NL8403162A - Werkwijze voor het behandelen van titaanlegeringen. - Google Patents

Description

Λ.

Werkwijze voor het behandelen van titaanlegeringen.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het behandelen van alfa-heta-titaanlegeringen van hoge sterkte, in het bijzonder alfa-beta-legeringen, die aanzienlijke hoeveelheden beta-stabilisatoren en 5 ten minste 3 % molybdeen bevatten.

Titaanlegeringen van hoge sterkte worden op uitgebreide schaal gebruikt in lucht- en ruimtevaart-toepassingen. Eén zo'n toepassing is in schijven in gas-turbinemotoren. Gasturbinemotorschijven ondersteunen en 10 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 15 bekend, dat dergelijke fluctuerende spanningen vermoeid-heidsbreuk veroorzaken Door gebruikelijke vermoeidheids-breuksituatie begint een scheur gewoonlijk aan een oppervlak- of sub-oppervlakbarst of defekt, en vervolgens groeit de scheur of plant deze zich voort als gevolg van 20 de fluctuerende spanning. De groei van de scheur doet het gebied van het metaal, dat beschikbaar is om spanning te weerstaan, verminderen, waardoor het effekt van de spanning wordt verhoogd en nog grotere scheurgroeisnelheden worden veroorzaakt.

25 Het is uiteraard gewenst, dat er geen vermoeiïngs- breuken optreden. Dit is evenwel gewoonlijk niet mogelijk. Het is eveneens niet mogelijk om te vertrouwen op de afwezigheid van vermoeiïngsbreuken bij toepassingen, waar dergelijke breuken schade kunnen veroorzaken. Dien-30 overeenkomstig is het gewenst, dat de vermoeiïngsscheur, 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.

35 Er zijn veel processen voor het verbeteren van de verschillende mechanische eigenschappen van titaanlegeringen. De meeste van deze processen zijn geconcentreerd 8403162

V

- 2 - op de statische eigenschappen van titaan zoals rekspanning en treksterkte en kruipeigenschap. De onderhavige uitvinding houdt zich in het bijzonder bezig met het probleem van de scheurgroeisnelheid in een op brede schaal gebruikte 5 titaanlegering, Ti-6-2-4-6.

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 10 beschrijven. Het Amerikaanse octrooischrift 2.974.076 leert, dat warmtebehandelingen, welke afschrikken van boven de beta-transustemperatuur inhouden, die gewenst zijn in die zin, dat zij de treksterkte en ductiliteit van de legeringen verminderen in relatie tot afschrikken van 15 beneden de beta-transustemperatuur (kolom 3, laatste volledige alinea!. Conclusies 8 en 9 van het Amerikaanse octrooischrift 2.974.076 beschrijven thermische behandeling, welke verhitten omvat tot boven de beta-transustemperatuur, langzaam afkoelen tot beneden de beta-transustemperatuur, 20 het in evenwicht houden bij een temperatuur nabij maar beneden de beta-transustemperatuur en snel afschrikken.

Er wordt geen verwijzing gemaakt naar deformering boven de beta-transustemperatuur. Het Amerikaanse octrooischrift 2.968.586 bespreekt het afschrikken als een middel om 25 een Widmanstatten struktuur voort te brengen en geeft een koelsnelheid van ongeveer 1,7 tot 16,6°C per minuut (ongeveer 3°F per minuut tot ongeveer 3Q°F per minuut) (kolom 3, regels 23-25).

De Amerikaanse octrooischriften 3.901.743 en 30 4,053,330. hebben betrekking op de behandeling van titaan legeringen. Het Amerikaanse octrooischrift 3.901.743 bespreekt in het bijzonder het Ti-6-2-4-6 materiaal en geeft een methode, welke, uitgaande van gesmeed materiaal, omvat warmtebehandeling met verhoogde oplossing van de 35 toeslagmetalen bij een temperatuur iets onder de beta- transus (de beta-transus zijndé 946°C (1735ÖF)) en waarbij de voorgestelde warmtebehandeling 871°-927°C is (16Q0-170Q°F), af schrikken tot kamertemperatuur, opnieuw verhitten op 760-871 °C. (14QQ-1600°F) en vervolgens verouderen bij 40 510—593°C (950-1100°F). Daarom anticipeert deze bekende 8403162 stand der techniek de onderhavige uitvinding, die in het verdere zal worden beschreven, niet.

