NL192881C - Werkwijze voor het behandelen van titaanlegeringen. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het behandelen van titaanlegeringen 1 192881

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het behandelen van een alfa-beta-titaanlegering van hoge sterkte, welke aanzienlijke hoeveelheden beta-stabilisatoren en ten minste Mo bevat, en een 5 beta-transustemperatuur heeft, voor het verbeteren van vermoeidheidseigenschappen, omvattende de volgende stappen: a. het smeden van het materiaal boven de beta-transus in een mate voldoende om rekristallisatie voort te brengen, b. het koelen van het materiaal door de beta-transus heen, 10 c. het warmtebehandelen van het materiaal bij een temperatuur onder de beta-transus, d. het koelen van de legering, en e. het verouderen van het materiaal.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.309.226.

Titaanlegeringen van hoge sterkte worden op uitgebreide schaal gebruikt in lucht- en ruimtevaart-15 toepassingen. Eén zo’n toepassing is in schijven in gasturbinemotoren. Gasturbinemotorschijven ondersteunen en houden compressorbladen tegen, gelegen aan de omtrek van de schijven en worden rondgedraaid met snelheden van de orde van 10.000 toeren per minuut. Gedurende bedrijf worden aanzienlijke spanningen ondervonden en deze spanningen zijn gewoonlijk voor een deel cyclisch. Het is bekend dat dergelijke fluctuerende spanningen vermoeidheidsbreuk veroorzaken. Door een gebruikelijke vermoeidheidsbreuk-20 situatie begint een scheur gewoonlijk aan een oppervlak- of suboppervlakbarst of -defect, en vervolgens groeit de scheur, of plant deze zich voort als gevolg van de fluctuerende spanning. De groei van de scheur doet het gebied van het metaal dat beschikbaar is om spanning te weerstaan, verminderen, waardoor het effect van de spanning wordt verhoogd en nog grotere scheurgroeisnelheden worden veroorzaakt.

Volgens het genoemde Amerikaanse octrooischrift 4.309.226 worden daarbij alfa-titaanlegeringen, in het 25 bijzonder van het type Ti-6-2-4-2 (Ti, 6AI, 2Sn, 4Zr, 2Mo) onderworpen aan een thermomechanische behandeling, zoals boven omschreven, voor het verbeteren van de kruipvastheid.

Voor de eerdergenoemde toepassingen van hoogwaardige titaanlegeringen is het uiteraard gewenst dat er geen vermoeidheidsbreuken optreden. Dit is evenwel gewoonlijk niet mogelijk. Het is evenmin mogelijk om te vertrouwen op de afwezigheid van vermoeidheidsbreuken bij toepassingen waar dergelijke breuken 30 schade kunnen veroorzaken. Daarom is het gewenst dat een vermoeidheidsscheur, wanneer deze eenmaal is begonnen, zo langzaam mogelijk groeit. Een lage scheurgroeisnelheid maakt de detectie mogelijk van een dergelijke scheur gedurende routine-inspecties, alvorens breuk is opgetreden.

Volgens de uitvinding is nu gevonden, dat bij titaanlegeringen van bovengenoemde soort, die evenwel een molybdeengehalte hebben van 3% of hoger, een thermomechanische behandeling van de in de aanhef 35 genoemde soort mogelijk is, die resulteert in een sterk verhoogde weerstand tegen scheurgroei.

Daartoe voorziet de uitvinding in een werkwijze zoals omschreven in de aanhef, met het kenmerk, dat in het bijzonder voor het verbeteren van het scheurgroeigedrag van een alfa-beta-titaanlegering, die ten minste 3% Mo bevat: in stap b het koelen van de legering door de beta-transus heen wordt uitgevoerd met een snelheid van 11°C 40 tot 55°C per minuut, in stap c het warmtebehandelen van de legering plaatsvindt bij een temperatuur tussen 28°C en 83°C onder de beta-transus, en in stap d het koelen van de legering plaatsvindt met een snelheid gelijk aan of groter dan die welke wordt voortgebracht door luchtkoeling.

