen.

Für ein vollständiges Verständnis der Erfindung ist die Kennt­ nis der Phasenbeziehungen in diesen Legierungen erforderlich. Es können zwei Phasen auftreten, wobei die alpha-zwei-Phase ei­ ne geordnete hexagonal dichtgepackte Kristallstruktur hat, wäh­ rend die beta-Phase eine kubisch raumzentrierte Struktur hat. Alle Materialien, die in Verbindung mit der Erfindung brauchbar sind, bestehen oberhalb einer bestimmten Temperatur, die als beta-Transustemperatur bekannt ist, zu 100% aus der beta-Pha­ se. Wenn sie unter diese Temperatur abgekühlt werden, wandeln sie sich vollständig oder partiell in die alpha-zwei-Phase um. Eine gewisse Menge an restlicher beta-Phase ist erwünscht, weil sie die Duktilität zu verbessern scheint, jedoch ist die Erfin­ dung auf Material anwendbar, das bei Raumtemperatur vollständig aus der alpha-zwei-Phase besteht.

In den US-Patentschriften 4 292 077 und 4 716 020, die mit der vorliegenden Erfindung einige Erfinder gemeinsam haben und die auf dieselbe Anmelderin übertragen worden sind, sind zwei der erfolgreichsten Legierungen des alpha-zwei-Typs beschrieben. Diese Legierungen haben die beste Kombination von Eigenschaf­ ten, die bisher auf diesem Legierungsgebiet erzielt worden ist. Diese Eigenschaften werden durch sorgfältige Einstellung bzw. Steuerung der Zusammensetzung erzielt. Die US-Patentschrift 4 292 077 offenbart Vanadiumzusätze zu Titan-Aluminium-Niob-Le­ gierungen des alpha-zwei-Typs für die Erzielung einer erhöhten Duktilität, wobei durch Vanadium im allgemeinen Titan ersetzt wird. Die Tabellen 2 und 4 in dieser US-Patentschrift zeigen Raumtemperatur-Duktilitätswerte für die Legierungen der Erfin­ dung, wobei in Tabelle 2 eine maximale Duktilität von 4% und in Tabelle 4 eine maximale Duktilität von 1,3% gezeigt wird. Bei der US-Patentschrift 4 716 020 wird den Legierungen der US- Patentschrift 4 292 077 Molybdän zugesetzt, wobei die maximale Dehnung bei niedriger Temperatur, die in dieser Patentschrift offenbart ist, 2,2% zu betragen scheint, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, obwohl in Spalte 3 auf Zeile 38 ein Zahlenwert von 2,5% erwähnt ist.

In diesen beiden US-Patentschriften werden ähnliche Verarbei­ tungsverfahren vorgeschlagen, und zwar im einzelnen, daß "das Lösungsglühen oder das Schmieden oberhalb der beta-Transustem­ peratur durchgeführt werden sollte, worauf eine 2 bis 24 h dau­ ernde Alterung zwischen 700 und 900°C folgt" (US-Patentschrift 4 716 020, Spalte 5, Zeilen 20 bis 25).

Die Zugdehnung, die hierin angewandt wird, wird unter Anwendung einer Probe mit einer Meßlänge von 19,05 mm (0,75 inch) ermit­ telt. Alle Zusammensetzungen sind in Masseprozent aufgeführt, außer wenn sie in anderer Weise angegeben sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verarbeitungs­ folge für alpha-zwei-Legierungsmaterialien des Ti₃Al-Typs be­ reitzustellen, die bei Raumtemperatur eine Zugduktilität bzw. Ziehbarkeit von mindestens 10% und vorzugsweise mindestens 20 % liefert.

