DE69307683T2 - Titanlegierung für Blech - Google Patents

Titanlegierung für Blech

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DE69307683T2
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium

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Description

    Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine Legierung auf Titanbasis mit einer Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Legierungen auf Titanbasis werden bekanntlich auf den verschiedensten Bau- bzw. Konstruktionseinsatzgebieten, auf denen das Festigkeit/Gewicht-Verhältnis von Titan erforderlich ist, verwendet. Insbesondere gibt es Einsatzmöglichkeiten für Legierungen auf Titanbasis, bei welchen die Legierung zur Produktion von Bauteilen, einschließlich von Schiffbauteilen, die periodisch hohen Drücken ausgesetzt sind, z.B. zur Konstruktion von Druckgefäßen und Bootskörpern von Unterseebooten, in Blechform verarbeitet wird. Auf diesen Einsatzgebieten ist es wichtig, daß die Legierung eine Kombination von hoher Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere Bruchzähigkeit, aufweist. Speziell unter diesem Gesichtspunkt ist es wichtig, daß die Legierung bei beginnender Rißbildung und Fortschreiten derselben in Gegenwart eines Defekts bruchbeständig ist, wenn das Bauteil mit oder aus dieser Legierung einem hohen Druck ausgesetzt wird. Darüber hinaus ist es wichtig, daß die Legierung eine hohe Festigkeit und Zähigkeit sowohl in geschweißtem als auch nichtgeschweißtem Zustand aufweist, da Bauteile dieses Typs durch Schweißen hergestellt werden. Bei Einsatz auf dem Schiffbaugebiet ist es auch erforderlich, daß die Legierung in einer wäßrigen 3,5-%igen NaCl-Lösung in hohem Maße gegen Spannungsrißkorrosion (SCC) beständig ist.
  • Ein Schweißdraht aus einer Titanlegierung ist aus der SU-A-436 717 bekannt. Die Legierung besteht aus (in Gew. -%) 4,7-5,8 Al, 2,2-3,5 Zr, 1,3-3,2 V, 0,8-1,5 Mo, 1-2 Sn und zum Rest Ti. Schweißungen aus diesem Draht zeichnen sich durch eine verbesserte Festigkeit und Wärmestabilität aus.
  • Eine Titanlegierung verbesserter mechanischer Eigenschaften ist aus der SU-A-447 450 bekannt. Die Legierung besteht aus (in Gew.-%) 2-6 Al, 1,0-3,8 Mo, 0,7-2,5 V, 0,05-0,015 (sic) Sauerstoff, 0,005-0,015 Wasserstoff und zum Rest Ti.
  • Eine weitere Legierung auf Titanbasis zur Verwendung beim Schweißen ist aus Chemical Abstracts 96(6):39354a bekannt. Die Zusammensetzung ist in RN = 80264-38-6 beschrieben. Sie besteht zu 93% aus Ti, zu 4,5% aus Al, zu 1,7% aus V und zu 0,8% aus Mo.
  • Andere Legierungen auf Titanbasis mit der für eine zyklische Hochdruckapplikation erforderlichen Eigenschaftskombination sind bekannt. Damit jedoch bei diesen bekannten Legierungen die gewünschte Kombination von hoher Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird, erfordern sie relativ hohe Gehalte an Niob und/oder Tantal. Bei diesen Elementen handelt es sich um teure Legierungszusätze, die in erheblichem Maße zu den Kosten der Legierung beitragen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, aus der der Einfluß des Sauerstoffgehalts auf die Streckfestigkeit (YS) für die Legierung Ti-5Al-2Zr-2V-0,5Mo hervorgeht;
  • Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, aus der der Einfluß des Sauerstoffgehalts auf die Energiezähigkeit (W/A) für die Legierung Ti-SAL-2Zr-2V-0,SMO hervorgeht, und
  • Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, aus der der Einfluß des Sauerstoffgehalts auf die Energiezähigkeit (W/A) der Schweißung der Legierung Ti-5A1-2Zr-2V- 0,5Mo hervorgeht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist folglich eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zur Produktion von Blechen zur Verwendung bei der Herstellung eines geschweißten Bauteils geeignete Legierung auf Titanbasis, die sowohl in geschweißtem als auch ungeschweißtem Zustand eine hohe Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere Bruchzähigkeit und darüber hinaus einen hohen Grad an Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion (SCC) in einer wäßrigen 3,5%igen NaCl-Lösung aufweist, bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Legierung mit den genannten Eigenschaften, die eine relativ wirtschaftliche Zusammensetzung aufweist und keine signifikanten Zusätze an teuren Legierungselementen erfordert.
