DE4411126A1

DE4411126A1 - Verbesserte ballistische Ti-6Al-4V-Legierung

Info

Publication number: DE4411126A1
Application number: DE4411126A
Authority: DE
Inventors: William W Love
Original assignee: RMI Titanium Co
Current assignee: RMI Titanium Co
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1994-10-27
Also published as: FR2704869A1; JPH0754114A; GB2276633B; FR2704869B1; US5332545A; GB9406227D0; GB2276633A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein billiges (wirtschaft liches) Verfahren zur Herstellung von Titanlegierungen mit gleichwertigen oder besseren ballistischen Eigenschaften als Standard-Titanlegierungen, die als Panzerplatten für militärische Anwendungen verwendet werden. Das erfindungs gemäße Verfahren bezieht sich insbesondere auf die Erhö hung des Sauerstoffgehaltes einer Ti-6Al-4V-Legierungszu sammensetzung über den konventionellen Bereich von maximal 0,20% hinaus und die Be- bzw. Verarbeitung dieser an Sau erstoff reichen Titanlegierungszusammensetzung unter An wendung von Ofentemperaturen innerhalb des β-Phasen-Gebie tes. Die Erfindung bezieht sich auch auf neue Titanlegie rungszusammensetzungen mit einer verbesserten Streckfe stigkeit und Zugfestigkeit, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden. Die erfindungsgemäßen neuen Titanlegierungen sind dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sauerstoffgehalt von etwa 0,20 bis etwa 0,30% auf weisen.

Titan und insbesondere die Legierung Ti-6Al-4V sind weit hin anerkannte Materialien für die Verwendung als Panzer platten wegen der guten ballistischen Wider stands(Beständigkeits)eigenschaften dieser Materialien. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie für mehrere An wendungszwecke eingesetzt und sind allgemein erwähnt in der "Military Specification Titanium Alloy Armor Plate, Weldable", vom 15. Juli 1975 (MIL-T-46077B), die in dem Stand der Technik allgemein anerkannt ist als Beschaf fungs-Spezifikation für Panzerplatten, die aus der Ti-6Al- 4V-Legierung hergestellt sind. In dieser militärischen Spezifikation ist angegeben, daß der maximale Sauerstoff gehalt, der in der Titanlegierungszusammensetzung der Pan zerplatte vorhanden sein sollte, 0,14% nicht übersteigen darf. Der Grund für diese Bestimmung ist der, daß eine Panzerplatte, die aus einer sauerstoffreichen Titanlegie rung hergestellt ist, nach dem Verständnis des Standes der Technik vermutlich schlechte ballistische Eigenschaften aufweisen würde. Für militärische Anwendungen darf daher der Sauerstoffgehalt der Titanlegierung diese Maximal grenze von 0,14% nicht übersteigen, da höhere Mengen von Sauerstoff, die in der Titanlegierung vorhanden sind, wie bisher angenommen wurde, die Duktilität herabsetzen und, was noch wichtiger ist, die ballistischen Eigenschaften der Panzerplatte selbst verschlechtern würde.

Der derzeitige Stand der Technik, wie er durch die MIL-T- 46077B-Spezifikation verkörpert wird, resultiert in der Verwendung sowohl kostspieliger Ausgangsmaterialien als auch in der Anwendung einer kostspieligen Be- bzw. Verar beitung. Der Grenzwert von 0,14% Sauerstoff gemäß MIL-T- 46077B schließt die Verwendung von großen Mengen billigen Schrotts (Abfalls) bei der Rohblock-Konsolidierung aus, da diese Materialien einen Sauerstoffgehalt oberhalb des vom Militär geforderten Grenzwertes aufweisen. Obgleich die Be- bzw. Verarbeitungsstufe, die bei der Herstellung die ses Endprodukts angewendet wird, in dieser Spezifikation nicht definiert ist, erfordern die darin angegebenen hohen minimalen Zugdehnungswerte eine kostspielige Niedertempe ratur-α+β-Bearbeitung und ein Glühen.

Dieses Niedertemperatur-α+β-Bearbeitungsverfahren wird normalerweise angewendet für die 60 bis 80%-Schlußreduk tion des Materials und sie wird angewendet zur Verbesse rung der ballistischen Eigenschaften der Panzerplatte. Wie oben angegeben, ist dieses Verfahren kostspielig wegen der zahlreichen Anlaß(Wiedererhitzungs)-Stufen, die für die Be- bzw. Verarbeitung der fertigen Platte erforderlich sind. Darüber hinaus hat die Oberfläche der Panzerplatte, welche die Titanlegierung enthält, eine größere Neigung zu reißen bei den niedrigen Temperaturen, die in diesem Ver fahren angewendet werden. Daher ist man ständig bestrebt, eine billige (wirtschaftliche) ballistische Ti-6Al-4V-Le gierung zu entwickeln, die eine verbesserte ballistische Beständigkeit (Widerstandsfähigkeit) aufweist.