Die Legierungen, auf die das erfindungsgemäße Verfahren ange­ wandt werden kann, basieren auf der Ti₃Al- oder alpha-zwei-Pha­ se. Die allgemeinste Beschreibung der Erfindung ist, daß sie auf eine Zusammensetzung angewandt werden kann, die bei Raumtem­ peratur die alpha-zwei-Phase und die beta-Phase enthält. Die beta-Phase ist vorzugsweise als disperse Phase in einer Menge von 5 bis 8 Volumen-% vorhanden. Die Zusammensetzungen sind zwar hierin in Masseprozent aufgeführt, jedoch ist es nützlich, die Zusammensetzungen auch auf atomarer Basis zu betrachten, da man dadurch einen gewissen Einblick in die Struktur der Materialien und in die Rolle gewinnt, die verschiedene zugesetzte Ele­ mente spielen.

Tabelle I zeigt weite und bevorzugte Bereiche für die erfin­ dungsgemäße Zusammensetzung auf Masseprozentbasis. Es wird be­ vorzugt, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung auf atomarer Basis 24 bis 27 Atomprozent Aluminium, 11 bis 16 Atomprozent [Niob + Molybdän + Vanadium + Tantal + Chrom + Wolfram] und als Rest Titan enthält. Wie in Tabelle I gezeigt ist, können be­ stimmte andere Elemente in kleinen Mengen und/oder als Verun­ reinigungen vorhanden sein. Es ist bekannt, daß Silicium ein vorteilhafter Zusatz für Titanlegierungen zur Verbesserung der Kriechfestigkeit ist. Eisen, Kohlenstoff, Sauerstoff und Was­ serstoff dienen bei diesem Legierungssystem keinem offensicht­ lichen nützlichen Zweck und werden deshalb als Verunreinigungen behandelt.

Auf der Grundlage des derzeitigen Wissensstandes der Erfinder sind Aluminium, Niob, Molybdän und Vanadium die bevorzugten Hauptlegierungsbestandteile. Die Einbeziehung der gezeigten Mengen von Chrom, Wolfram und Silicium in die Erfindung basiert auf früheren Arbeiten an diesem Legierungssystem und an anderen, verwandten Legierungssystemen. Die Zusammensetzung, die im Rah­ men der Erfindung am meisten bevorzugt wird, enthält nur Alumi­ nium, Niob, Molybdän, Vanadium und Titan.

Die schwerschmelzbaren Metallzusätze (Niob, Molybdän, Vanadium, Tantal, Chrom und Wolfram) dienen - etwas auf Kosten der Dukti­ lität - zum Verfestigen der Legierung. Molybdän hat die stärk­ ste Wirkung hinsichtlich der Erhöhung der Festigkeit und der Verminderung der Duktilität und ist folglich auf die in Tabelle I gezeigten Bereiche eingeschränkt. Die Erfinder haben bei der Verarbeitung von Legierungen, die viel mehr als etwa 6% Molyb­ dän enthalten, wegen der mangelnden Duktilität dieser Legierun­ gen Schwierigkeiten gehabt. Die Erfinder nehmen auf der Grund­ lage anderer Arbeiten an, daß Wolfram eine ähnlich starke Wir­ kung haben wird, und schränken deshalb Wolfram auf denselben Bereich ein. Außerdem ist Wolfram für ein Material, das für An­ wendungen in der Luft- und Raumfahrt bestimmt ist, nicht er­ wünscht, weil Wolfram die Dichte des Materials in bedeutendem Maße erhöht. Die Erfinder nehmen an, daß auch Chrom eine starke Wirkung auf den Grad der Duktilität haben wird, weshalb es glei­ chermaßen eingeschränkt wird. Die Erfinder nehmen an, daß Tan­ tal dem Vanadium in seiner Wirkung in höherem Maße analog ist, weshalb Tantal in den verhältnismäßig höheren Bereichen zuge­ lassen wird, die in Tabelle I gezeigt sind.