Het proces, beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.053.330 omvat de stappen van het smeden 5 bij een temperatuur boven de beta-transustemperatuur, het snel afschrikken voor het voortbrengen van een Marten-sitische struktuur, en het temperen bij een tussengelegen temperatuur. Het afschrikken wordt daarbij uitgevoerd onder gebruikmaking van een vloeibaar medium, dat inherent 10 de afschriksnelheid van de orde van 550°C per minuut (100 0°F per minuut) voortbrengt.

Het Amerikaanse octrooischrift 4.309.226 beschrijft een thermomechanisch proces voor de behandeling van nabij alfa-titaanlegeringen en in het bijzonder een legering 15 bekend als Ti-6-2-4-2 (6 Al, 4 Zr, 2 Mo, balans Ti).

Dit proces is in veel opzichten overeenkomstig aan het onderhavige proces, maar aangezien het wordt toegepast op een in wezen verschillende legering, een nabij alfa-legering in plaats van de onderhavige legering, die kan 20 worden beschreven als een alfa-beta-legering, zijn de verkregen resultaten niet die, welke worden verkregen door toepassing van deze werkwijze op de klasse van legeringen, beschreven in de onderhavige aanvrage. In het bijzonder zal er als gevolg van het lage Mo-gehalte geen 25 vorming zijn van de Mo-rijke grensvlakfase, die wordt waargenomen in materiaal, behandeld volgens de onderhavige uitvinding.

Volgens de uitvinding wordt een klasse van titaan-legeringen, gekenmerkt als Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, thermo-30 mechanisch behandeld voor het verschaffen van verhoogde weerstand tegen scheurgroei. Het materiaal wordt gesmeed boven de beta-transus, gekoeld door de beta-transus bij ll-55°C/min. (20-100°F/min.I, warmtebehandeld nabij maar onder de beta-transus en verouderd.

35 De resulterende struktuur bevat alfa-lamellen in een beta-matrix, waarbij de lamellen zijn omgeven door een Mo-rijke zone, en de struktuur is verder vrij van korrelgrens-alfa.

De struktuur is resistent tegen de voortplanting 40 van verraoeiïngsscheuren.

8403162 r * - 4 -

Andere kenmerken en voordelen zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving en conclusies en de tekening, waarin een uitvoeringsvorm van de uitvinding is toegelicht. In de tekening toont: 5 fig. 1 een micrografische foto van materiaal, behandeld volgens de onderhavige uitvinding, fig. 2 de scheurgroeilevensduur voor Ti-6-4-2-6 materiaal, behandeld onder een verscheidenheid van omstandigheden ; 10 fig. 3 een vergelijking van de kruiplevensduur voor het onderhavige materiaal met de kruiplevensduur voor een proces der bekende techniek, en fig. 4 een vergelijking van de scheurgroei-snelheid als funktie van de temperatuur voor materiaal, 15 behandeld volgens de onderhavige uitvinding, en materiaal, behandeld volgens de bekende techniek.

De onderhavige uitvinding is een thermomechanisch proces voor het verschaffen van verbeterde mechanische eigenschappen in bepaalde titaanlegeringen. Het proces 20 is ontwikkeld en geoptimaliseerd voor een legering met een nominale samenstelling van 6% Al, 2% Sn, 4% Zr, 6% Mo, en balans in wezen Ti (Ti-6-2-4-61 en zal worden beschreven met betrekking tot deze legering. De spreidingen in de hoeveelheden der elementen bedragen in deze commer-25 ciële 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 worden behandeld met het proces.

De belangrijkste alternatieve commerciële legering, waarvan 30 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, balans in wezen Ti. wederom zijn de spreidingen in de hoeveelheden der 35 elementen 0,5 % uitgezonderd voor Sn en Zr, waar dit + 0,25 % bedraagt. Deze twee legeringen zijn alfa-beta-legeringen met een hoog beta-stabilisatorgehalte (ten minste 10 gew. %I, zodat de beta-fase relatief stabiel is. Deze legeringen zijn tevens legeringen met een hoge 40 hardhaarheid, legeringen, waarvan dikke delen volledig 840 3 1 62 • % - 5 - kunnen worden gehard door af te schrikken van boven de beta-solvustemperatuur. Zoals in het onderstaande zal worden besproken, is het relatief hoge molybdeengehalte (> 3 %) van de legeringen eveneens belangrijk.