  • Gegenstand der Erfindung ist somit ganz allgemein eine Legierung auf Titanbasis, die im wesentlichen aus (in Gew.-%) 4 bis 5,5, vorzugsweise 4,5 bis 5,5 oder 5 Aluminium, bis zu 2,5, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 oder 1 Zinn, bis zu 2,5, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 oder 1 Zirkonium, 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 oder 1 Vanadium, 0,3 bis 1, vorzugsweise 0,6 bis 1 oder 0,8 Molybdän, bis zu 0,15, vorzugsweise 0,07 bis 0,13 oder 0,1 Silicium, 0,04 bis 0,12, vorzugsweise 0,07 bis 0,11 oder 0,09 Sauerstoff, 0,01 bis 0,12, vorzugsweise 0,01 bis 0,09 oder 0,07 Eisen und zum Rest Titan und beiläufigen Verunreinigungen besteht.
  • Die Legierung eignet sich besonders gut zur Produktion geschweißter Bauteile. Zu diesem Zweck wird in typischer Weise die Legierung einer Vakuumlichtbogenschmelzung unterworfen, geschmiedet und dann zu Blechen ausgewalzt. Die Bleche werden schließlich zur Bildung der gewünschten Konstruktion bzw. Bauteile geschweißt.
  • Wie noch gezeigt werden wird, muß bei der erfindungsgemäßen Legierung Aluminium zulegiert werden, um ihr Streckfestigkeit zu verleihen. Wenn jedoch Aluminium die erfindungsgemäß einzuhaltenden Grenzen überschreitet, beeinträchtigt es die Zähigkeit der Schweißung. Ferner ist von hohen Aluminiumanteilen allgemein bekannt, daß sie die SCC-Widerstandsfähigkeit beeinträchtigen.
  • Zinn besitzt im Hinblick auf eine Verbesserung der Streckfestigkeit dieselbe Funktion wie Aluminium, allerdings weniger ausgeprägt.
  • Zirkonium sorgt für eine schwache Verfestigungswirkung bei schwacher Beeinträchtigung der Zähigkeit und insbesondere der Zähigkeit der Schweißung. Folglich ist Zirkonium im Hinblick auf die Gewährleistung der gewünschten Kombination von hoher Festigkeit mit Zähigkeit von Vorteil.
  • Silicium ist als Verstärkungselement für eine feste Lösung vorhanden. Wird jedoch die erfindungsgemäß für Silizium festgelegte Grenze überschritten, führt dies dazu, daß der Siliciumanteil das Löslichkeitslimit überschreitet und Somit eine signifikante Silicidbildung stattfinden kann. Diese beeinträchtigt die gewünschte Zähigkeit der Legierung. In dieser Hinsicht trägt Zirkonium in vorteilhafter Weise zu einer Siliciddispergierung bei, da es die vorhändenen Silicide kleiner macht und gleichmäßig dispergiert. Dadurch, daß dann eine feine gleichförmige Dispersion irgendwelcher vorhandener Silicide vorliegt, wird die negative Wirkung der Silicide auf die Zähigkeit vermindert.
  • Vanadium ist als beta-Stabilisator vorhanden. In den vorhandenen Mengen besitzt es keinen signifikanten Einfluß auf die Festigkeit oder Zähigkeit, es verbessert aber bekanntlich die Schmiede- und Walzeigenschaften.
  • Molybdän besitzt in den in der Legierung enthaltenen Mengen allenfalls einen geringen Einfluß auf die Festigkeit. Es verbessert jedoch in signifikanter Weise die Zähigkeit in nichtgeschweißtem Zustand und stellt folglich in dieser Hinsicht einen wesentlichen Legierungszusatz dar. Wenn jedoch die erfindungsgemäß einzuhaltende Obergrenze für Molybdän überschritten wird, wird in signifikanter Weise die Zähigkeit der Legierungsschweißungen beeinträchtigt. Insbesondere kommt es in dieser Hinsicht beim Überschreiten der Molybdänobergrenze zu einer Härtung in der durch die Schweißwärme beeinflußten Zone unter gleichzeitigem Verlust der Zähigkeit in diesem Bereich.