Gemäß der Erfindung werden Legierungen, die die alpha-zwei-Pha­ se sowie die beta-Phase enthalten und deren Zusammensetzungen vorzugsweise zu den in Tabelle I aufgeführten Bereichen gehö­ ren, durch mehrfache Warmumformungs- und Glühschritte verarbei­ tet, die alle weit unterhalb der beta-Übergangstemperatur bzw. beta-Umwandlungstemperatur (nachstehend als beta-Transustempe­ ratur bezeichnet) des Materials durchgeführt werden, um eine Textur oder bevorzugte Orientierung zu erzeugen. Die Verarbei­ tungstemperatur liegt unter der beta-Transustemperatur und be­ trägt geeigneterweise 1038 bis 593°C (1900 bis 1100°F) [vor­ zugsweise 982 bis 649°C (1800 bis 1200°F)], und die Umformung wird im allgemeinen über einen beträchtlichen Teil dieses Be­ reichs durchgeführt. Ein besseres Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die Figur erreicht werden, die die Raumtemperatur-Zugdehnungswerte als Funktion verschiedener Verarbeitungen zeigt, denen ein Material unterzogen wurde, das 13% Aluminium, 23,9% Niob und 2,4% Vanadium und als Rest Ti­ tan enthält. Dieses Material hat eine beta-Transustemperatur von etwa 1149°C (2100°F) und würde herkömmlicherweise sowohl während der Warmumformung als auch während des Glühens oberhalb der beta-Transustemperatur verarbeitet werden. Die Figur zeigt, daß die Dehnung zunahm, wenn die Umformungstemperatur abnahm (wobei die gezeigte Temperatur die Temperatur zu Beginn des Wal­ zens ist).

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine leichte, wirt­ schaftliche Fertigung von alpha-zwei-Blech- bzw. Plattenmateri­ al hoher Qualität. Die Duktilität dieses Blech- bzw. Plattenma­ terials erlaubt eine Kaltumformung bzw. -formgebung zu kompli­ zierten Formen bzw. Gestalten. Die Eigenschaften des Blechs bzw. der Platte und der daraus geformten Teile können durch nachfol­ gende Wärmebehandlung, durch die der Festigkeitsgrad erhöht werden kann, nach Maß eingestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt die Zugdehnung einer alpha-zwei-Legierung als Funktion der Walz- und Glühtemperaturen.

Wie vorstehend beschrieben wurde, ist das erfindungsgemäße Ver­ fahren auf alpha-zwei-Materialien anwendbar und vorzugsweise auf diejenigen, deren Zusammensetzungen in Tabelle I aufgeführt sind. Diese Materialien werden bei Temperaturen verarbeitet, die unterhalb der beta-Transustemperatur liegen, die typischer­ weise etwa 1093°C (2000°F) beträgt; sie werden im einzelnen durch Warmumformung bei Ausgangstemperaturen von 871 bis 1038°C (1600 bis 1900°F) [vorzugsweise 871 bis 982°C (1600 bis 1800°F)] verarbeitet. Bei der Warmumformung, insbesondere beim Walzen, kühlt sich das Material im allgemeinen während der Ver­ arbeitung ab. Das Warmwalzen beginnt im Rahmen der Erfindung bei 871 bis 1038°C (1600 bis 1900°F) und schreitet fort, bis sich das Material auf 760 bis 593°C (1400 bis 1100°F) abge­ kühlt hat, und das Material wird dann wiedererhitzt und weiter gewalzt. Bei der Beendigung des Walzens wird ein 1 bis 10 h dau­ erndes Glühen bei 871 bis 1038°C (1600 bis 1900°F) bevorzugt. Die Erfindung wurde im Zusammenhang mit dem Warmwalzen zur Fer­ tigung von Blech- bzw. Plattenmaterial entwickelt, jedoch liegen auch andere Formen der Warmumformung wie z. B. Schmieden und Extrudieren im Anwendungsbereich der Erfindung.