Hickey Jr. et al. beschreiben in "Ballistic Damage Charac teristics and Fracture Toughness of Laminated Aluminum 7049-T73 und Titanium 6Al-4V Alloys", Army Materials and Mechanics Research Center, Watertown, MA., März 1980, S. 1-12, die ballistischen Eigenschaften, von Ti-6Al-4V-Lami naten, die durch eine Lösungsglühungs-Behandlungsstufe und eine Auslagerungs-Behandlungsstufe bearbeitet werden. Die Lösungsglühungs-Behandlungsstufe umfaßt das 15-minütige Erhitzen der Titanlegierung auf Temperaturen von 1010 bis 1088°C (1850-1990°F), das Abkühlenlassen an der Luft und das anschließende 1-stündige Erhitzen auf 969°C (1775°F).

Die Auslagerungs-Behandlungsstufe umfaßt das 1-stündige Erhitzen der durch Lösungsglühen behandelten Titanlegie rung auf 704°C (1300°F). Der Sauerstoffgehalt des Ti-6Al- 4V-Laminats wurde bestimmt zu 0,13 Gew.-%, ein Wert, der unterhalb des Wertes liegt, wie er in der MIL-T-46077B- Spezifikation angegeben ist, weshalb angenommen wurde, daß das Laminat gute ballistische Eigenschaften aufweisen würde.

Zur Erläuterung des technischen Hintergrunds der Erfindung und zur Verbesserung des Verständnisses werden nachstehend die Ausdrücke "α+β-Legierungen" und "Legierungen auf α+β- Titan-Basis" näher erläutert.

Es ist allgemein bekannt, daß durch Zugabe von Legierungs elementen die β-Umwandlungstemperatur in dem Phasendia gramm von Titanlegierungssystemen verändert wird. Die β- Umwandlungstemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der 100% β-Phase vorliegen. Unterhalb dieser Temperatur kann die α-Phase vorliegen.

Elemente, welche die Umwandlungstemperatur erhöhen, werden als α-Stabilisatoren bezeichnet, während Elemente, welche die Umwandlungstemperatur herabsetzen, als β-Stabilisato ren bezeichnet werden. Die β-Stabilisatoren werden weiter unterteilt in solche vom β-isomorphen Typ und solche vom β-eutektoiden Typ. Die β-isomorphen Elemente beschränken die α-Löslichkeit und steigende Zugabemengen dieser Ele mente setzen allmählich die Umwandlungstemperatur herab. Die β-eutektoiden Elemente beschränken die β-Löslichkeit und bilden intermetallische Verbindungen durch eutektoide Zersetzung der β-Phase.

Die wichtigen α-Stabilisierungs-Elemente umfassen Alumi nium, Zinn, Zirkonium und die interstitiellen Elemente Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Geringe Mengen dieser interstitiellen Elemente, die allgemein als Verun reinigungen angesehen werden, haben einen großen Einfluß auf die Festigkeit der Legierung und führen schließlich zu einer Versprödung derselben bei Raumtemperatur. Der wich tigste α-Stabilisator ist Aluminium und die Zugabe dieses α-Stabilisators zu Titan führt zu einer erhöhten Festig keit des Titanmaterials.

Die wichtigen β-stabilisierenden Legierungselemente sind die kubisch-raumzentrierten (bcc) Elemente Vanadin, Molyb dän, Tantal und Niob vom β-isomorphen Typ und Mangan, Ei sen, Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer und Silicium vom β-eu tektoiden Typ. Die Elemente Kupfer, Silicium, Nickel und Kobalt werden als aktive Eutektoid-Formen bezeichnet, we gen der schnellen Zersetzung der β-Verbindung zu einer α- und β-Verbindung.

Legierungen vom β-Typ sprechen auf eine Wärmebehandlung an, sind charakterisiert durch eine höhere Dichte als rei nes Titan und leicht herstellbar durch Kaltverformung (Kaltverarbeitung). Der Zweck des β-Legierens besteht darin, eine vollständige β-Phasen-Legierung bei Raumtempe ratur herzustellen mit ihren kommerziell nützlichen Eigen schaften, Legierungen mit einer α- und β-Duplexstruktur herzustellen zur Verbesserung des Wärmebehandlungs-An sprechverhaltens (d. h. Änderung des α- und β-Volumen verhältnisses), oder β-eutektoide Elemente für die intermetallische Härtung zu verwenden. Das wichtigste kommerzielle β-Legierungselement ist Vanadin.

