EP0924308B1 - Intermetallische Legierungen auf Titan-Basis vom Ti2AlNb-Typ mit hoher Streckgrenze und guter Kriechbeständigkeit - Google Patents

Intermetallische Legierungen auf Titan-Basis vom Ti2AlNb-Typ mit hoher Streckgrenze und guter Kriechbeständigkeit Download PDF

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EP0924308B1
EP0924308B1 EP98403187A EP98403187A EP0924308B1 EP 0924308 B1 EP0924308 B1 EP 0924308B1 EP 98403187 A EP98403187 A EP 98403187A EP 98403187 A EP98403187 A EP 98403187A EP 0924308 B1 EP0924308 B1 EP 0924308B1
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Ashok Kumar Gogia
Jean-Loup Strudel
Dipankar Banerjee
Alain Lasalmonie
Jean-Michel Franchet
Tapash Kumar Nandy
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Safran Aircraft Engines SAS
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SNECMA Moteurs SA
ETAT INDIEN
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/02—Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum

Definitions

  • the present invention relates to a family of titanium-based intermetallic alloys which combine a set of specific mechanical properties including a high yield strength, high creep resistance and sufficient ductility at room temperature.
  • Intermetallic alloys of the Ti 3 Al type have shown interesting specific mechanical characteristics. Ternary alloys with Nb additions have been tested in particular and their mechanical properties joined to a lower density than that of nickel-based alloys since between 4 and 5.5 depending on the Nb content, arouse great interest for aeronautical applications . These alloys also have a higher titanium fire resistance than the Ti-based alloys previously used in the construction of turbomachines.
  • the targeted applications relate to massive structural parts such as casings, massive rotating parts such as centrifugal impellers or as a matrix of composite materials for one-piece bladed rings.
  • the desired operating temperature ranges go up to 650 ° C or 700 ° C in the case of parts made of long fiber composite material.
  • US 4,292,077 and US 4,716,020 describe the results obtained by titanium-based intermetallic alloys containing 24 to 27 Al and 11 to 16 Nb in percentages atomic.
  • the present invention relates to a family of titanium-based intermetallic alloys avoiding disadvantages of the aforementioned known solutions which are characterized by a chemical composition, in percentages atomic, belonging to the following domain: A116-26; Num 18-28; Mo 0 to 2; If O to 0.8; Ta O at 2; Zr O at 2 and Ti complement at 100 with the condition Mo + Si + Zr + Ta> 0.4%.
  • thermomechanical treatments and a method of are further defined for these alloys intermetallic according to the invention, allowing improve their mechanical properties, in particular increase ductility at room temperature and limit plastic deformation during primary creep.
  • Tantalum is a ⁇ -gene element very similar to niobium to which it is often mixed in ores. In the titanium alloys it increases their mechanical strength and gives them better resistance to corrosion and oxidation.
  • Zirconium is a neutral element and the methods of alloys and the origin of the elements brought, by recycling or not, can bring the presence of Zr, which may in some cases be desired.
  • the atomic percentage used for the alloys of the invention for Zr, as for Ta, is is between 0 and 2%.
  • a process for developing the material has also been developed. point in accordance with the invention and makes it possible to obtain the mechanical properties sought and previously described.
  • the first step consists in homogenizing the composition of the material, using for example the VAR process (Vacuum Arc Remelting), this step is important because it determines the homogeneity of the material.
  • the material is then deformed at high speed to reduce the grain size either by forging with a pestle in the ⁇ domain, or by high speed extrusion still in the ⁇ domain. These bars are then cut into pieces to undergo the last stage of the thermomechanical treatment: isothermal forging. This isothermal forging takes place in a temperature range from T ⁇ -125 ° C to T ⁇ -25 ° C and with deformation rates from 5.10 -4 s -1 to 5.10 -2 s. -1 .
  • T ⁇ is the transition temperature between the high-temperature single-phase ⁇ domain and the two-phase domain ⁇ 2 + B 2
  • ⁇ 2 is a phase of defined composition Ti3Al transforming into phase 0 below about 900 ° C.
  • T ⁇ is around 1065 ° C for example, for a Ti 22 Al 25 Nb alloy.
  • the bars obtained by forging or extrusion can, as a variant, be subjected to a rolling operation where the deformation rates are of the order of 10 ⁇ 1 s ⁇ 1 .
  • the preparation of the material ends with a heat treatment which consists of three stages.
  • the first step is a step of re-solution at a temperature between T ⁇ -35 ° C and T ⁇ + 15 ° C for less than 2 hours.
  • the second stage allows the growth of the hardening phase O and this aging is carried out between 750 ° C and 950 ° C for at least 16 hours.
  • the third treatment is carried out within a range of temperature of 100 ° C around the operating temperature of the material.
  • the heat treatment in the vicinity of the temperature of the transition T ⁇ causes the recrystallization of the grains B2 and makes it possible to significantly increase the creep resistance at 650 ° C.
  • this treatment reduces the elastic limit, but increases the ductility around 350 ° C.
  • a heat treatment at a temperature further (-25 ° C) from that of the T ⁇ transition increases the elastic limit and increases the creep resistance at 550 ° C.
  • this treatment achieves a ductility plateau around 10% from 200 ° C to 600 ° C.
  • Intermetallic alloy samples including the composition belongs to the field of the invention have been tested and showed improvements in results compared to the prior known alloy of standard composition Ti 22Al 25Nb.
  • thermomechanical treatment is characterized by low temperature forging T ⁇ -100 ° C and heat treatment at T ⁇ -25 ° C before a 24 hour plateau at 900 ° C and aging at 550 ° C for at least 2 days.
  • the compression creep tests in these two examples also show the interest of the elements Ta and Zr for increase the creep resistance by decreasing the amplitude of the primary creep and reduction of the speed of secondary creep.
  • the results are shown in the figure 10 for compression creep tests at 650 ° C under 310MPa, on curve 5 for the Ti-24 Al-20Nb alloy, on the curve 6 for the Ti-24Al-20Nb-1Ta alloy and curve 7 for Ti-24Al-20Nb-1Zr alloy.
  • FIG. 4 shows a comparison of the specific mechanical properties in traction at room temperature of these alloys with those of alloys commonly used in aeronautics, of the type based on nickel or titanium or under development such as ⁇ Ti Al intermetallics and these results confirm the advantage of the alloys according to the invention.
  • the compared results of creep resistance of known nickel-based alloys such as Inco 718 and a nickel-based superalloy A in accordance with EP-A-0 237 378, based on titanium, such as IMI 834 or intermetallic ⁇ Ti Al and an alloy according to the invention are reported in Figures 5 and 6 according to Larson-Miller diagrams.