  • Die Anwesenheit von Sauerstoff innerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Grenzen verbessert die Festigkeit. Wenn jedoch die Obergrenze überschritten wird, wird die Zähigkeit beeinträchtigt. Ein hoher Sauerstoffgehalt vermindert bekanntlich in der Regel auch die SCC-Widerstandsfähigkeit.
  • In gleicher Weise sorgt Eisen für eine Verfestigungswirkung. Es beeinträchtigt jedoch die Zähigkeit der Schweißung und muß somit innerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Grenzen gehalten werden.
  • In den Beispielen und durchgängig durch die Beschreibung und Ansprüche bedeuten - sofern nicht anders angegeben - sämtliche Angaben "Teile" und "Prozente" Gewichtsteile bzw. Gewicht sproz ente.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Wie bereits ausgeführt, ist es bei Bau- bzw. Konstruktionsapplikationen, bei denen eine Kombination von hoher Festigkeit und Zähigkeit erforderlich ist, wenn das Bauteil bzw. die Konstruktion einer zyklischen bzw. periodischen Druckeinwirkung ausgesetzt ist, sinnvoll, daß die Legierung, aus der das Bauteil bzw. die Konstruktion besteht, gegen ein Fortschreiten der bzw. eine fortschreitende Rißbildung bei dieser zyklischen bzw. periodischen Druckeinwirkung beständig gemacht wird. Wie durch die hier präsentierten Daten belegt wird, wird mit der erfindungsgemäßen Legierung eine Verbesserung der Energiezähigkeit erreicht. Diese Verbesserung steht in überraschender Weise in keiner Beziehung zur linearen elastischen Bruchzähigkeit.
  • Während der vergangenen beiden Dekaden haben die mit der Entwicklung bruchkritischer Legierungen, wie sie für einen Einsatz in der Luft- und Raumfahrt erforderlich sind, befaßten Metallurgen die linear-elastische Bruchmechanik (LEFM)-Methode für die Ausgestaltung (der Legierungen) benutzt. Aufgrund dieser Methode wurde eine als Bruchzähigkeit (Kc) bekannte Werkstoffeigenschaft als üblicher Designparameter gewählt. Vereinfacht ausgedrückt, wird die Fähigkeit des Werkstoffs, eine einwirkende Belastung in Gegenwart eines Risses (oder Sprungs) ohne katastrophalen Ausfall bzw. Defekt aushalten zu können, durch die LEFM-Bruchzähigkeit wie folgt ermittelt:
  • In der Gleichung bedeuten:
  • Kc LEFM-Bruchzähigkeit (ksi-in1/2)
  • c die kritische Belastung (ksi)
  • ac die kritische Rißgröße (in)
  • Da Kc eine Werkstoffkonstante darstellt, ist klar, daß bei steigender Rißgröße die kritische Belastung proportional sinkt. Wenn andererseits die einwirkende Belastung steigt, sinkt die tolerierbare Rißgröße. Solche Prinzipien werden oftmals bei der Gestaltung von bruchkritischen Bauteilen bzw. Konstruktionen herangezogen.
  • Es wurden zahlreiche Titanlegierungen und Verfahren entwickelt, um die LEFM-Bruchzähigkeitskennwerte des Werkstoffs zu maximieren. So wurde beispielsweise eindeutig belegt, daß eine beta-behandelte Mikrostruktur einer alpha- oder alpha/beta-Legierung eine deutlich höhere LEFM-Bruchzähigkeit aufweist als eine alpha/beta-behandelte Mikrostruktur. Es wurde auch gezeigt, daß die Chemie die LEFM-Bruchzähigkeit beeinflußt. So wurde beispielsweise bei der bekannten Ti-6Al-4V- Legierung gezeigt, daß durch eine Erniedrigung des Sauerstoffanteils von dem (Standard-) Wert von 0,18 Gew.-% auf den (ausgesprochen niedrigen interstitiellen) Wert von 0,13 Gew.-% eine - allerdings auf Kosten der Festigkeit gehendedeutliche Verbesserung der LEFM-Bruchzähigkeit erreicht wird. Somit ist sowohl von der Chemie als auch der Mikrostruktur bekannt, daß sie die LEFM-Bruchzähigkeit beeinflussen.