In den folgenden Druckschriften sind verschiedene Legie rungszusammensetzungen auf Titan-Basis beschrieben, die in dem Stand der Technik bekannt sind, in keiner dieser Druckschriften ist jedoch das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Zusammensetzung beschrieben.

In dem US-Patent Nr. 2 754 204 (Jaffe et al.) ist eine fe ste, duktile und thermisch beständige Legierung auf Titan- Basis beschrieben, die als wesentliche Bestandteile Alumi nium zusammen mit einem oder mehr Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Vanadin, Niob und Tantal, enthält. Der Sauerstoffgehalt der in dieser Druckschrift beschriebenen Titanlegierungs-Zusammensetzungen übersteigt 0,20% nicht. Diese Legierungen auf Titan-Basis haben, wie dort angegeben ist, ausgezeichnete Schweißeigenschaften und werden nicht spröde, wenn sie für einen längeren Zeit raum hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Titanlegierungen werden herge stellt durch Schmelzgießen in eine kalte Form unter Ver wendung eines elektrischen Lichtbogens in einer inerten Atmosphäre oder einer anderen Einrichtung, in der die Le gierung vor dem Gießen geschmolzen wird.

Das US-Patent Nr. 2 884 323 (Abkowitz et al.) bezieht sich auf Legierungen auf Titan-Basis und insbesondere auf Le gierungen auf Basis von quaternärem Titan, die Aluminium, Vanadin, Eisen und beträchtliche Mengen an Sauerstoff ent halten. Darüber hinaus bezieht sich diese Druckschrift auf eine Legierung auf Titan-Basis, die besteht aus 0,80 bis 1,8% Al, 7,5 bis 8,5% V, 4,5 bis 5,5% Fe, 0,30 bis 0,50% O₂ und zum Rest aus zufälligen Verunreinigungen. Von den Legierungen auf Basis von quaternärem Titan wird gesagt, daß sie eine hohe Zugfestigkeit aufweisen unter gleichzei tiger Beibehaltung einer ausreichenden Dehnungs- und Bie gungsduktilität.

Das US-Patent Nr. 4 898 624 (Chakrabarti et al.) bezieht sich auf Titanlegierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, die diese Legierungen brauchbar machen als rotierende Komponenten beispielsweise in Propellern, Scheiben, Wellen und dgl. für Gasturbinen. Die Ti-6Al-4V- Legierungen, die zur Erzielung der verbesserten Eigen schaften verwendet werden können, haben die folgende all gemeine Zusammensetzung: 5,5 bis 6,75% Al, 3,5 bis 4,2% V, 0,15 bis 0,20% O₂, 0,025 bis 0,05% N, 0,30% Fe und kleinere Mengen an anderen unvermeidlichen Verunreinigun gen. Zur Erzielung der gewünschten Mikrostruktur wird die Legierungs-Zusammensetzung vorzugsweise ausreichend lange auf eine Temperatur oberhalb der β-Umwandlungstemperatur erhitzt und daran schließt sich ein schnelles Abkühlen an. Danach wird die Legierung dann ausgelagert (gealtert), um einige feine α-Teilchen auszuscheiden und die Mikrostruk tur der Legierung zu verfestigen und zu stabilisieren.

Das US-Patent Nr. 4 943 412 (Bania et al.) bezieht sich auf eine Legierung auf α,β-Titan-Basis, die in Gew.-% ent hält 0,04 bis 0,10% Silicium und 0,03 bis 0,08% Kohlen stoff. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Legierun gen sind dadurch charakterisiert, daß sie eine erhöhte Fe stigkeit aufweisen im Vergleich zu Legierungen, die keine Silicium- und Kohlenstoff-Zusätze enthalten. Außerdem kön nen die Legierungen zusätzlich bis zu 0,30% Fe und bis zu 0,25% O₂ enthalten. Die Legierungs-Zusammensetzungen wer den zuerst gewalzt und dann β-geglüht zur Herstellung des fertigen Produkts.

Das US-Patent Nr. 5 032 189 (Eylon et al.) bezieht sich auf Fast-α- (d. h. < 2% β-Stabilisatoren) und α+β-Titanle gierungs-Komponenten, die nach einem Verfahren hergestellt werden, das umfaßt das Schmieden eines Legierungsbarrens zu der gewünschten Gestalt bei einer Temperatur oberhalb der β-Umwandlungstemperatur der Legierung unter Bildung einer geschmiedeten Komponente, das Erhitzen der geschmie deten Komponente auf eine Temperatur, die etwa gleich der β-Umwandlungstemperatur der Legierung ist, das Abkühlen der Komponente mit einer Geschwindigkeit, die höher ist als die Abkühlungsgeschwindigkeit an der Luft auf Raumtem peratur, das Glühen der Komponente bei einer Temperatur, die etwa 10 bis 20% unterhalb der β-Umwandlungstemperatur liegt, und das Abkühlenlassen der Komponente an der Luft.

