DE60315015T2 - ALPHA-BETA-Ti-Al-V-Mo-Fe-LEGIERUNG - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine α-β-Legierung hoher Festigkeit mit einer verbesserten Kombination von Festigkeit, Bearbeitbarkeit und ballistischen Eigenschaften.
  • Legierungen auf Titanbasis werden in Anwendungen, die hohe Festigkeit/Gewicht-Verhältnisse zusammen mit Eigenschaften bei erhöhter Temperatur und Korrosionsbeständigkeit erfordern, verwendet. Diese Legierungen können als α-Phase-Legierungen, β-Phase-Legierungen oder α-β-Legierungen gekennzeichnet werden. Die α-β-Legierungen enthalten ein oder mehrere α stabilisierende Elemente und ein oder mehrere β stabilisierende Elemente. Diese Legierungen können durch Wärmebehandlung oder thermomechanische Behandlung fester gemacht werden. Speziell können die Legierungen durch rasches Abkühlen von einer hohen Temperatur im α-β-Bereich oder über der β-Übergangstemperatur fester gemacht werden. Diesem Verfahren, das als Lösungsbehandlung bekannt ist, folgt eine Behandlung bei mittlerer Temperatur, die als Vergütung bezeichnet wird, was zu dem gewünschten Gemisch von α- und umgewandelter β-Phase als Hautphasen in der Mikrostruktur der Legierung führt.
  • Es ist gewünscht, diese Legierungen in Anwendungen, die eine Kombination von hoher Festigkeit, guter Bearbeitbarkeit und ballistischen Eigenschaften erfordern, zu verwenden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer α-β-Legierung auf Titanbasis mit dieser gewünschten Kombination von Eigenschaften.
  • ZUSAMNENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • α-β-Titanlegierung, die umfasst:
    • Al: 4,5 bis 5,5 Gew.-%
    • V: 3,0 bis 5,0 Gew.-% (vorzugsweise 3,7 bis 4,7 Gew.-%)
    • Mo: 0,3 bis 1,8 Gew.-%
    • Fe: 0,2 bis 1,2 Gew.-% (vorzugsweise 0,2 bis 0,8 Gew.-%)
    • O: 0,12 bis 0,25 Gew.-% (vorzugsweise 0,15 bis 0,22 Gew.-%)
  • Zum Rest Titan und beiläufige Elemente und Verunreinigungen, die jeweils weniger als 0,1 Gew.-% und insgesamt weniger als 0,5 Gew.-% betragen.
  • Die Legierungen gemäß der Erfindung weisen Aluminium als wesentliches Element in den Zusammensetzungsgrenzen der Erfindung auf. Wenn Aluminium weniger als 4,5 % beträgt, wird keine ausreichende Festigkeit erhalten. In ähnlicher Weise ist, wenn Aluminium mehr als 5,5 % beträgt, die Bearbeitbarkeit schlechter.
  • Vanadium ist ein wesentliches Element als β-Stabilisierungsmittel in den α-β-Titanlegierungen gemäß der Erfindung. Wenn Vanadium weniger als 3,0 % beträgt, wird keine ausreichende Festigkeit erhalten. In ähnlicher Weise ist, wenn Vanadium mehr als 5,0 % beträgt, der Gehalt der Legierung an dem β-Stabilisierungsmittel zu hoch, was zu einer Verschlechterung der Bearbeitbarkeit führt.
  • Eisen ist als wirksames und weniger kostenaufwändiges β-Stabilisierungselement vorhanden. Normalerweise sind etwa 0,1 % Eisen aus dem Titanschwamm und anderen Recyclingmaterialien, die bei der Produktion der Legierung gemäß der Erfindung verwendet werden, vorhanden. Ansonsten kann Eisen als Stahl oder Ferromolybdänvorlegierung zugesetzt werden, da die Legierung der Erfindung Molybdän als wesentliches Element aufweist. Wenn Eisen mehr als etwa 1,2 % beträgt, ist die Bearbeitbarkeit nachteilig beeinflusst.
  • Molybdän ist ein wirksames Element zur Stabilisierung der β-Phase sowie zur Bereitstellung einer Kornverfeinerung der Mikrostruktur. Wenn Molybdän weniger als 0,3 % beträgt, werden die gewünschten Wirkungen nicht erhalten. In ähnlicher Weise ist, wenn Molybdän mehr als 1,8 % beträgt, die Bearbeitbarkeit verschlechtert.