Im Fall der Fertigung von Blech- bzw. Plattenmaterial kann die Ausgangslegierung als Blockmaterial oder in Form eines Metall­ pulverpreßlings bereitgestellt werden. Die Metallpulververdich­ tung wird in üblicher Weise durchgeführt und kann durch Extru­ dieren oder durch isostatisches Warmpressen erfolgen.

Das Ausgangsmaterial kann eine typische Dicke von 25,4 mm bis 101,6 mm (1 bis 4 inch) und eine typische beta-Transustempera­ tur von 1093°C (2000°F) haben. Dieses Material wird auf 954°C (1750°F) erhitzt und in einem Walzwerk unter Erzielung ei­ ner Stichabnahme von 10 bis 15% gewalzt (dies ist der Verar­ beitungswert, den die Erfinder angewandt haben, jedoch sind an­ dere Werte möglich einschließlich erhöhter Abnahmewerte, die aber nicht ausreichen dürfen, um eine Rißbildung zu verursa­ chen). Wenn die Temperatur des Materials nach 3 bis 6 Walzsti­ chen auf typischerweise 704°C (1300°F) gesunken ist, wird das Material wieder auf die Ausgangstemperatur von 954°C (1750°F) erhitzt und für ein Zwischenglühen 5 bis 15 min lang bei dieser Temperatur gehalten. Im Anwendungsbereich der Erfindung liegt, daß die Glühtemperatur von der Walztemperatur verschieden sein kann. Wenn diese Folge von Walzen und Wiedererhitzen mehrere Male wiederholt worden und die Materialdicke auf 0,51 bis 2,54 mm (0,020 bis 0,100 inch) vermindert worden ist, wird das Mate­ rial fertiggeglüht. Die Fertigglühtemperatur liegt in dem Be­ reich von 816 bis 1038°C (1500 bis 1900°F) [vorzugsweise 871 bis 982°C (1600 bis 1800°F)], und das Fertigglühen wird min­ destens 30 min lang und vorzugsweise 1 bis 10 h lang durchge­ führt. Von diesem Zeitpunkt an kann Kaltwalzen angewandt wer­ den, um die Materialdicke weiter zu vermindern, und Zwischen­ glühschritte unterhalb der beta-Transustemperatur können ange­ wandt werden.

Es ist festgestellt worden, daß die Zugduktilität bzw. Ziehbar­ keit anisotrop ist und daß die maximale Duktilität in der Walz­ richtung gezeigt wird. Für einige Anwendungen kann es vollkom­ men zufriedenstellend sein, über ein Blech- bzw. Plattenmate­ rial zu verfügen, das in der Walzrichtung eine Duktilität von 35% und in der Querrichtung eine Duktilität von 10% zeigt. In dem Fall, daß in höherem Maße isotrope Eigenschaften erwünscht sind, kann das Material jedoch quergewalzt werden, um sowohl in der Walzrichtung als auch in der Querrichtung Duktilitätswerte von mehr als 25% zu erzielen. Für brauchbare Verbesserungen der Duktilität scheint eine Verminderung der Fläche (der Blech- bzw. Plattendicke im Fall des Walzens) von mindestens etwa 60% erforderlich zu sein, und diese beträgt vorzugsweise mindestens 90%.

Die Erfinder haben begrenzte Röntgenanalysen dieses Materials durchgeführt und haben festgestellt, daß das Material, das die höchsten Duktilitätswerte zeigt, eine Textur oder bevorzugte Orientierung der einzelnen alpha-zwei-Körner aufweist. Insbe­ sondere ist bei dem Material mit hoher Duktilität die Konzen­ tration der alpha-zwei-Basisebenen (der Ebenen vom 0002-Typ) in der Walzebene so hoch wie das 20fache der Konzentration, die man bei regellos orientiertem Material finden würde. Die Erfin­ der nehmen an, daß bei dieser Gruppe von Materialien eine Tex­ turintensität von mindestens dem 4fachen des Wertes bei regel­ loser Orientierung erforderlich ist, damit Duktilitätswerte von mehr als 10% erzielt werden. Eine solche Intensivierung der Textur resultiert aus mehrfachen Warmumformungsschritten. Bei dieser Textur handelt es sich jedoch anscheinend eher um eine Verformungstextur als um eine Glühtextur. Die Erfinder nehmen an, daß mindestens drei Warmumformungs- und Glühzyklen und vor­ zugsweise mindestens fünf solche Zyklen erforderlich sind.