Wie weiter oben angegeben, betrifft keine der obengenann ten Druckschriften ein billiges (wirtschaftliches) Verfah ren zur Erzielung verbesserter ballistischer Eigenschaften einer konventionellen Ti-6Al-4V-Legierung durch Erhöhung des Sauerstoffgehaltes dieser Legierung auf einen Wert über den normalen Bereich von 0,20% hinaus und durch Be- bzw. Verarbeitung des Endprodukts zu einer Platte unter Anwendung von Ofentemperaturen in dem β-Phasen-Gebiet. Das β-Phasen-Gebiet ist der Bereich des Phasen-Diagramms, in dem die primäre Phase, die in der Titanlegierung vorliegt, die β-Phase ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein billiges (wirtschaftliches) Verfahren zur Erzielung gleichwertiger oder verbesserter ballistischer Beständig keits(Widerstands)eigenschaften, verglichen mit Standard- Ti-6Al-4V-Legierungen. Das erfindungsgemäße Verfahren um faßt die Erhöhung des Sauerstoffgehaltes einer Ti-6Al-4V- Legierung über den konventionellen Grenzwert von höchstens 0,20% hinaus, wie er für die bekannten Verbindungen ange geben ist, und das anschließende Erhitzen der sauerstof freichen Titanlegierung auf Temperaturen innerhalb des β- Phasen-Bereiches. Dies bietet den Vorteil, daß allgemein billigerer Schrott (Abfall) mit höherem Sauerstoffgehalt zusammen mit neuem Material verarbeitet werden kann, ohne daß die ballistischen Eigenschaften einer daraus herge stellten Panzerplatte geopfert werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Ti-6Al-4V- Panzerplatten mit gleichwertigen oder verbesserten balli stischen Eigenschaften, das umfaßt (a) die Bereitstellung einer Titanlegierung, in der die Zusammensetzungsgrenz werte der genannten Titanlegierung die folgenden sind: 5,5 bis 6,75% Al; 3,5 bis 4,5% V; 0,20 bis 0,30% O₂; höchstens 0,50% Fe und höchstens 0,50% sonstige (andere) Verunreinigungen; (b) die β-Bearbeitung dieser Titanlegie rung durch Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in nerhalb des β-Phasen-Bereiches und das anschließende Bear beiten (Verformen) dieser Legierung; und (c) das Abkühlen der genannten bearbeiteten (verformten) Legierung auf Raumtemperatur.

Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine neue Ti- 6Al-4V-Legierungs-Zusammensetzung, die für das β-bearbei tete Material äquivalente Zugfestigkeits- und Streckfe stigkeitseigenschaften aufweist. Die erfindungsgemäßen Ti tan-Zusammensetzungen weisen ferner gleichwertige oder verbesserte ballistische Eigenschaften auf, verglichen mit den bereits früher beschriebenen Titan-Zusammensetzungen des Standes der Technik. Die erfindungsgemäße neue Ti- 6Al-4V-Zusammensetzung wird erhalten durch Modifizieren der Legierungs-Zusammensetzungs-Grenzwerte auf 5,5 bis 6,75% Al, 3,5 bis 4,5% V, 0,20 bis 0,30% O₂, 0,50% Fe und 0,50% sonstige (andere) Verunreinigungen; und anschließendes Erhitzen der Legierungs-Zusammensetzung auf Temperaturen innerhalb des β-Phasen-Bereiches.

Erfindungsgemäß wird ein billiges (wirtschaftliches) Ver fahren zur Verbesserung der ballistischen Eigenschaften der Standard-Ti-6Al-4V-Legierung bereitgestellt. Die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt das Modifi zieren der Zusammensetzungs-Grenzwerte der Legierung auf Titan-Basis zu den folgenden Grenzwerten: (a) 5,5 bis 6,75% Al; (b) 3,5 bis 4,5% V; (c) 0,20 bis 0,30% O₂; (d) höchstens 0,50% Fe; und (e) höchstens 0,50% sonstige Verunreinigungen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den die Zusammensetzungs-Grenzwerte der Titanlegierung mo difiziert, so daß sie betragen 6,2% Al; 4,0% V; 0,25% O₂; und 0,20% Fe. Die sonstigen (anderen) Verunreinigun gen, die in der Legierung auf Titan-Basis vorhanden sein können, umfassen eines oder mehr der folgenden β-stabili sierenden Elemente Cr, Ni, Mo und Cu. Wie weiter oben an gegeben, sollte die Gesamtmenge dieser Verunreinigungen in der Titanlegierungs-Zusammensetzung 0,50% nicht überstei gen. Vorzugsweise sollte die Gesamtmenge an unvermeidbaren Verunreinigungen 0,30% nicht übersteigen.

