SE460975B - Metod foer foerbaettring av spricktillvaextbeteende hos alfa-beta-titanlegeringar samt titanlegeringsfoeremaal - Google Patents

Description

460 975 2 vandlingstemperaturen inte är önskvärda därför att de minskar legeringarnas draghållfasthet och tänjbarhet i förhållande till kylning från en temperatur under beta-omvandlingstemperaturen (spalt 3, sista hela stycket). Krav 8 och 9 i USfpatentet 2 97N 076 avser termisk bearbetning innefattande upphettning till en temperatur över beta-omvandlingstemperaturen, långsam kylning till en temperatur under beta-omvandlingstemperaturen, åstadkommande av jämvikt vid en temperatur i närheten av men under beta-omvandlingstemperaturen och snabb kylning. Det finns ingen uppgift om deformation ovanför beta-omvandlingstemperatu- ren. US-patentet 2 968 586 diskuterar kylning som ett sätt att åstadkomma en Widmanstattenstruktur och anger en kylnings- hastighet från ea 1,7 till 16,6°c per minut (ce 3°F till ca 30°F per minut) (spalt 3, raderna 23-25).

US-patenten nr 3 901 733 och U 053 330 avser bearbetning av titanlegeringar. Patentet 3 901 7ü3 diskuterar speciellt ma- terialet Ti-6-2-N-6 och anger en metod som, utgående från smitt material, innefattar upplösningsvärmebehandling vid en tempera- tur som ligger obetydligt under beta-omvandlingstemperaturen, varvid beta-omvandlingstemperaturen är 94600 (1735°F) och den föreslagna värmebehandlingen sker vid 871 - 927°C (1600 - 1700°F), kylning sker till rumstemperatur, återupphettníng sker till 760 _ 871°c (1uoo _ 16oo°F> een efterföljande åldring sker vid 510 - 593°C (950 - 1100°F). Såsom framgår härav skulle man inte med ledning av denna hänvisning kunna förutse föreliggande uppfinning som kommer att beskrivas nedan.

Förfarandet som är beskrivet i US-patentet U 053 330 innefattar stegen med smidning vid en temperatur ovanför beta-omvandlings- temperaturen, snabbkylning för åstadkommande av en martensit- struktur och anlöpning vid en mellanliggande temperatur. Det anges att kylningen genomförs med användning av ett flytande medium vilket i sig skulle åstadkomma en kylningshastighet av storleksordningen 555°C i minuten (1000°F i minuten).

US-patentet nr U 309 226 beskriver en termomekanisk pro- cess för behandling av nära alfa-titanlegeringar och speciellt en legering som är känd som Ti-6-2-H-2 (6 A1, N Zr, 2 Mo och resten Ti). Denna process liknar i många avseenden föreliggande process men eftersom den tillämpas på en helt annan legering, 3 460 975 en nära alfa-legering i stället för föreliggande legering som skulle kunna beskrivas som en alfa-beta-legering, skulle de er- hållna resultaten inte bli de resultat som erhålls vid tillämp- ning av processen på den klass av legeringar som beskrivs häri.

Framför allt skulle det, på grund av den låga Mo-halten, inte ske någon bildning av den Mo-rika gränsytfas som iakttas i ma- terial som bearbetats enligt föreliggande uppfinning.

Enligt uppfinningen bearbetas en klass av titanlegerin- gar, vilken betecknas Ti-6Al-2Sn-UZr-6Mo, termomekaniskt för att förlänas ökad beständighet mot spricktillväxt. Materialet smides ovanför beta-omvandlingstemperaturen, kyls genom beta- omvandlingen 11-55°C/min (20-100°F/min), värmebehandlas nära men under beta-omvandlingen och åldras.

Den erhållna strukturen innefattar små alfa-plattor 1 en beta-matris, varvid de små plattorna är omgivna av en Mo-rik zon, och strukturen är även fri från korngräns-alfa.

Strukturen är beständig mot utbredning av utmattnings- sprickor.

Andra kännetecken och fördelar kommer att framgå av be- skrivningen och patentkraven och av bifogade ritningar som åskådliggör en utföringsform av uppfinningen, varvid fig 1 vi- sar ett mikrofotografi av material som bearbetats enligt före- liggande uppfinning, fig 2 visar livslängden vid spricktillväxt för Ti-6-H-2-6-material som bearbetats vid olika betingelser, fig 3 jämför kryplivslängden för föreliggande material med kryplivslängden för ett tidigare känt förfarande och fig H jäm- för spricktillväxthastigheten som en funktion av temperatur för material som bearbetats enligt uppfinningen och för material som bearbetats enligt tidigare känd teknik.