5 De eerste stap van de werkwijze is een smeedstap, uitgevoerd bij een temperatuur boven de beta-transus-temperatuur, bij voorkeur van ongeveer 14°-36°C (ongeveer 25-65°F) boven de beta-transustemperatuur. "Isotherm"-sraeden is gebruikt onder gebruikmaking van verhitte vormen, 10 maar redelijke smeedtemperatuurfluctuaties, in het bijzonder binnen het gebied van 14°-36°C (25-65°Fj liggen binnen het kader van de uitvinding. De hoeveelheid en snelheid van deformering zijn zodanig gekozen, dat ze voldoende zijn om het materiaal te rekristalliseren en te zorgen voor ver-15 vormde of verruwde korrelgrenzen. Kenmerkend is een reduktie equivalent aan ten minste 10 % en bij voorkeur ten minste 25 % reduktie in oppervlak voldoende.

Na de isotherme deformatiestap wordt het materiaal gekoeld vanaf de isotherme smeedtemperatuur (bijv. beneden 20 ongeveer 538°C (ongeveer 1000oFlI bij een gecontroleerde snelheid. De snelheid wordt geregeld van ongeveer 11°C (20°FI tot ongeveer 55°C (1Q0°FI per minuut. Deze koelstap met gecontroleerde snelheid is kritisch om te zorgen voor de gewenste microstruktuur, die in het onderstaande zal 25 worden beschreven. Een langzamere koelsnelheid zal leiden tot de vorming van een grove aciculaire struktuur, welke niet op bevredigende wijze scheurgroei zal verhinderen.

Indien de snelheid te hoog is, wordt de gewenste aciculaire microstruktuur niet verkregen.

30 Het materiaal wordt vervolgens warmtebehandeld bij een temperatuur nabij maar beneden de beta-transustemperatuur, bij voorkeur van ongeveer 28°C (50°Fi tot ongeveer 83°C (150°FI beneden de beta-transustemperatuur gedurende een tijd van ongeveer 0,5-5 uur. Het materiaal 35 wordt vanaf deze warmtebehandelingstemperatuur gekoeld met een snelheid, die equivalent is aan die, welke wordt gegeven door luchtkoeiing of sneller (bij voorkeur tot een temperatuur beneden ongeveer 260°C (500°F}}.

De eindstap in het proces is een verouderingsstap, 40 uitgeyoerd bij een temperatuur van ongeveer 482°C (900°F) 8403162 * · - 6 - tot ongeveer 649°C (120ö°Fl gedurende een tijd van 4-8 uur.

De resulterende struktuur is getoond in fig. 1 en bestaat uit aciculaire alfa-faselamellen, omgeven door 5 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 ongeveer 4 tot ongeveer 20. Indien de snelheid te hoog is, zullen de lamellen overmatig dun (1/d te 10 hoogl zijn en niet de gewenste eigenschappen geven. Een geringe koelsnelheid resulteert in een grove struktuur, die niet bestendig is tegen scheurgroei. Wanneer de struktuur van fig. 1 wordt geobserveerd nadat zich scheuren vormen, wordt waargenomen, dat de scheuren zich 15 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 (korfvlechti morfologie bezitten.

Indien de lamellengte relatief klein is en de lamellen 20 willekeurig ten 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 25 laag van een gemodificeerde samenstelling is aan het grensvlak tussen de alfa-lamellen en de beta-matrix.