45 Bijzonder goede resultaten worden verkregen bij titaanlegeringen van het type TÏ6-2-4-6- (Ti, 6AI, 2Sn, 4Zr, 6Mo). Een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is daartoe hierdoor gekenmerkt, dat een titaanlegering wet de nominale samenstelling 6% Al, 2% Sn, 4% Zr, 6% Mo, rest Ti, behandeld worden door de volgende stappen uit te voeren: a. het smeden van het materiaal in een mate, equivalent aan ten minste een reductie van 10% in oppervlak 50 bij een temperatuur tussen 14°C en 36°C boven de gamma'-solvus, b. het koelen van het materiaal tot beneden 538°C met een snelheid tussen 11°Cen 55°C per minuut, c. het warmtebehandelen van het materiaal bij een temperatuur tussen 28°C en 83°C beneden de gamma'-solvus gedurende 0,5-5 uur, d. het koelen van het materiaal tot beneden 260°C met een snelheid, gelijk aan of groter dan die, welke 55 wordt voortgebracht door luchtkoeling, en e. het verouderen van het materiaal gedurende 2-10 uur bij een temperatuur tussen 482°C en 649°C.

Door deze behandeling wordt een structuur verkregen, die alfalamellen bevat in een beta-matrix, waarbij 192881 2 de lamellen omgeven zijn door een Mo-rijke zone, terwijl de structuur verder vrij is van korrelgrens-alfa. Een dergelijke structuur is vrijwel resistent tegen de voortplanting van vermoeidheidsscheuren. Deze resistentie hangt samen met het feit, dat de alfa-lamellen aan hun grensvlak van de beta-matrix gescheiden zijn door een grensvlaksamenstelling met een hoog molybdeengehalte, waarvan aangenomen wordt dat deze taai is, 5 ductiel en bestendig tegen scheurgroei. Voor het verkrijgen van deze Mo-rijke grenslaag is het verhoogde Mo-gehalte van de uitgangslegering essentieel. Met de titaanlegeringen, gebruikt bij het Amerikaanse octrooischrift 4.309.226 is het door een dergelijk type behandeling wel mogelijk de kruipvastheid te verbeteren, maar niet de weerstand tegen scheurgroei, omdat het Mo-gehalte van de legeringen te laag is.

Ten aanzien van de stand der techniek op het gebied van titaanlegeringen valt nog het volgende op te 10 merken.

De Amerikaanse octrooischriften 2.968.586 en 2.974.076 zijn oudere patenten in het titaanveld, welke de alfa-beta-klasse van titaanlegeringen en verschillende mogelijke thermomechanische series van dergelijke legeringen beschrijven. Het Amerikaanse octrooischrift 2.974.076 leert dat warmtebehandelingen, welke afschrikken van boven de beta-transustemperatuur inhouden, niet gewenst zijn in die zin, dat zij de 15 treksterkte en ductiliteit van de legeringen verminderen in relatie tot afschrikken van beneden de beta- transustemperatuur (kolom 3, laatste volledige alinea). Conclusies 8 en 9 van het Amerikaanse octrooischrift 2.974.076 beschrijven een thermische behandeling welke verhitten omvat tot boven de beta-transustemperatuur, langzaam afkoelen tot beneden de beta-transustemperatuur, het in evenwicht houden bij een temperatuur nabij, maar beneden de beta-transus-temperatuur en snel afschrikken. Er wordt geen 20 verwijzing gemaakt naar deformering boven de beta-transustemperatuur. Het Amerikaanse octrooischrift 2.968.586 bespreekt het afschrikken als een middel om een Widmanstattenstructuur voort te brengen en geeft een koelsnelheid van 1,7 tot 16,6°C per minuut (kolom 3, regels 23-25).

De Amerikaanse octrooischriften 3.901.743 en 4.053.330 hebben betrekking op de behandeling van titaanlegeringen. Het Amerikaanse octrooischrift 3.901.743 bespreekt in het bijzonder het Ti-6-2-4-6 25 materiaal en geeft een methode welke, uitgaande van gesmeed materiaal, warmtebehandeling omvat met verhoogde oplossing van de toeslagmetalen bij een temperatuur iets onder de beta-transus (de beta-transus zijnde 946°C en waarbij de voorgestelde warmtebehandeling 871°-927°C is, afschrikken tot kamertemperatuur, opnieuw verhitten op 760°-871°C en vervolgens verouderen bij 510°-593°C. Daarom anticipeert deze bekende stand der techniek de onderhavige uitvinding niet.