  • In den vergangenen Jahren kam ein neues Designkriterium auf, nämlich dasjenige der Energiezähigkeit. Der Hauptunterschied. zwischen der LEFM-Methode und der Energie-Methode ist, daß die LEFM-Methode von der Voraussetzung ausgeht, daß ein Riß in katastrophaler Weise fortschreitet, sobald der Werkstoff über elastisches Verhalten hinausgeht, und zwar unabhängig davon, ob bereits tatsächlich eine Rißausbreitung begonnen hat. Bei der Energie-Methode wird die tatsächliche Ausdehnung des Risses gemessen und die zum physikalischen Starten des Rißausdehnungsprozesses erforderliche Energie bestimmt. Die energiebezoge Zähigkeit wird üblicherweise in Einheiten wie in-lb/in² oder kJ/m² angegeben.
  • Zur Bestimmung dieser Eigenschaft wurde der Charpy-Langsambiegebruchtest mit vorgerissenem Prüfling als relativ rascher und preisgünstiger Sichtungstest zum Testen der Bruchzähigkeit gewählt. Dieser Test hält die strengen Anforderungen der Vorschrift ASTM E399-78 zum Testen der linearelastischen Bruchzähigkeit (KIc) bzw. der Vorschrift ASTM E813-81 zum Testen der plastischen Bruchzähigkeit (JIc) nicht ein, er eignet sich jedoch zum Vergleich von Legierungen einer gegebenen Klasse. Die verwendeten Prüflinge waren von ähnlicher Gestalt wie der Standard-Charpy-Schlagzähigkeitsprüfling mit V-Kerbe (ASTM E23-72) mit Ausnahme einer größeren Tiefe und eines kleineren Kerbgrundradius. Die größere Tiefe verbesserte die Kontrolle des Rißwachstums sowohl während der Ermüdungsvorrißbildung als auch beim Bruchtest. Der kleinere Kerbgrundradius erleichterte die Einleitung des Ermüdungsvorreißens.
  • Die Prüflinge wurden durch zyklische Belastung im Rahmen eines Dreipunktbiegens mit einem Minimal-/Maximall-Verhältnis von 0,1 vorgerissen. Die Vorreißbedingungen entsprachen den Anforderungen der Vorschrift ASTM D399-78. Die maximale Belastungsintensität des Ermüdungszyklus, Kf (max), reichte am Ende des Vorreißens von 23 bis 37,7 MPa in1/2 (21 bis 34,3 ksi in1/2). Die Vorrisse wurden bis auf eine Länge von 4,6 mm (0,18 in) (einschließlich der Kerbtiefe) an den Prüflingsseiten wachsen gelassen. Wegen der Rißfrontkrümmung waren die Risse im Durchschnitt über die Dicke etwa 4,8 mm (0,19 in) lang. Dies führte zu einem Vorrißlänge/Tiefe-Verhältnis (a/W) bei den Prüflingen von etwa 0,4. Nach dem Vorreißen wurden die Prüflinge seitlich bis zu einer Gesamttiefe von 10% der Dicke ausgehöhlt, um eine Scherlippenbildung zu unterdrücken. Auch dies trug zu einer Minimierung der Rißkrümmungsprobleme bei.
  • Die Prüflinge wurden auf einer Dreipunktbiegehaltevorrichtung entsprechend den Vorschriften ASTM E399-78 und ASTM E813-81 bei einem Einspannlänge/Tiefe-Verhältnis (S/W) von 4 getestet. Auf der Rückseite der Biegehaltevorrichtung war ein Dehnungsmesser zur Bestimmung der Auslenkung des Prüflings in der Mitte des Einspannbereichs befestigt. Die Tests wurden unter Auslenkungssteuerung vom Dehnungsmesser bei der konstanten Auslenkungsgeschwindigkeit von 0,32 mm (0,0125 in)/min durchgeführt. Die Werte Last gegen Auslenkung wurden automatisch aufgezeichnet. Die Prüflinge wurden mit der maximalen Last (Pmax) belastet und bei entweder 0,90 oder 0,75 Pmax entlastet bzw. entspannt.