Deze grensvlaksamenstelling heeft een hoog molybdeenge-halte, van de orde van 20-25 gew. %. Er wordt aangenomen, dat dit materiaal taai is, ductiel en bestendig tegen 30 scheurgroei, en dat de werkwijze volgens de uitvinding een belangrijk voordeel bereikt als gevolg van deze grens-vlakfase. Dit grensvlakmateriaal met hoog molybdeengehalte wordt aangenomen zich te ontwikkelen gedurende de warmte-hehandelingsstap. De dikte is van de orde van 10-^ mm 35 (1000 Si. Vanwege het hoge molybdeengehalte wordt vermoed, dat legeringen, die geen substantielé (> 3 %I molybdeen-gehaltes bevatten, niet het gewenste scheurgroeigedrag vóórtbrengen, dat wordt verkregen in het Ti-6-2-4-6 materiaal, wanneer het wordt onderworpen aan de behandeling 40 van de uitvinding.

840 31 62 « Μ.

- 7 -

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

Ti-6-2-4-6 materiaal (met een beta-transus van 5 ongeveer 946°C (1735°F)I werd isotherm gesmeed bij 982°C (1800°F) tot een reduktie in oppervlak van ongeveer 66 %.

Het materiaal werd dan gekoeld met een snelheid van ongeveer 22°C (40°F) per minuut tot een temperatuur van 538°C (1000°FJ (en vervolgens luchtgekoeld tot kamer-10 temperatuur). Monsters van dit materiaal werden vervolgens warmtebehandeld met verschillende temperaturen tussen 866°C (1590°F) en 916°C (1680°F], dat wil zeggen van ongeveer 80,5°C (145°F) tot ongeveer 3Q,5°C (55°F) onder de beta-transus. De meeste van de monsters werden ver-15 volgens verouderd bij 593°C (1100°FI gedurende 8 uur, en gewaardeerd in een proef, welke een relatieve indicatie gaf van scheurgroeisnelheid.

De resultaten zijn uitgezet in fig. 2. Uit fig.

2 valt te zien, dat een temperatuur van ongeveer 885°C 20 (1625°F) of 61°C (110°F) beneden de beta-transus blijkt te zorgen voor de optimale scheurgroeisnelheid. Het blijkt tevens, dat de monsters, die werden verouderd bij 593°C (1100oF) superieure eigenschappen hadden ten opzichte van die, die werden verouderd bij 621°C (1150°F). In de 25 kromme is tevens een singulier punt getoond, dat het gedrag illustreert van materiaal, waaraan een standaard behandeling volgens bekende techniek gegeven is, omvattende een afschrikken in olie van 982°C (1800°FI en vervolgens een warmtebehandeling bij 830°C (1525°FI.

30 Het is duidelijk, dat het materiaal volgens de onderhavige uitvinding essentieel superieur was ten opzichte van het materiaal volgens de bekende techniek.

Fig. 3 geeft een Larson-Miller grafiek van de tijd tot 1 % kruip voor het materiaal van de uitvinding 35 en materiaal, behandeld volgens een bekend proces (sub-solvus-oplossingsbehandeling, snel koelen, verouderen bij 593°C (11000°FiI; er valt te zien, dat voor overeenkomstige omstandigheden van temperatuur en spanning het materiaal volgens de uitvinding een kruiplevensduur 40 had van ongeveer tweemaal die van het materiaal volgens 8403162 - 8 - de bekende techniek. Andere proeven werden uitgevoerd, waarbij de scheurgroeilevensduur als funktie van de temperatuur werd geëvalueerd voor het materiaal volgens de uitvinding en het bekende materiaal, en de resultaten 5 zijn getoond in fig. 4. Wederom kan worden gezien, dat het materiaal van de uitvinding superieur is ten opzichte van dat volgens de bekende techniek (hetzelfde bekende techniek proces als bij het materiaal van fig. 3), hoewel de mate van superioriteit iets afneemt bij toenemende 10 temperatuur.

Het zal duidelijk zijn, dat de uitvinding niet beperkt is tot de speciale uitvoeringen, die hier zijn getoond en beschreven, maar dat verschillende veranderingen en modificaties kunnen worden aangebracht zonder daardoor 15 te treden bij het kader van dit nieuwe concept, zoals gedefinieerd door de volgende conclusies.