Diese Modifizierung durch Erhöhung des Sauerstoffgehaltes über den Bereich hinaus, wie er normalerweise in den Stan dard-Militär-Richtlinien angegeben ist, erfolgt vorzugs weise durch Verwendung eines billigen Schrott-Ti-6Al-4V- Legierungs-Materials. Andere Mittel zur Erhöhung des Sau erstoffgehaltes über 0,20% hinaus umfassen die Verwendung grob gemahlener oder fein gemahlener oder feinstgemahlener Gegenstände, Späne, Schnipsel, Chips, Stücke, Pulver und dgl. Die billigen Titan-Schrottmaterialien (Titan-Abfall materialien), die an Sauerstoff reich sind, sind für die ses Verfahren besonders gut geeignet, vor ihrer Verwendung sollte das Schrottmetall (Abfallmetall) jedoch erforderli chenfalls mit Detergentien, organischen Lösungsmitteln oder nach anderen an sich bekannten Verfahren gereinigt werden, um Öl und Fette zu entfernen. Unerwünschte Metall verunreinigungen, wie Borspäne, können physikalisch oder mechanisch entfernt werden. Das gereinigte Material sollte auch erforderlichenfalls getrocknet werden, um Feuchtig keit zu entfernen.

Die Gesamtmenge des an Sauerstoff reichen Materials, die erfindungsgemäß für die Verwendung als Panzerplatten tole riert werden kann, beträgt etwa 25 bis etwa 100%. Insbe sondere sollte die Gesamtmenge an sauerstoffreichem Mate rial, die in der Zusammensetzung vorhanden ist, etwa 60 bis etwa 100% betragen. Am meisten bevorzugt ist eine Ge samtmenge an sauerstoffreichem Material, das erfindungsge mäß toleriert werden kann, von 100%.

Das an Sauerstoff reiche Titanmaterial wird dann auf ein mal geschmolzen zur Herstellung einer Bramme (Platte) mit der gewünschten Dicke. Der hier verwendete Ausdruck "sauerstoffreich" bzw. "reich an Sauerstoff" bedeutet, daß der Sauerstoffgehalt in der Titanlegierung jenseits des maximalen Grenzwertes von 0,20% liegt, wie er in der Mi litär-Spezifikation angegeben ist. Das Verfahren zum Schmelzen dieses sauerstoffreichen titanhaltigen Materials kann unter Anwendung konventioneller Verfahren durchge führt werden, wie sie gemäß Stand der Technik allgemein bekannt sind, beispielsweise durch Anwendung eines Einzelelektronenstrahl(EB)-Schmelzverfahrens, eines Plasmaschmelzverfahrens oder dgl. Das bevorzugte Verfahren zum Schmelzen der sauerstoffreichen Titanzusammensetzung wird durchgeführt unter Anwendung eines Einzelherd- Schmelzverfahrens. Dieses kann unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. Zu den Inertgasen, die in dem Einzelschmelzverfahren angewendet werden kön nen, gehören He, Ar und dgl.

Das Einzelherd-Schmelzverfahren umfaßt im Prinzip das Schmelzen des an Sauerstoff reichen titanhaltigen Materi als in einem Kaltform-Herdofen unter Verwendung einer Elektronenstrahl- oder Plasmaenergie-Quelle. Die in dem Einzelherd-Schmelzverfahren angewendeten Schmelzbedingun gen sind wirksam, um eine ausreichende Verflüssigung des an Sauerstoff reichen Titanmaterials herbeizuführen. Vor zugsweise wird eine homogen geschmolzene, an Sauerstoff reiche Ti-6Al-4V-Bramme direkt aus dem Herdofen (Schmelzofen) vergossen.

Nach dem Schmelzen des an Sauerstoff reichen Titanmateri als zu einer Bramme wird die Bramme dann auf Umgebungstem peratur abkühlen gelassen. Das Abkühlungsverfahren kann entweder an der Luft, in einer Inertgasatmosphäre oder Va kuum durchgeführt werden.

Die Größe und Gestalt der auf diese Weise gebildeten, an Sauerstoff reichen Ti-6Al-4V-Bramme kann variieren je nach gewünschtem Verwendungszweck des Endprodukts. Auch die Dicke der Bramme (Platte) kann variieren in Abhängigkeit nur von dem gewünschten Verwendungszweck des Endprodukts.