Föreliggande uppfinning avser en termomekanisk process för att förläna vissa titanlegeringar förbättrade mekaniska egenskaper. Processen har utvecklats och optimerats med avseen- de på en legering med den nominella sammansättningen 6% Al, 2% Sn, ü% Zr, 6% Mo och för övrigt i huvudsak Ti (Ti-6-2-4-6) och kommer att beskrivas med avseende på denna legering. Grundäm- nenas intervall i denna handelslegering är samtliga 1 0,5% från den nominella halten med undantag av Sn där intervallet är 1 0,25%. Det är sannolikt att processen med fördel kan utnytt- 460 975 jas på vissa andra legeringar.

Den främsta alternativa handelslegering, på vilken man troligen skulle kunna tillämpa processen enligt uppfinningen. är en legering som betecknas Ti-17 och vars nominella samman- sättning är 5% Al, 2% Sn, 2% Zr, U% Mo, 4% Cr och för övrigt i huvudsak Ti. Intervallen är också nu O,5% med undantag för Sn och Zr där intervallen är 1 0,25%. Dessa båda legeringar är alfa-beta-legeringar med en hög halt beta-stabilisator (minst viktprocent), varför beta-fasen är relativt stabil. Dessa legeringar är också legeringar med hög härdbarhet, legeringar av vilka tjocka sektioner kan härdas fullständigt genom kylning från en temperatur ovanför beta-solvustemperaturen. Såsom anges nedan är den relativt höga molybdenhalten (> 3%) i legeringarna också signifikant.

Det första steget i förfarandet är ett smidessteg som genomförs vid en temperatur ovanför beta-omvandlingstemperatu- ren, företrädesvis från ca 1Ä till 36°C (ca 25 - 65°F) ovanför beta-omvandlingstemperaturen_ "Isotermiskt" smide har använts med hjälp av uppvärmda formar, men måttliga fluktatio- ner i smidestemperaturen, speciellt inom intervallet från IH till 36°C (25 - 65°F), ligger inom ramen för uppfinningen.

Mängden och hastigheten för deformationen väljs så, att de är tillräckliga för att omkristallisera materialet och tillhanda- hålla förvridna eller ojämna korngränser. En reduktionsekviva- lent till minst 10% och företrädesvis minst 25% reduktion av arean är vanligen tillräcklig.

Efter det isotermiska deformationssteget kyls materialet från den isotermiska smidestemperaturen (företrädesvis under ca 538°C (ca 1000°F) med reglerad hastighet. Hastigheten regleras så att den blir från ca 11°C (20°F) till ca 55°C (100°F) per minut. Detta kylningssteg med reglerad hastighet är kritiskt för att man skall erhålla den önskade mikrostruktu- ren som kommer att beskrivas nedan. En lägre kylningshastighet leder till bildning av en grov nålformig struktur som inte hin- drar spricktillväxt i tillfredsställande omfattning. Om hastig- heten är alltför hög erhålls inte den önskade nålformiga mikro- strukturen.

Materialet värmebehandlas sedan vid en temperatur nära s 460 975 men under beta-omvandlingstemperaturen, företrädesvis från ca 28°C (SO°F) till ca 83°C (150°F) under beta-omvand- lingstemperaturen under en tid av ca 0,5 - 5 timmar. Materialet kyls från denna värmebehandlingstemperatur med en hastighet som är ekvivalent med den som erhålls genom luftkylning eller högre (företrädesvis till en temperatur under ca 260°C (500°F)).

Det slutliga steget i förfarandet är ett åldringssteg som genomförs vid en temperatur från ca H82°C (900°F) till ca 6N9°C (1200°F) under en tid av U - 8 timmar.

Den erhållna strukturen är visad i fig 1 och består av nålformiga alfa-fasplattor omgivna av beta-fasen. Alfa-plattor- nas längd i förhållande till deras tjocklek regleras medelst kylningshastigheten från den inledande isotermiska smidestempe- raturen, och förhållandet bör vara från ca U till ca 20. Om hastigheten är alltför hög blir plattorna överdrivet tunna (1/d för högt) och ger inte de önskade egenskaperna. En låg kylningshastighet resulterar i en grov struktur som inte är be- ständig mot spricktillväxt. När strukturen enligt fig 1 iakttas efter det att sprickor bildas visar det sig att sprickorna bre- der ut sig längs gränsytan mellan alfa-nålarna och beta-matris- fasen. Av denna anledning är det önskvärt att plattorna inte är för långa och att plattorna har en oordnad morfologi (korgväv).

Om plattlängden är relativt liten och plattorna är godtyckligt orienterade i förhållande till varandra, blir utbredninge- sprickans bana slingrande, varför utbredningen av sprickan sker långsammare.