  • Sauerstoff ist ein Verfestigungselement in Titan und dessen Legierungen. Wenn Sauerstoff weniger als 0,12 % beträgt, wird keine ausreichende Festigkeit erhalten, und wenn Sauerstoff mehr als 0,25 % beträgt, tritt Sprödigkeit auf und die Bearbeitbarkeit ist verschlechtert.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG UND SPEZIELLE BEISPIELE
  • Beispiel 1
  • Zehn Blöcke eines Durchmessers von 203 mm (8 inch), die Ti-6Al-4V umfassen, wurden mit Doppel-VAR(Vacuum Arc Remelting)-Verfahren im Labormaßstab hergestellt. Die chemischen Zusammensetzungen dieser Blöcke sind in Tabelle 1 angegeben. In der Tabelle sind die Legierungen A, B, C und E erfindungsgemäße Legierungen. Die Legierungen D und F bis J sind Kontrolllegierungen. Die Legierung J ist Ti-6Al-4V, das die häufigste α-β-Legierung ist. Diese Blöcke wurden mit α-β-Behandlung geschmiedet und zu quadratischen Stangen von 19 mm (3/4'') oder dicken Platten von 19 mm (3/4'') gewalzt. Ein Teil der Materialien wurde 1 h bei 704°C (1300 F) Walzglühen unterzogen und anschließend luftgekühlt, um grundlegende Eigenschaften jeder Legierung zu untersuchen. Ferner wurden Lösungsbehandlung und Vergüten (STA) für jede Stange durchgeführt und dann wurden mechanische Eigenschaften beurteilt, um die Härtbarkeit der Legierungen zu untersuchen.
  • Die Tabelle 2 zeigt Zugeigenschaften der Legierungen nach Walzglühen. Die Legierungen A, B, C und E zeigen eine zu Ti-6Al-4V äquivalente Festigkeit (UTS oder 0,2 % PS). Die Duktilität (El und RA) von A, B, C und E ist besser als die von Ti-6Al-4V. Die Tabelle 3 zeigt Zugeigenschaften von Versuchslegierungen nach STA zusammen mit Ti-6Al-4V. Die Legierungen A, B und C zeigen eine um mindestens 10 ksi höhere Festigkeit (UTS oder 0,2 % PS) als Ti-6Al-4V. Die höhere Festigkeit nach STA beruht primär auf der verbesserten Härtbarkeit durch Zusatz von Mo und/oder Fe. Wenn jedoch der Mo- und/oder Fe-Gehalt zu hoch ist, wird die Duktilität zu niedrig, was bei den Legierungen G, H und I beobachtet wird. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung der Legierungen (Gew.-% außer H mit ppm)
    Legierung Legierung Al V Mo Fe Si O Anmerkung
    A Ti-5Al-4V-1Mo-0,6Fe 4,94 3,97 0,99 0,57 0,03 0,19 Erfindung
    B Ti-5Al-4V-0,5Mo-0,4Fe 4,95 3,96 0,51 0,38 0,03 0,18 Erfindung
    C Ti-5Al-4V-0,5Mo-0,4Fe-0,08Si 4,95 3,98 0,50 0,39 0,07 0,18 Erfindung
    D Ti-5Al-4V-0,5Mo-0,4Fe-0,35Si 4,93 4,02 0,51 0,39 0,30 0,17 Vergleich
    E Ti-5Al-4V-1,5Mo-1Fe 4,84 3,95 1,52 0,099 0,03 0,16 Erfindung
    F Ti-4Al-4V-1,5Mo-1Fe 3,94 3,95 1,51 0,98 0,03 0,22 Vergleich
    G Ti-5Al-4V-2Mo-1,3Fe 3,92 3,91 2,01 1,26 0,03 0,19 Vergleich
    H Ti-4Al-4Mo-0,5Si 3,95 < 0,001 3,88 0,20 0,47 0,21 Vergleich
    I Ti-4Al-2Mo-1,3Fe-0,5Si 3,90 < 0,001 2,03 1,28 0,45 0,19 Vergleich
    J Ti-6Al-4V 5,96 4,06 0,02 0,03 0,02 0,17 Vergleich
    Tabelle 2 Zugeigenschaften walzgeglühter Stangen
    Legierung UTS (ksi) 0,2 % PS (ksi) El (%) RA (%)
    A 147,6 145,6 17 57,9
    B 144,2 142,1 17 53,7
    C 146,4 138,0 17 52,1
    D 151,8 143,9 13 42,0
    E 153,3 147,0 15 56,0
    F 152,6 144,5 17 56,1
    G 153,2 146,9 17 54,0
    H 154,9 146,6 15 41,6
    I 154,4 146,4 15 40,7
    J 146,7 134,2 15 44,3
    Tabelle 3 Zugeigenschaften lösungsbehandelter und vergüteter Stangen
    Legierung UTS (ksi) 0,2 % PS (ksi) El (%) RA (%)
    A 181,9 170,2 13 49,8
    B 170,0 159,7 13 51,3
    C 169,4 153,3 17 57,2
    D 180,4 165,3 13 48,6
    E 194,1 183,5 12 40,4
    F 189,5 172,8 12 40,5
    G 195,5 185,0 10 35,2
    H 203,4 186,8 10 32,1
    I 187,5 169,4 9 32,1
    J 159,0 144,5 15 53,3
    • El = Dehnung
    • RA = Flächenverringerung
    • UTS = Endzugfestigkeit
    • 0,2 % PS = 0,2 % Dehn(streck)festigkeit
  • Beispiel 2
  • Walzgeglühte Platten mit einer Dicke 19 mm (3/4'') wurden zu Platten einer Dicke von 16 mm (5/8'') gearbeitet. Ein Bohrtest wurde an diesen Platten durchgeführt, um die Bearbeitbarkeit der Legierungen zu beurteilen. Schnellstahlbohrer (AISI M42) wurden für den Test verwendet. Die folgenden sind die Bedingungen des Bohrtests.