Die Bramme, die das an Sauerstoff reiche Ti-6Al-4V-Mate rial enthält, wird dann durch Anwendung von Erhitzungstem peraturen innerhalb des β-Feld-Bereiches zu dem Endprodukt verarbeitet. Unter dem β-Feld-Bereich ist eine Temperatur oberhalb der β-Umwandlung der bearbeiteten Bramme zu ver stehen. Insbesondere wird die Ti-6Al-4V-Bramme dann auf Temperaturen von etwa 990 bis etwa 1200°C für eine Zeit spanne von etwa 1 bis etwa 12 h erhitzt. Besonders bevor zugt ist es, die Ti-6Al-4V-Bramme auf Temperaturen von etwa 1050 bis etwa 1100°C für eine Zeitspanne von etwa 3 bis etwa 6 h zu erhitzen. Am meisten bevorzugt ist das vierstündige Erhitzen der an Sauerstoff reichen Bramme auf 1075°C.

Anschließend (nach dem Erhitzen der Bramme auf Temperatu ren innerhalb des β-Phasen-Bereiches) wird die β-behan delte Ti-6Al-4V-Bramme dann ausgewalzt zur Bildung einer Platte mit einer Dicke von etwa 0,48 cm bis etwa 15,24 cm (3/16-6 inches). Vorzugsweise wird die β-bearbeitete Bramme bis auf eine Dicke von etwa 2,54 cm bis etwa 7,62 cm (1-3 inches) ausgewalzt. Am meisten bevorzugt ist es, die β-bearbeitete, an Sauerstoff reiche, Titan enthaltende Bramme zu einer 3,81 cm (1,5 inch) dicken Platte auszuwal zen.

Die Platte kann dann erforderlichenfalls nach irgendeinem der an sich bekannten Verfahren konditioniert werden. Diese Konditionierungsverfahren umfassen das Sandstrahlen, das punktschleifen (Tuschieren) und das Beizen. Die kondi tionierte Platte kann dann erforderlichenfalls vakuumge glüht und wärmebehandelt werden unter Anwendung an sich bekannter konventioneller Verfahren.

Die ballistische Prüfung der erfindungsgemäßen, an Sauer stoff reichen Titanplatten wird in dem Army Research Labo ratory (Aberdeen Proving Grounds, Md) durchgeführt unter Anwendung der Versuchsanordnung, wie sie in "Military Spe cification Titanium Alloy Armor Plate, Weldable", 28. April 1978 (MIL-A-46077D) beschrieben ist, auf deren In halt hier Bezug genommen wird. Der zur Bestimmung der bal listischen Eigenschaften der Platten angewendete ballisti sche Grenzwert V₅₀ ist die Geschwindigkeit, bei der 50% Perforationen bei einem spezifischen Rundstahl (round) und einem spezifischen Ziel erwartet werden. Höhere Zahlen stehen für bessere ballistische Eigenschaften.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläu tern. Diese Beispiele dienen jedoch lediglich der Erläute rung der Erfindung, die keineswegs darauf beschränkt ist.

Beispiel 1

Ein Schrott (Abfall) aus Ti-6Al-4V mit einem Sauerstoffge halt von 0,22% wurde mit Detergentien gereinigt, um ir gendwelches Öl und Fett zu entfernen, das in diesem Schrottmaterial (Abfallmaterial) vorhanden sein kann. Nach Durchführung des Reinigungsverfahrens wurde das an Sauer stoff reiche Titanschrottmaterial dann getrocknet, um Feuchtigkeit zu entfernen, die auf der Oberfläche des Ma terials vorhanden sein kann.

Der getrocknete Schrott (Abfall) aus Ti-6Al-4V wurde dann in eine Beschickungsvorrichtung eines Kaltform-Herdofens eingeführt und danach einem Einzelelektronenstrahl(EB)- Schmelzverfahren unterworfen. Das Einzelelek tronenstrahl(EB)-Schmelzverfahren wurde bei einer Tempe ratur durchgeführt, die ausreichte, um eine Verflüssigung des Schrottmaterials herbeizuführen. Die geschmolzene, an Sauerstoff reiche, Titan enthaltende Zusammensetzung wurde dann in dem Ofen abgekühlt und schließlich an der Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen zur Bildung einer Bramme aus Ti-6Al-4V mit einer Dicke von etwa 30,48 cm (12 in ches).

Die Bramme wurde dann 4 h lang β-bearbeitet bei einer Tem peratur von etwa 1070°C und danach auf Raumtemperatur ab kühlen gelassen. Anschließend wurde die β-bearbeitete Ti- 6Al-4V-Bramme dann β-ausgewalzt unter Bildung einer Platte mit einer Enddicke von 3,81 cm (1,5 inch).