  • Vor dem Testen wurden die Prüflinge kurzzeitig auf 482ºC (900ºF) erwärmt, um die vorgerissenen Oberflächen anlaufen zu lassen. Nach dem Testen erfolgte eine (weitere) Wärmetönung bei 427ºC (800ºF), um die Rißwachstumsfläche zu markieren. Schließlich wurden sie in einer Pendelschlagtest-Vorrichtung gebrochen. Die Vorrißlänge und die dem Entspannungspunkt entsprechende Gesamtrißlänge wurden auf der Bruchoberfläche an fünfim gleichen Abstand befindlichen Punkten quer über die Nettoprüflingsdicke gemessen. Die Messung erfolgte mit einem Mikrometer-geeichten Mikroskop-Verschiebetisch. Die Gesamtfläche innerhalb der Belastungs/Entspannungs- Schleife der Last/Auslenkung-Aufzeichnung und die Fläche bis zur maximalen Belastung wurden mit einem Planimeter ausgemessen.
  • Aus jedem Test wurden die folgenden drei Bruchzähigkeitsparameter errechnet:
  • In den Gleichungen bedeuten:
  • KQ konditionaler linear-elastischer Bruchzähigkeitsparameter - MPa m1/2 (ksi in1/2)
  • W/A Energiezähigkeit als pro Einheit der Rißwachstumsfläche absorbierte durchschnittliche Energie - kJ/m² (in-lb/in²)
  • Jm elastisch-plastischer Bruchparameter (J-Integral) bei maximaler Belastung - kJ/m² (in-lb/in²)
  • PQ konditionale Belastung am Schnittpunkt der 5% -Schnittlinie mit der Last/Auslenkung-Aufzeichnung - kN (lb)
  • S Prüflingsträgerspannweite - cm (in)
  • B Prüflingsdicke - cm (in)
  • BN Nettoprüflingsdicke zwischen den seitlichen Aushöhlungen - cm (in)
  • W Prüflingstiefe - cm (in)
  • a&sup0;³ gemessene Vorrißlänge (Durchschnitt) der Längen an zwei Punkten bei einem Viertel der Dicke und einem Punkt in der Mitte der Dicke - cm (in)
  • f(a&sup0;³/W) Rißlängenfunktion (die Gleichung findet sich in der Vorschrift ASTM E399-78) - dimensionslos
  • AL Gesamtfläche inerhalb der Belastungs/Entspannungs- Schleife der Last/Auslenkung-Aufzeichnung - cm² (in²)
  • C&sub1; Last-Skalenfaktor auf dem x-y-Rekorder - kN/m (lb/in)
  • C&sub2; Auslenkungs-Skalenfaktor auf dem x-y-Rekorder - cm/cm (in/in)
  • a&sup0;&sup5; gemessene Vorrißlänge (Durchschnitt der Längen an sämtlichen fünf Meßpunkten) - cm (in)
  • a> &sup5; gemessene Gesamtrißlänge entsprechend dem Entspannungspunkt (Durchschnitt der Längen an sämtlichen fünf Meßpunkten) - cm (in)
  • Am Fläche unter der Lastkurve bei maximaler Last - cm² (in²)
  • In Tabelle I sind die metallurgischen Zusammensetzungen für die bei der Entwicklung und Veranschaulichung der Erfindung produzierten Schmelzchargen angegeben. Tabelle I Gew.-% - Rest Titan
  • * Beispiele, die unter Anspruch 1 fallen.
  • Tabelle II enthält Daten über die mechanischen Eigenschaften der Schmelzchargen von Tabelle I. Tabelle II Tabelle II - Fortsetzung
  • YS = Streckfestigkeit, ksi
  • TS = Zugfestigkeit, ksi
  • W/A = Energiezähigkeit, in lbs/in²
  • KQ = Lineare elastische Bruchzähigkeit, ksi-in1/2
  • * Beispiele, die unter Anspruch 1 fallen.