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Claims (10)

  1. Intermetallische Legierung auf Titan-Basis mit hoher Streckgrenze, hoher Kriechbeständigkeit und ausreichender Duktilität bei Umgebungstemperatur,
       dadurch gekennzeichnet,    dass ihre chemische Zusammensetzung in Atomanteilen in folgendem Bereich liegt:
    Al 16 bis 26 ; Nb 18 bis 28 ; Mo 0 bis 2 ; Si 0 bis 0,8 ; Ta 0 bis 2 ; Zr 0 bis 2 und Ti Hunderter-Komplement unter der Bedingung Mo + Si + Zr + Ta > 0,4 %.
  2. Intermetallische Legierung nach Anspruch 1,
       dadurch gekennzeichnet,    dass sie hergestellt wird, indem mindestens die folgenden Arbeitsschritte in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
    a) Schmelzvorgang, mit dem ein Block von homogener Zusammensetzung erzielt werden kann,
    b) Hochgeschwindigkeitsverformung, die zu einer Verringerung der Korngröße führt,
    c) Isothermschmieden bei einer Temperatur, die zwischen der β-transus-Temperatur Tβ minus 125 °C und der β-transus-Temperatur Tβ minus 25 °C liegt, und mit Verformungsgeschwindigkeiten von 5 · 10-4 s-1 bis 5 · 10-2 s-1,
    d) Wärmebehandlung, die die folgenden Unterschritte umfasst:
    d1) Während einer Zeitdauer von weniger als zwei Stunden bei einer Temperatur, die zwischen der β-transus-Temperatur minus 35 °C und der β-transus-Temperatur plus 15 °C liegt, in Lösung versetzen,
    d2) Alterung während einer Zeitdauer von mehr als 16 Stunden bei einer Temperatur von 750 °C bis 950 °C, wodurch ein Anwachsen der orthorhombischen härtenden Phase 0 ermöglicht wird,
    d3) Behandlung in einem Temperaturbereich von 100 °C um die für den Werkstoff bestimmte Betriebstemperatur,
    wobei die Abkühlgeschwindigkeiten zwischen den Stufen der Wärmebehandlung abhängig von den für den Werkstoff gewünschten Anwendungseigenschaften unter Berücksichtigung ihres Einflusses auf die Größen der orthorhombischen härtenden Phase 0 bestimmt werden.
  3. Intermetallische Legierung nach Anspruch 1,
       dadurch gekennzeichnet,    dass sie hergestellt wird, indem mindestens die folgenden Arbeitsschritte in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
    a) Schmelzvorgang, mit dem ein Block von homogener Zusammensetzung erzielt werden kann,
    b) Hochgeschwindigkeitsverformung, die zu einer Verringerung der Korngröße führt,
    c) Walzen mit einer Verformungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 10-1 s-1,
    d) Wärmebehandlung, die die folgenden Unterschritte umfasst:
    d1) Während einer Zeitdauer von weniger als zwei Stunden bei einer Temperatur, die zwischen der β-transus-Temperatur minus 35 °C und der β-transus-Temperatur plus 15 °C liegt, in Lösung versetzen,
    d2) Alterung während einer Zeitdauer von mehr als 16 Stunden bei einer Temperatur von 750 °C bis 950 °C, wodurch ein Anwachsen der orthorhombischen härtenden Phase 0 ermöglicht wird,
    d3) Behandlung in einem Temperaturbereich von 100 °C um die für den Werkstoff bestimmte Betriebstemperatur,
    wobei die Abkühlgeschwindigkeiten zwischen den Stufen der Wärmebehandlung abhängig von den für den Werkstoff gewünschten Anwendungseigenschaften unter Berücksichtigung ihres Einflusses auf die Größen der orthorhombischen härtenden Phase 0 bestimmt werden.
  4. Intermetallische Legierung nach Anspruch 1,
       dadurch gekennzeichnet,    dass sie hergestellt wird, indem mindestens die folgenden Arbeitsschritte in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