Die physikalischen Eigenschaften der an Sauerstoff reichen Ti-6Al-4V-Panzerplatte, die bei hohen Temperaturen β-bear beitet wurde, sind in der Tabelle I angegeben. Die physi kalischen Eigenschaften der Ti-6Al-4V-Panzerplatten wurden sowohl in der Längsrichtung (L) als auch in der Querrich tung (T) getestet. Die normalisierte ballistische Bewer tung V_N für die Platte betrug, wie ermittelt wurde, 1046. Die Zugfestigkeit (UTS) und die Streckfestigkeit (YS) in der Längsrichtung der gebildeten Platte mit einem Sauer stoffgehalt von 0,22% betrug, wie ermittelt wurde, 142 KSI bzw. 126 KSI. Die gleiche Panzerplatte wies, wenn sie in der Querrichtung getestet wurde, eine UTS von 147 KSI und eine YS von 135 KSI auf.

Die Ergebnisse zeigen eindeutig, daß gute ballistische Ei genschaften (ein hohes ballistisches Leistungsvermögen) erzielt werden kann durch Verwendung einer β-bearbeiteten Platte mit einem hohen Sauerstoffgehalt. Dieses Ergebnis war völlig überraschend im Hinblick auf die Angaben des Standes der Technik und die konventionelle Lehre, wonach ein hoher Sauerstoffgehalt als nachteilig für die Panzer platte angesehen wurde.

Beispiel 2

Eine Ti-6Al-4V-Platte mit einer Dicke von 3,81 cm (1,5 inch) wurde nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein Rohblock, der die traditionellen Anforderungen der Standard-Spezifi kation Ti-6Al-4V erfüllte, verwendet wurde. Der Rohblock wies einen O₂-Gehalt von 0,15% auf, der innerhalb der in Militär-Spezifikation angegebenen Grenze lag.

Die physikalischen Eigenschaften dieser Platte sind in der Tabelle I erläutert. Die normalisierte ballistische Bewer tung V_N dieser Ti-6Al-4V-Platte betrug, wie ermittelt wurde, 1037, was eine geringfügige Verschlechterung der ballistischen Eigenschaften im Vergleich zu der in Bei spiel 1 hergestellten Platte repräsentierte. Dieses Bei spiel erläutert die Bedeutung der Verwendung einer Ti-6Al- 4V-Legierung mit einem hohen Sauerstoffgehalt jenseits des in den Militär-Richtlinien angegebenen Grenzwertes.

Vergleichsbeispiel 1

Eine Standard-Ti-6Al-4V-Platte mit einer Dicke von 3,81 cm (1,5 inch) wurde hergestellt nach einem konventionellen α+β-Verfahren (d. h. sie wurde unterhalb der β-Umwandlung ausgewalzt). Insbesondere wurde die Ti-6Al-4V-Platte ge formt durch 4-stündiges Erhitzen auf 955°C. Der Sauer stoffgehalt dieser Ti-6Al-4V-Legierung betrug 0,10%, ein Wert der innerhalb des vom Militär angegebenen Grenzwertes liegt.

Die Tabelle I zeigt die physikalischen Eigenschaften die ser Panzerplatte. Die normalisierte ballistische Bewertung V_N dieser Platte betrug, wie ermittelt wurde, 1001, wäh rend die Zugfestigkeit (UTS) und die Streckfestigkeit (YS) in der Längsrichtung 136 KSI bzw. 124 KSI betrug. Ähnliche Werte für die UTS und YS bei der gleichen Panzerplatte wurden für die Querrichtung angegeben.

Völlig überraschend waren die ballistischen Eigenschaften dieser Ti-6Al-4V-Platte, die nach dem konventionellen α+β- Verfahren hergestellt worden war, schlechter als der Wert, der in Beispiel 1 erhalten wurde. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, daß verbesserte ballistische Eigenschaften ei ner Ti-6Al-4V-Platte erzielt werden können durch Verwen dung einer β-bearbeiteten Platte mit hohem Sauerstoffge halt.

Vergleichsbeispiel 2

Eine 3,81 cm (1,5 inch) dicke Ti-6Al-4V-Panzerplatte wurde nach dem in dem Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Verfahren bearbeitet, wobei diesmal jedoch der Sauerstoff gehalt dieses Materials 0,15% betrug.

Die physikalischen Eigenschaften dieser Ti-6Al-4V-Platte sind in der Tabelle I erläutert. Die ballistische Bewer tung dieser Platte war die gleiche wie diejenige, wie sie für das Vergleichsbeispiel 1 angegeben ist. Diese Daten zeigen im Vergleich zu dem Beispiel 1 erneut, daß durch die vorliegende Erfindung verbesserte ballistische Eigen schaften erzielt werden können. Das heißt, verbesserte ballistische Eigenschaften einer Legierung auf Titanbasis können erzielt werden durch Verwendung einer Zusammenset zung mit einem hohen Sauerstoffgehalt und durch β-Bearbei tung des an Sauerstoff reichen Materials bei Temperaturen innerhalb des β-Phasen-Bereichs.