  • Die in Tabelle II enthaltenen Ergebnisse belegen, daß mit den erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu den Bezugslegierungen oder bekannten Legierungen eine Schweißenergiezähigkeitsverbesserung ohne entsprechende Verbesserung der linearen elastischen Bruchzähigkeit erreicht wurde. Folglich zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen Beständigkeit gegen rasches Weiterreißen, nachdem eine Rißbildung einmal begonnen hat. Wie bereits diskutiert, stellt diese Eigenschaft eine wichtige erwünschte Eigenschaft bei den erfindungsgemäßen Legierungen dar.
  • Ein Verfahren zur Veranschaulichung der Wirkungen der verschiedenen Legierungselemente auf die mechanischen Eigenschaften entsprechend Tabelle I und II besteht darin, die Daten der Tabellen I und II der multiplen linearen Regressionsanalyse zu unterwerfen. Hierbei handelt es sich um ein mathematisches zu einer Gleichung führendes Verfahren, wobei der Näherungswert einer signifikanten Eigenschaft aus der chemischen Zusammensetzung der Legierung errechnet werden kann. Dieses Verfahren unterstellt, daß der Einfluß eines Elements linear ist, d.h. gleiche Inkremente des Elements zu gleichen Änderungen im Wert der fraglichen Eigenschaft führen. Dies ist nicht immer der Fall, wie später für Sauerstoff gezeigt werden wird. Das Verfahren bietet jedoch eine bequeme Möglichkeit zu einer gewissen Trennung und Quantifizierung der Einflüsse der verschiedenen Elemente in einer Reihe komplexer Legierungen.
  • Die Tabelle III enthält die Ergebnisse multipler linearer Regressionsanalysen der Daten von Tabelle I und II. Bei diesen Berechnungen wurden lediglich die in die Klasse erfindungsgemäßer Legierungen fallenden Legierungen benutzt. Ein Beispiel für die Benutzung der Tabelle III ist die Gleichung für die Grundstreckfestigkeit (YS) einer Legierung:
  • Grundstreckfestigkeit (Grund-YS) (ksi) = 34,8 + 8,9 (% Al) + 3,04 (% Sn) + 2,02 (% Zr) + 0,2 (% V) + 13,6 (% Fe) + 106,7 (% 02) + 67 (% Si)
  • Dies bestatigt die zuvor erwähnten verfestigenden Wirkungen von Aluminium, Zinn, Zirkonium, Eisen, Sauerstoff und Silicium. Hinsichtlich der Energiezähigkeit des Grundwerkstoffs besitzen Aluminium, Zinn, Zirkonium, Eisen und Sauerstoff, insbesondere die beiden letzteren, schädliche Wirkungen. Vanadium, Molybdän und Silicium sind für diese Eigenschaft von Vorteil. Die Energiezähigkeit der Schweißungen wird durch Aluminium, Eisen und Sauerstoff weit stärker als diejenige des Grundmetalls beeinträchtigt. Für keines der sonstigen Elemente fanden sich Belege für irgendwelche signifikanten Wirkungen, ob gut oder schlecht, auf die Schweißungsenergiezähigkeit. Tabelle III Ergenisse von multiplen linearen Regressionsanalysen der Daten der Tabellen I & II
  • Verwendungsbeispiel : Grund-YS (in ksi) = 34,8 + (% Al) + 3,04 (% Sn) + 2,02 (% Zr) + 0,2 (% V) + 13,6 (% Fe) + 106,7 (% O&sub2;) + 67 (% Si)
  • Aus Tabelle III und den Fig. 1, 2 und 3 geht hervor, daß Sauerstoff innerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Grenzen in signifikanter Weise zu einer Verfestigung beiträgt. Oberhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Obergrenze beeinträchtigt Sauerstoff die Zähigkeit der Legierung. Wie aus Fig.l hervorgeht, ist der Einfluß von Sauerstoff auf die Streckfestigkeit linear. Ein erhöhter Sauerstoffanteil führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Streckfestigkeit. Im Gegensatz ist - wie Fig. 2 und 3 zeigen - der Einfluß von Sauerstoff auf die Zähigkeit nichtlinear. Insbesondere dann, wenn Sauerstoff über die erfindungsgemäß einzuhaltenden Grenzen steigt, kommt es zu einer drastischen Verschlechterung der Zähigkeit. Obwohl Sauerstoff im Hinblick auf das Erreichen der erforderlichen Festigkeit von Vorteil ist, darf er konsequenterweise die erfindungsgemäß einzuhaltende Obergrenze nicht übersteigen&sub1; wenn eine solche Zähigkeit erhalten bleiben muß, daß die gewünschte Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird.