    a) Schmelzvorgang, mit dem ein Block von homogener Zusammensetzung erzielt werden kann,
    b) Hochgeschwindigkeitsverformung, die zu einer Verringerung der Korngröße führt,
    c) Präzisionsschmieden bei einer Temperatur, die zwischen der β-transus-Temperatur Tβ minus 180 °C und der β-transus-Temperatur Tβ minus 30 °C liegt, wobei eine Struktur gleichgerichteter Körner erzielt wird,
    d) Wärmebehandlung, die die folgenden Unterschritte umfasst:
    d1) Während einer Zeitdauer von weniger als zwei Stunden bei einer Temperatur im Bereich der Schmiedetemperatur in Lösung versetzen,
    d2) Alterung während einer Zeitdauer von mehr als 16 Stunden bei einer Temperatur von 750 °C bis 950 °C, wodurch ein Anwachsen der orthorhombischen härtenden Phase 0 ermöglicht wird,
    d3) Behandlung in einem Temperaturbereich von 100 °C um die für den Werkstoff bestimmte Betriebstemperatur,
    wobei die Abkühlgeschwindigkeiten zwischen den Stufen der Wärmebehandlung abhängig von den für den Werkstoff gewünschten Anwendungseigenschaften unter Berücksichtigung ihres Einflusses auf die Größen der orthorhombischen härtenden Phase 0 bestimmt werden.
  5. Intermetallische Legierung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
       dadurch gekennzeichnet,    dass in dem Arbeitsschritt a) der Schmelzvorgang durch zweifaches Vakuum-Lichtbogenschmelzen ausgeführt wird.
  6. Intermetallische Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
       dadurch gekennzeichnet,    dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen wird, die ihr eine optimierte Kriechbeständigkeit verleiht und die folgenden Arbeitsschritte umfasst:
    a) Eine Stunde lang bei einer Temperatur von Tβ minus 25 °C in Lösung versetzen,
    b) Alterung 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 875 °C bis 925 °C, gefolgt von einer raschen Abkühlung,
    c) Vergütungsbehandlung bei der für den Werkstoff bestimmten Betriebstemperatur.
  7. Intermetallische Legierung nach Anspruch 6,
       dadurch gekennzeichnet,    dass die Vergütungsbehandlung 48 Stunden lang bei einer Anwendungstemperatur von 550 °C erfolgt.
  8. Intermetallische Legierung nach Anspruch 6,
       dadurch gekennzeichnet,    dass die Vergütungsbehandlung 24 Stunden lang bei einer Anwendungstemperatur von 650 °C erfolgt.
  9. Intermetallische Legierung nach Anspruch 1,
       dadurch gekennzeichnet,    dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen wird, die ihr eine Verformbarkeit von mindestens 10 % bei Umgebungstemperatur verleiht und die folgenden Arbeitsschritte umfasst:
    a) Mindestens zwei Stunden lang bei einer Temperatur, die zwischen Tβ minus 35 °C und Tβ minus 15 °C liegt, in Lösung versetzen,
    b) Alterung während einer Zeitdauer von mehr als 16 Stunden bei einer Temperatur von 900 °C ± 50 °C.
  10. Intermetallische Legierung nach Anspruch 8,
       dadurch gekennzeichnet,    dass eine Vergütung in einem Temperaturbereich von 100 °C um die für den Werkstoff bestimmte Betriebstemperatur erfolgt und ihm nach seiner Ausführung eine zusätzliche Aushärtung gewährleistet.
EP98403187A 1997-12-18 1998-12-17 Intermetallische Legierungen auf Titan-Basis vom Ti2AlNb-Typ mit hoher Streckgrenze und guter Kriechbeständigkeit Expired - Lifetime EP0924308B1 (de)

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