Die Erfinder sind der Ansicht, daß bei dieser Gruppe von Mate­ rialien in alpha-zwei-Material noch nie Duktilitätswerte von mehr als 15% erzielt worden sind, und sie beanspruchen folg­ lich als Teil ihrer Erfindung die Herstellung von Titanmateria­ lien des alpha-zwei-Typs, die bei Raumtemperatur Zugduktili­ täts- bzw. Ziehbarkeitswerte von mehr als 10% und vorzugsweise mehr als 20% haben. Die derzeit bevorzugte Legierungszusammen­ setzung enthält 14% Aluminium, 23% Niob und 2% Vanadium.

Tabelle II zeigt repräsentative typische Werte für die Zugdeh­ nungseigenschaften von alpha-zwei-Titanmaterialien, die gemäß der Erfindung verarbeitet worden sind und in herkömmlicher Wei­ se gemäß dem Verfahren, das in den US-Patentschriften 4 292 077 und 4 716 020 beschrieben ist, verarbeitet worden sind. Wie man sehen kann, werden durch die Erfindung - etwas auf Kosten der Streck- bzw. Dehngrenze - stark erhöhte Duktilitätswerte erhal­ ten.

Im Anschluß an die Herstellung eines Bleches bzw. einer Platte und die Fertigung eines besonderen Formkörpers bzw. geformten Gegenstandes kann die Beziehung zwischen der Duktilität und der Streck- bzw. Dehngrenze durch Wärmebehandlungen bei höheren Tem­ peraturen, d. h., bei mehr als 1038°C (1900°F) oder oberhalb der beta-Transustemperatur, verändert werden, wie es in der US- Patentschrift 4 716 020, Spalte 5, Zeilen 22 bis 40, beschrie­ ben ist.

Tabelle I

Tabelle II

Claims (8)

1. Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus Elementen in dem weiten Bereich von Tabelle I besteht, wo­ bei der Gegenstand bei Raumtemperatur eine Zugduktilität bzw. Ziehbarkeit von mindestens 10% zeigt.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er bei Raumtemperatur eine Zugduktilität bzw. Ziehbarkeit von min­ destens 20% zeigt.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sei­ ne Zusammensetzung zu dem Zwischenbereich von Tabelle I gehört.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sei­ ne Zusammensetzung zu dem bevorzugten Bereich von Tabelle I ge­ hört und daß er eine Zugduktilität bzw. Ziehbarkeit von minde­ stens 20% zeigt.

5. Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zusammenset­ zung zu dem weiten Bereich von Tabelle I gehört und daß er in der Walzebene eine (0002)-Textur zeigt, deren Intensität minde­ stens das 4fache des Wertes bei regelloser Orientierung beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung von duktilen alpha-zwei-Titan-Ge­ genständen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) Warmumformung des Materials bei einer Ausgangstemperatur zwi­ schen 871 und 1038°C (1600 und 1900°F), wobei die Warmumfor­ mung angehalten wird, wenn die Temperatur in den Bereich von 593 bis 760°C (1100 bis 1400°F) gesunken ist, und
• b) Glühen des Gegenstandes in dem Temperaturbereich von 816 bis 1038°C (1500 bis 1900°F),

wobei die Schritte a) und b) mindestens dreimal wiederholt wer­ den.

7. Gegenstand aus Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß er alpha-zwei-Körner und wahlweise beta-Körner enthält und bei Raumtemperatur eine Duktilität von mindestens 15% zeigt.