  • Im Hinblick auf die Wirkung von Eisen sei auf Tabelle III verwiesen. Die darin enthaltenen Daten belegen, daß die Erhöhung des Eisenanteils über die erfindungsgemäß einzuhaltende Obergrenze hinaus zwar die Festigkeit erhöht, jedoch zu einer ernsthaften Verschlechterung der Zähigkeit, insbesondere bei der Schweißung, führt.
  • Ein Molybdänzusatz von über 1%, insbesondere in Kombination mit einem Vanadiumzusatz von über 1% scheint im allgemeinen zu einer übermäßigen Härtung in den durch die Schweißwärme beeinflußten Zonen (HAZ) zu führen. Dies wird bei den Schmelzchargen B5371, B5374 bis B5377, B5088 und B5093, B5170 und B5126 und letztlich B5278 und B5121 von Tabelle IV gezeigt. Diese Tabelle faßt die Ergebnisse einer 250-g-Knopfschmelzstudie zur Bewertung der Chemismuseinflüsse bei Schweißungen zusammen. Bei dieser Studie wurden 2,54 mm (0,1") dicke, aus den 250-g-Knopfschmelzchargen gewalzte Bleche autogen geschweißt. Danach erfolgten Härtemessungen von der Schmelzungszone über die HAZ (wärmebeeinflußte Zone) und in das Grundmetall. Da die Festigkeitsunterschiede zwischen der HAZ und dem Grundmetall möglichst gering sein sollten, war ein geringer Härteunterschied zwischen der HAZ und dem Grundmetall erwünscht. Während frühere Daten zeigten&sub1; daß Molybdän ein zweckmäßiger Zusatz zur Verbesserung der Grundmetallzähigkeit darstellt, legen die Ergebnisse der Tabelle IV nahe, daß der Molybdänzusatz 1% nicht übersteigen sollte. Die Schmelzchargen B5374 bis B5378 zeigen, daß Molybdän selbst in Gegenwart von 3% Vanadium in einer Menge von 0,5% einen sicheren Zusatz bildet.
  • Die Schmelzchargen B5250 bis B5255 und B5170, B5179 und B5180 dienten zur Bewertung der Einflüsse von Eisenzusätzen von bis zu 0,5% und zum Vergleich dieser Einflüsse mit einem Zusatz von 0,5% Molybdän bzw. 1% Vanadium. Die Ergebnisse belegen, daß Eisen eine stärkere Verfestigungswirkung als die anderen Zusätze besitzt. Tabelle IV Eigenschaften von aus 1/2-LB-Schelzen hergestellten Blechen Tabelle IV - Forts.
  • Wie jedoch bereits früher gezeigt, besitzt Eisen (aber) auch eine ausgesprochen schädliche Wirkung auf die Zähigkeit der Schweißung
  • Siliciumzusätze von 0,15% oder darunter scheinen die Stabilität der Schweißung nicht zu beeinträchtigen. Beim Vergleich der Schmelzchargen B5088 bis B5091 und B5382 und B5383 von Tabelle IV ist festzustellen, daß Silicium eine mäßige Verfestigungswirkung ohne irgendwelche stabilisierenden Wirkungen auf die Schweißung besitzt.
  • Wie bereits früher festgestellt, besteht eine wichtige erwünschte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Legierung in einem hohen Grad an Immunität gegen Spannungsrißkorrosion (SCC). Um die hervorragende SCC-Beständigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen zu belegen, wurde ein 25,4-mm (1-in)- Blech aus einer 816,5-kg (1800-lb)-Schmelzcharge wie folgt getestet:
  • (a) Standard-ASTM-WOL-Prüflinge wurden an Luft unter Einhaltung des maximalen Belastungsintensitäts(K)-Werts, der halb so groß wie beim folgenden Test ist, an Luft vorgerissen.