    • – Bohrerdurchmesser: 6,4 mm (1/4'')
    • – Lochtiefe: Durchloch von 16 mm (5/8'')
    • – Zufuhr: 0,1905 mm (0,0075''/Umdrehung)
    • – Rotationsgeschwindigkeit: 500 rpm
    • – Kühlmittel: wasserlösliches Kühlmittel
  • Die Bohrerlebensdauer wurde bestimmt, wenn der Bohrer aufgrund der Beschädigung von dessen Spitze keine Löcher bohren konnte. Die Ergebnisse des Bohrtests sind in Tabelle 4 angegeben. Der relative Bohrindex in Tabelle 4 ist der Mittelwert von 2 bis 3 Tests. Der Bohrtest wurde beendet, wenn dessen relativer Index höher als etwa 4,0 wurde. Der Bohrtest zeigte, dass die Erfindungslegierung signifikant bessere Bearbeitbarkeit als Ti-6Al-4V und andere Legierungen außerhalb der chemischen Zusammensetzung der Legierung der vorliegenden Erfindung besitzt. Die schlechtere Bearbeitbarkeit der Legierung F beruht auf einem hohen Sauerstoffgehalt. Tabelle 4 Ergebnisse des Bohrtests
    Legierung Legierungsart Relativer Bohrindex Bemerkung
    A Ti-5Al-4V-1Mo-0,6Fe-0,19Sauerstoff > 4,3 Erfindung
    B Ti-5Al-4V-0,5Mo-0,4Fe-0,18 Sauerstoff > 4,2 Erfindung
    D Ti-5Al-4V-0,5Mo-0,4Fe-0,35qSi-0,17 Sauerstoff > 4,3 Erfindung
    E Ti-5Al-4V-1,5Mo-1Fe-0,16 Sauerstoff > 4,0 Erfindung
    F Ti-4Al-4V-1,5Mo-1Fe-0,22 Sauerstoff 0,2 Vergleich
    G Ti-4Al-2Mo-1,3Fe-0,19 Sauerstoff 1,5 Vergleich
    H Ti-4Al-4Mo-0,5Si-0,21 Sauerstoff 1,8 Vergleich
    I Ti-4Al-2Mo-1,3Fe-0,5Si-0,19 Sauerstoff 0,2 Vergleich
    J Ti-6Al-4V-0,17 Sauerstoff 1,0 Vergleich
  • Beispiel 3
  • Eine Platte mit einer Dicke von etwa 11 mm (0,43'') wurde durch α-β-Behandlung ausgehend von einem Laborblock eines Durchmessers von 203 mm (8 inch) produziert. Diese Platte wurde nach Beizen einem Walzglühen unterzogen. Ein 50-Kaliber-FSP (Fragment Simulating Projectile) wurde als Projektil verwendet. Ein V50-Wert, der die Geschwindigkeit eines Projektils, die eine Chance von 50 % für vollständiges Durchdringen ergibt, ist, wurde für jede Platte bestimmt und mit der Spezifikation verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben. ΔV50 in der Tabelle gibt die Differenz von V50 zwischen dem gemessenen Wert und der Spezifikation an. Daher zeigt eine positive Zahl bessere Eigenschaften gegenüber der Spezifikation an. Wie in der Tabelle angegeben ist, zeigt die Legierung K bessere ballistische Eigenschaften als Ti-6Al-4V. Tabelle 5 Ergebnisse der ballistischen Eigenschaften
    Legierung Al V Mo Fe O ΔV50(FSP) Bemerkung
    K 4,94 4,09 0,538 0,371 0,171 237 Erfindung
    Ti-6Al-4V – 323 Vergleich
  • Andere Ausführungsformen der Erfindung sind dem Fachmann bei Berücksichtigung der hier offenbarten Beschreibung und praktischen Durchführung der Erfindung offensichtlich. Die Beschreibung und die Beispiele sollen nur als exemplarisch betrachtet werden, wobei der wahre Umfang der Erfindung durch die im folgenden angegebenen Ansprüche angegeben wird.

Claims (3)

  1. α-β-Legierung auf Titanbasis, die – in Gew.%. – umfasst: 4,5 bis 5,5 Aluminium, 3,0 bis 5,0 Vanadium, 0,3 bis 1,8 Molybdän, 0,2 bis 0,8 Eisen, 0,12 bis 0,25 Sauerstoff und zum Rest Titan und beiläufige Elemente und Verunreinigungen, wobei die beiläufigen Elemente jeweils weniger als 0,1 und insgesamt weniger als 0,5 betragen.
  2. Legierung nach Anspruch 1, die 3,7 bis 4,7 Vanadium umfassst.
  3. Legierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die 0,15 bis 0,22 Sauerstoff umfasst.
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