Vergleichsbeispiel 3

Eine 3,81 cm (1,5 inch) dicke Ti-6Al-4V-Panzerplatte wurde nach dem im Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Verfahren bearbeitet, wobei diesmal jedoch der O₂-Gehalt der Legie rung jenseits des vom Militär genannten Grenzwertes von 0,20% lag. Dieses Vergleichsbeispiel wurde durchgeführt, um die Bedeutung der Anwendung von Temperaturen innerhalb des β-Phasen-Bereichs zu erläutern.

Die Daten für diese Panzerplatte sind in der Tabelle I an gegeben. Die normalisierte ballistische Bewertung V_N die ser Ti-6A1-4V-Platte mit einem O₂-Gehalt von 0,22%, die unter Anwendung des Niedertemperatur-α+β-Verfahrens bear beitet worden war, betrug, wie ermittelt wurde, 1031. Die ser Wert ist höher als irgendein Wert der vorhergehenden Vergleichsbeispiele, dieser Wert ist jedoch noch niedriger als derjenige, der für das Beispiel 1 angegeben ist. Der Grund für diesen leichten Anstieg ist unklar, die Ergeb nisse dieses Vergleichsbeispiels zeigen jedoch erneut, daß die besten ballistischen Eigenschaften erzielt werden kön nen durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Tabelle I

Eigenschaften einer 3,81 cm (1,5 inch) dicken Ti-6Al-4V-Platte

Claims

1. Verbessertes Verfahren zur Herstellung von Ti-6Al-4V- Panzerplatten mit äquivalenten oder verbesserten ballisti schen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt

a) die Bereitstellung einer Titanlegierung, in der die Zusammensetzungs-Grenzen der genannten Titanlegierung 5,5 bis 6,75% Al; 3,5 bis 4,5% V; 0,20 bis 0,30% O₂; höchstens 0,50% Fe und höchstens 0,50% sonstige (andere) Verunreinigungen betragen;
b) die β-Bearbeitung der genannten Titanlegierung durch Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur innerhalb des β-Phasen-Bereiches und die anschließende Be- bzw. Verarbeitung dieser Legierung; und
c) das Abkühlenlassen der be- bzw. verarbeiteten Legie rung auf Raumtemperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Titanlegierung die folgende ist: 6,2% Al; 4,0% V und 0,25% O₂.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der O₂-Gehalt der Titanlegierung unter Ver wendung von Ti-6Al-4V-Schrott (-Abfall) erhöht wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stufe (a) die Titan legierung geschmolzen wird unter Anwendung eines Einzel- Schmelzherd-Verfahrens und daß sie dann zu einem Feststoff abgekühlt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einzel-Schmelzherd-Ver fahren durchgeführt wird unter Verwendung einer Einzel- Elektronenstrahl-Energiequelle.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einzel-Schmelzherd-Ver fahren unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanlegierung einzel geschmolzen wird zu einer für die weitere Bearbeitung ge eigneten Gestalt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanlegierung bei Tem peraturen von etwa 990 bis etwa 1200°C etwa 1 bis etwa 12 h lang β-bearbeitet wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanlegierung bei Tem peraturen von etwa 1050 bis etwa 1100°C etwa 3 bis etwa 6 h lang β-bearbeitet wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanlegierung 4 h lang bei 1075°C β-bearbeitet wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die β-bearbeitete Titanle gierung zu einer Platte ausgewalzt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte bis zu einer Dicke von etwa 0,48 cm bis etwa 15,24 cm (3/16-6 inches) ausgewalzt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte bis zu einer Dicke von etwa 2,54 cm bis etwa 7,62 cm (1-3 inches) aus gewalzt wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte bis zu einer Dicke von etwa 3,81 cm (1,5 inches) ausgewalzt wird.

15. Legierung auf Titan-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält 5,5 bis 6,75% Al; 3,5 bis 4,5% V; 0,20 bis 0,30% O₂; höchstens 0,50% Fe; und höchstens 0,50% andere unvermeidliche Verunreinigungen.

16. Legierung auf Titan-Basis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie 6,2% Al, 4,0% V und 0,25% O₂ enthält.

17. Ballistische Panzerplatte, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus 5,5 bis 6,75% Al; 3,5 bis 4,5% V; 0,20 bis 0,30% O₂; höchstens 0,50% Fe und höchstens 0,50% anderen unvermeidlichen Verunreinigungen.

18. Ballistische Panzerplatte nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus 6,2% Al; 3,5 bis 4,0% V und 0,25% O₂.