- conclusies — 8403162

Claims (11)

1. Werkwijze voor het behandelen van alfa-beta- titaanmateriaal, in het bijzonder voor het verbeteren van het scheurgroeigedrag van alfa-beta-titaanmateriaal, dat aanzienlijke hoeveelheden beta—stabilisatoren en ten minste 5 3 % Mo bevat, en een beta-transustemperatuur heeft, gekenmerkt door de volgende stappen: al het smeden van het materiaal boven de beta-transus in een mate, voldoende om rekristallisatie voort te brengen, 10 bj het koelen van het materiaal door de beta- transus heen met een snelheid ^an ongeveer 11°C (20°Fl tot ongeveer 55°C (100°F1 per minuut, c) het warmtebehandelen van het materiaal bij een temperatuur tussen ongeveer 28°C (50°Fl en ongeveer 15 83°C (150°FI onder de beta-transus, dl het koelen van de legering met een snelheid gelijk aan of in overmaat aan die, welke wordt voortgebracht door luchtkoeling, en el het verouderen van het materiaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de smeedstap wordt uitgevoerd bij een temperatuur van tussen ongeveer 14°C (25°FÏ en 36°C (65°Fl boven de beta-transus.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, m e t 25 het kenmerk, dat het materiaal wordt gesmeed in een mate, equivalent aan ten minste een reduktie van 10 % in oppervlak.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, m e t het kenmerk, dat het materiaal wordt gesmeed 30 in een mate equivalent aan ten minste een reduktie van 25 % in oppervlak.

5. Werkwijze volgens één der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat in stap bi het materiaal wordt gekoeld tot beneden ongeveer 538°C (1000°Fl. 840 31 62 - 10 -

6. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 5, met het kenmerk, dat de warmtebehandeling in stap c) wordt uitgevoerd gedurende ongeveer 0,5 tot 5 uur.

7. Werkwijze volgens ëën der conclusies 1 tot 6, 5 met het kenmerk, dat in stap d} het materiaal wordt gekoeld tot beneden ongeveer 260°C (500°F).

8. Werkwijze volgens ëën der conclusies 1 tot 7, met het kenmerk, dat in stap ei het verouderen wordt uitgevoerd tussen ongeveer 482°C (900°F) en 593°C 10 (1100°F) gedurende ongeveer 2 tot ongeveer 10 uur.

9. Werkwijze volgens ëën der conclusies 1 tot 8, met het kenmerk, dat de legering Ti-6-2-4-6 is.

10. Werkwijze voor het thermomechanisch behandelen van titaanlegeringsvoorwerpen (nominale samenstelling 6 %

15 Al, 2 % Sn, 4 % Zr, 6 % Mo, balans in wezen Ti), g e k e n-merkt door de volgende stappen: al het smeden van het materiaal in een mate, equivalent aan ten minste een reduktie van 10 % in oppervlak bij een temperatuur tussen ongeveer 14°C(25°Fi en 20 ongeveer 36°C (65°Fi boven de gamma1-solvus, bï het koelen van het materiaal tot beneden ongeveer 538°C (1000°F1 met een snelheid tussen ongeveer 11°C (20°Fi en ongeveer 55°C (l00°Fi per minuut, ci het warmtebehandelen van het materiaal bij 25 een temperatuur tussen ongeveer 28°C (50°Fl en 83°C (150°F). beneden de gamma'-solvus gedurende ongeveer 0,5-5 uur, dl het koelen van het materiaal tot beneden ongeveer 260°C (500°FI met een snelheid, gelijk aan of in 30 overmaat van die, welke wordt voortgebracht door lucht-koeling, en ei het verouderen van het materiaal gedurende ongeveer 2-10 uur bij een temperatuur tussen ongeveer 482°C (900°FI en ongeveer 649°C (1200°FI. 840 3 1 62 «5 - 11 -

11. Voorwerp van titaanlegering, dat bestendig is tegen scheurgroei, gekenmerkt door: a) een beta-matrix, bevattende b) van ongeveer 20 tot ongeveer 90 vol. % alfa-5 lamellen met een gemiddelde 1/d van tussen ongeveer 4 en ongeveer 20, c} waarbij de genoemde naalden zijn omgeven door een dunne laag met een hoog Mo 'gehalte, en d) waarbij het genoemde materiaal in hoofdzaak 10 vrij is van enige continue korrelgrens-alfa-fase. 840 31 62