  • (b) Nach dem Vorreißen wurden die Prüflinge in einem statischen Rahmen bis zu dem gewünschten K-Wert belastet. Die Umgebung bestand aus einer 3,5%igen Lösung von NaCl in destilliertem Wasser. Die Prüflingsbelastung und die Rißmundöffnung wurden überwacht.
  • (c) War während einer Testdauer von mindestens 150 h kein Rißwachstum feststellbar, wurde der Prüfling herausgenommen. Der Riß wurde durch Ermüdungsreißen vergrößert, worauf der Prüfling bei einem höheren K-Wert in den Test zurückgeführt wurde. Diese Maßnahmen wurden wiederholt, bis entweder der Riß aufgrund von SCC oder eines mechanischen Defekts wuchs oder die Ergebnisse für eine Analyse durch Bruchmechanikmethoden ungeeignet wurden.
  • (d) Am Ende des Tests wurden die Prüflinge aufgebrochen. Die Rißlängen und andere Abmessungen wurden endgültig gemessen. Auf der Grundlage dieser Messungen wurden die Berechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests finden sich in Tabelle V.
  • Die Ergebnisse von Tabelle V zeigen klar und deutlich, daß die erfindungsgemäße Legierung gegen eine Spannungsrißkorrosion immun ist, d.h. daß keine Rißausdehnung erfolgte, obwohl das Material sogar mit mehr als 100% des linearen elastischen Bruchzähigkeitswerts (KQ) belastet wurde. In signifikanter Weise war die Legierung sogar nach einer Vakuumkriechglättungsmaßnahme (langsames Abkühlen von 788ºC (1450ºF)) gegen SCC beständig. Von dieser Maßnahme ist bekannt, daß sie andere übliche Legierungen, z.B. Ti-6Al-4V, SCC-anfällig macht. Tabelle V SCC-Testeregbnisse für ein aus der Schmelzcharge V-6447¹ gewalztes 25-mm (1-in)-Blech
  • 1 Schmelzechemismus = Tis-5, 2Al-1, 0Sn-1, 2Zr-1, 0V-0, 8Mo-0, 05Fe-0, 09Si-0, 080&sub2; Durchschnitts-YS = 101 ksi, Durchschnitts-UTS = 118 ksi
  • 2 949ºC (1740ºF) (1 h) AC.
  • 3 Vakuumkriechglättung 788ºC (1450ºF), langsames Abkühlen
  • 4 949ºC (1740ºF) (1 h) AC.
  • 5 933ºC (1820ºF) (1 h) AC + 949ºC (1740ºF) (1 h) AC.
  • 6 Der Riß wurde zwischen der jeweiligen Einwirkung durch Ermüdung vergrößert.
  • 7 in wäßriger 3,5%iger NaCl-Lösung getestet.

Claims (4)

1. Legierung auf Titanbasis, die sich durch eine Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit sowohl in geschweißtem als auch ungeschweißtem Zustand und durch eine Spannungsrißkorrosionsfreiheit in wässriger 3,5%iger NaCl-Lösung auszeichnet, umfassend in Gew.-%: Aluminium 4 bis 5,5, Zinn bis zu 2,5, Zirkon bis zu 2,5, Vanadium 0,5 bis 2,5, Molybdän 0,3 bis 1, Silizium bis zu 0,15, Sauerstoff 0,04 bis 0,12, Eisen 0,01 bis 0,12 und zum Rest Titan und beiläufige Verunreinigungen.
2. Legierung auf Titanbasis nach Anspruch 1, umfassend in Gew.-%: Aluminium 4,5 bis 5,5, Zinn 0,5 bis 1,5, Zirkon 0,5 bis 1,5, Vanadium 0,5 bis 1,5, Molybdän 0,6 bis 1, Silizium 0,07 bis 0,13, Sauerstoff 0,07 bis 0,11, Eisen 0,01 bis 0,09 und zum Rest Titan und beiläufige Verunreinigungen.
3. Legierung auf Titanbasis nach Anspruch 1 oder 2, umfassend in Gew.-%: Aluminium 5, Zinn 1, Zirkon 1, Vanadium 1, Molybdän 0,8, Silizium 0,1, Sauerstoff 0,09, Eisen 0,07 und zum Rest Titan und beiläufige Verunreinigungen.
4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Form eines Schweißstücks.
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