30 De uitvinding heeft tevens betrekking op een voorwerp van titaanlegering, dat bestendig is tegen scheurgroei, verkregen onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding, gekenmerkt door: a. een beta-matrix, bevattende b. 20 tot 90 vol.% alfa-lamellen met een gemiddelde i/d van tussen 4 en 20, c. waarbij de genoemde naalden zijn omgeven door een dunne laag met een hoog Mo gehalte, en 35 d. waarbij het genoemde materiaal in hoofdzaak vrij is van enige continue korrelgrens-alfa-fase.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de volgende beschrijving onder verwijzing naar de tekening. In de tekent toont: figuur 1 een microfoto van materiaal, behandeld volgens de onderhavige uitvinding, 40 figuur 2 de scheurgroeilevensduur voor Ti-6-4-2-6, behandeld onder een verscheidenheid van omstandigheden; figuur 3 een vergelijking van de kruiplevensduur voor het onderhavige materiaal met de kruiplevensduur voor een proces volgens bij aanvraagster intern gebruikelijke techniek, en figuur 4 een vergelijking van de scheurgroeisnelheid als functie van de temperatuur voor materiaal, 45 behandeld volgens de onderhavige uitvinding, en materiaal, behandeld volgens bij aanvraagster intern gebruikelijke techniek.

De onderhavige uitvinding is een thermomechanisch proces voor het verschaffen van verbeterde mechanische eigenschappen in bepaalde titaanlegeringen. Het proces is ontwikkeld en geoptimaliseerd voor een 50 legering met een nominale samenstelling van 6% Al, 2% Sn, 4% Zr, 6% Mo, en voor de rest Ti (Ti-6-2-4-6) en zal worden beschreven met betrekking tot deze legering. De spreidingen in de hoeveelheden der elementen bedragen in deze commerciële legering alle + 0,5% van de nominale waarde, uitgezonderd voor Sn, waar deze + 0,25% bedraagt. Er wordt aangenomen, dat bepaalde andere legeringen eveneens met voordeel kunnen behandeld met het proces. De belangrijkste alternatieve commerciële legering, waarvan 55 aangenomen wordt, dat deze zich leent voor toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding, is een legering, aangeduid als Ti-17, waarvan de nominale samenstelling is 5% Al, 2% Sn, 2% Zr, 4% Mo, 4% Cr, rest Ti. Wederom zijn de spreidingen in de hoeveelheden der elementen 0,5% uitgezonderd voor Sn en Zr, 3 192881 waar dit ± 0,25% bedraagt. Deze twee legeringen zijn alfa-beta-legeringen met een hoog beta-stabiiisatorgehalte (ten minste 10 gew.%), zodat de beta-fase relatief stabiel is. Deze legeringen zijn tevens legeringen met een hoge hardbaarheid, legeringen, waarvan dikke delen volledig kunnen worden gehard door af te schrikken van boven de beta-solvustemperatuur. Zoals in het onderstaande zal worden bespro-5 ken, is het relatief hoge molybdeengehalte (> 3%) van de legeringen eveneens belangrijk.

De eerste stap van de werkwijze is een smeedstap, uitgevoerd bij een temperatuur boven de beta-transustemperatuur, bij voorkeur van 140-360C boven de beta-transustemperatuur. ”lsotherm”-smeden is gebruikt onder gebruikmaking van verhitte vormen, maar redelijke smeedtemperatuurfluctuaties, in het bijzonder binnen het gebied van 14°-36°C liggen binnen het kader van de uitvinding. De hoeveelheid en 10 snelheid van deformering zijn zodanig gekozen, dat ze voldoende zijn om het materiaal te rekristalliseren en te zorgen voor vervormde of verruwde korrelgrenzen. Kenmerkend is een reductie equivalent aan ten minste 10% en bij voorkeur ten minste 25% reductie in oppervlak voldoende.

Na de isotherme deformatiestap wordt het materiaal gekoeld vanaf de isotherme smeedtemperatuur (beneden 538°C) bij een gecontroleerde snelheid. De snelheid wordt geregeld van 11°C tot 55°C per 15 minuut. Deze koelstap met gecontroleerde snelheid is kritisch om te zorgen voor de gewenste microstructuur, die in het onderstaande zal worden beschreven. Een langzamere koelsnelheid zal leiden tot de vorming van een grove aciculaire structuur, welke niet op bevredigende wijze scheurgroei zal verhinderen. Indien de snelheid te hoog is, wordt de gewenste aciculaire microstructuur niet verkregen.

Het materiaal wordt vervolgens warmtebehandeld bij een temperatuur nabij maar beneden de beta-20 transustemperatuur, bij voorkeur van 28°C tot 83°C beneden de beta-transustemperatuur gedurende een tijd van 0,5-5 uur. Het materiaal wordt vanaf deze warmtebehandelingstemperatuur gekoeld met een snelheid, die equivalent is aan die, welke wordt gegeven door luchtkoeling of sneller (bij voorkeur tot een temperatuur beneden 260°C).

De eindstap in het proces is een verouderingsstap, uitgevoerd bij een temperatuur van 482°C tot 649°C 25 gedurende een tijd van 4-8 uur.

De resulterende structuur is getoond in figuur 1 en bestaat uit aciculaire alfa-faselamellen, omgeven door de beta-fase. De lengte van de alfa-lamellen, met betrekking tot hun dikte wordt geregeld door de koelsnelheid vanaf de initiële isotherme smeedtemperatuur en dient te zijn van 4 tot 20. Indien de snelheid te hoog is, zullen de lamellen overmatig dun (l/d te hoog) zijn en niet de gewenste eigenschappen geven. Een 30 geringe koelsnelheid resulteert in een grove structuur, die niet bestendig is tegen scheurgroei. Wanneer de structuur van figuur 1 wordt geobserveerd nadat zich scheuren vormen, wordt waargenomen, dat de scheuren zich voortplanten over het grensvlak tussen de alfa-naalden en de beta-matrixfase. Om deze reden is het gewenst, dat de lamellen niet te lang zijn en dat de lamellen een door elkaar lopende (korfvlecht) morfologie bezitten. Indien de lamel-lengte relatief klein is en de lamellen willekeurig ten 35 opzichte van elkaar zijn georiënteerd, zal de weg van de zich voortplantende scheur kronkelig zijn en de voortplanting van de scheur worden vertraagd.

Een waargenomen kenmerk van materiaal, behandeld volgens de onderhavige uitvinding, is, dat er een dunne laag van een gemodificeerde samenstelling is aan het grensvlak tussen de alfa-lamellen en de beta-matrix. Deze grensvlaksamenstelling heeft een hoog molybdeengehalte, van 20-25 gew.%. Er wordt 40 aangenomen, dat dit materiaal taai is, ductiel en bestendig tegen scheurgroei, en dat de werkwijze volgens de uitvinding een belangrijk voordeel bereikt als gevolg van deze grensvlakfase. Dit grensvlakmateriaal met hoog molybdeengehalte wordt aangenomen zich te ontwikkelen gedurende de warmtebehandelingsstap. De dikte is rond 10"4 mm (1000 A). Legeringen die geen substantiële (> 3%) molybdeengehaltes bevatten, brengen het gewenste scheurgroeigedrag voort, dat wordt verkregen in het Ti-6-2-4-6, wanneer het wordt 45 onderworpen aan de behandeling van de uitvinding.

Sommige van de voordelen van de onderhavige uitvinding zullen worden toegelicht in de volgende voorbeelden.

Ti-6-2-4-6 (met een beta-transus van 946°C) werd isotherm gesmeed bij 982°C tot een reductie in oppervlak van 66%. Het materiaal werd dan gekoeld met een snelheid van 22°C per minuut tot een 50 temperatuur van 538°C (en vervolgens luchtgekoeld tot kamertemperatuur). Monsters van dit materiaal werden vervolgens warmtebehandeld met verschillende temperaturen tussen 866°C en 916°C, dat wil zeggen van 80,5°C tot 30,5°C onder de beta-transus. De meeste van de monsters werden vervolgens verouderd bij 593°C gedurende 8 uur, en gewaardeerd in een proef, welke een relatieve indicatie gaf van scheurgroeisnelheid.

55 De resultaten zijn uitgezet in figuur 2. Uit figuur 2 valt te zien, dat een temperatuur van ongeveer 885°C of 61 °C beneden de beta-transus blijkt te zorgen voor de optimale scheurgroeisnelheid. Het blijkt tevens, dat de monsters, die werden verouderd bij 593°C betere eigenschappen hadden dan die, die werden verouderd

Claims (3)

192881 4 bij 621 °C. In de kromme is tevens een punt getoond, dat het gedrag illustreert van materiaal, waaraan een standaard behandeling volgens een bij aanvraagster intem gebruikelijke techniek gegeven is, omvattende een afschrikken in olie van 982°C en vervolgens een warmtebehandeling bij 830°C. Figuur 3 geeft een Larson-Miller grafiek van de tijd tot 1 % kruip voor het materiaal van de uitvinding en 5 materiaal, behandeld volgens een bij aanvraagster intern gebruikelijk proces (subsolvus-oplossingsbehande-ling, snel koelen, verouderen bij 593°C); er valt te zien, dat voor overeenkomstige omstandigheden van temperatuur en spanning het materiaal volgens de uitvinding een kruiplevensduur had van ongeveer tweemaal die van het materiaal volgens een bij aanvraagster intern gebruikelijke techniek. Andere proeven werden uitgevoerd, waarbij de scheurgroeilevensduur als functie van de temperatuur werd geëvalueerd voor 10 het materiaal volgens de uitvinding en het materiaal volgens een bij aanvraagster intern gebruikelijke techniek, en de resultaten zijn getoond in figuur 4. Wederom kan worden gezien, dat het materiaal van de uitvinding superieur is ten opzichte van dat volgens een bij aanvraagster intern gebruikelijke techniek (hetzelfde bekende proces als bij het materiaal van figuur 3), hoewel de mate van superioriteit iets afneemt bij toenemende temperatuur. 15

1. Werkwijze voor het behandelen van een alfa-beta-titaanlegering van hoge sterkte, welke aanzienlijke 20 hoeveelheden beta-stabilisatoren en ten minste Mo bevat, en een beta-transustemperatuur heeft, voor het verbeteren van vermoeidheidseigenschappen, omvattende de volgende stappen: a. het smeden van het materiaal boven de beta-transus in een mate voldoende om rekristallisatie voort te brengen, b. het koelen van het materiaal door de beta-transus heen, 25 c. het warmtebehandelen van het materiaal bij een temperatuur onder de beta-transus, d. het koelen van de legering, en e. het verouderen van het materiaal, met het kenmerk, dat in het bijzonder voor het verbeteren van het scheurgroeigedrag van een alfa-beta-titaanlegering, die ten minste 3% Mo bevat: 30 in stap b het koelen van de legering door de beta-transus heen wordt uitgevoerd met een snelheid van 11 °C tot 55°C per minuut, in stap c het warmtebehandelen van de legering plaatsvindt bij een temperatuur tussen 28°C en 83°C onder de beta-transus, en in stap d het koelen van de legering plaatsvindt met een snelheid gelijk aan of groter dan die welke wordt 35 voortgebracht door luchtkoeling.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een titaanlegering met de nominale samenstelling 6% Al, 2% Sn, 4% Zr, 6% Mo, rest Ti, behandeld wordt door de volgende stappen uit te voeren: a. het smeden van het materiaal in een mate, equivalent aan ten minste een reductie van 10% in oppervlak bij een temperatuur tussen 14°C en 36°C boven de gamma'-solvus, 40 b. het koelen van het materiaal tot beneden 538°C met een snelheid tussen 11°C en 55°C per minuut, c. het warmtebehandelen van het materiaal bij een temperatuur tussen 28°C en 83°C beneden de gamma'-solvus gedurende 0,5-5 uur, d. het koelen van het materiaal tot beneden 260°C met een snelheid, gelijk aan of groter dan die, welke wordt voortgebracht door luchtkoeling, en 45 e. het verouderen van het materiaal gedurende 2-10 uur bij een temperatuur tussen 482°C en 649°C.

3. Voorwerp van titaanlegering, dat bestendig is tegen scheurgroei, verkregen onder toepassing van de werkwijze volgens één der conclusies 1-2, gekenmerkt door: a. een beta-matrix, bevattende b. 20 tot 90 vol.% alfa-lamellen met een gemiddelde 1/d van tussen 4 en 20, 50 c. waarbij de genoemde naalden zijn omgeven door een dunne laag met een hoog Mo gehalte, en d. waarbij het genoemde materiaal in hoofdzaak vrij is van enige continue korrelgrens-alfa-fase. Hierbij 3 bladen tekening