Ett iakttaget kännetecken hos material som bearbetats enligt föreliggande uppfinning är att det finns ett tunt skikt med en modifierad sammansättning vid gränsytan mellan alfa- plattorna och beta-matrisen. Detta gränsyteskikt har en samman- sättning med en hög molybdenhalt, nämligen av storleksordningen -25 viktprocent. Det är sannolikt att detta material är segt, tänjbart och beständigt mot spricktillväxt och att man medelst förfarandet enligt uppfinningen uppnår en väsentlig fördel till följd av denna gränsytefas. Detta gränsytematerial med hög mo- lybdenhalt utvecklas sannolikt under värmebehandlingssteget.

Tjockleken är av storleksordningen 10'umm(1000 Å). På grund av dess höga molybdenhalt förväntas att legeringar som inte in- 460 975 e nehåller väsentliga (>3%) molybdenhalter inte åstadkommer det önskvärda beteendet i fråga om spricktillväxt som erhålls i det Ti-6-2-4-6-material som har bearbetats enligt uppfinningen.

Några av fördelarna med föreliggande uppfinning kommer att visas i följande åskådliggörande exempel. Ä Ti-6-2-4-6-material (med en beta-omvandlingstemperatur vid ca 9u6°c <1735°F) smidaes isonermiskt vid 982°c (1800°F) till en reduktion i arean med ca 66%. Materialet kyldes sedan med en hastighet av ca 22°C (UDOF) per minut till en temperatur av 53800 (1000°F) (och luftkyldes därpå till rumstemperatur). Prover av detta material värmebehandlades sedan vid olika temperaturer mellan 866°C (1590°F) och 916°c <168o°r), avs från ca 8o,5°c <1u5°r) :iii ca 30,5°C (55°F) under beta-omvandlingstemperaturen. De flesta proverna åldrades sedan vid 593°C (1100°F) i 8 tim- mar och utvärderades i ett test som gav en relativ antydan om spricktillväxthastigheten. Resultaten har ritats in i fig 2. Av fig 2 framgår att en temperatur av ca 885°C (1625°F) eller 61°C (110°F) under beta-omvandlingstemperaturen synes ge optimal spricktillväxthastighet. Det framgår även att de prover som åldrades vid 593°C (1100°F) hade överlägsna egenskaper 1 förhållande :iii dem som åidrades vid 621°c (115o°r>. På kurvan finns även en enda punkt som åskådliggör beteendet hos ett material som bearbetats enligt en standardsekvens enligt tidigare känd teknik som innefattar en oljekylning från 982°C (1800°F) och efterföljande värmebehandling vid 830°C (1525°F). Det framgår tydligt att materialet enligt förelig- gande uppfinning är vida överlägset material bearbetat enligt tidigare känd teknik.

Fig 3 visar en Larson-Miller-kurva över tiden till 1% krypning för materialet enligt uppfinningen och för material som bearbetats enligt tidigare känd teknik (subsolvus-upplös- ningsbehandling, snabb kylning, åldring vid 593°C (1100°F)); man ser där att vid liknande betingelser vad be- träffar temperatur och påkänning har materialet enligt uppfin- ningen ungefär dubbelt så lång kryplivslängd som material som bearbetats enligt tidigare känd teknik. Andra tester genomför- des, vid vilka spricktillväxtlivslängden som en funktion av .i sn..v.............mfl-» 460 975 temperatur utvärderades för material enligt uppfinningen och material enligt tidigare känd teknik. Resultaten är visade i fig N. Man kan ånyo se att materialet enligt uppfinningen är överlägset materialet enligt tidigare känd teknik (samma tidi- gare kända process som för materialet i fig 3), även om graden av överlägsenhet minskar något med ökande temperatur.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de speciel- la utföringsformer som är visade och beskrivna här, utan olika ändringar och modifikationer kan göras inom uppfinningens ram såsom den är definierad i efterföljande patentkrav.

Claims (11)

8 PATENTKRAV

1. Metod för förbättring av spricktillväxtbeteendet hos al- fa-beta-titanmaterial som innehåller väsentliga mängder beta- stabilisatorer och minst 3% Mo och har en beta-omvandlingstem- peratur, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar följande steg: a. smidning av materialet ovanför beta-omvandlingstempe- returen i en utsträckning som är tillräcklig för att åstadkomma omkristallisation, b. kylning av materialet genom beta-omvandlingstempera- turen med en hastighet från ca 11°C (ZOOF) till ca 55°C (100°F) per minut, c. värmebehandling av materialet vid en temperatur mel- lan ca 28°C (SOOF) och ca 83°C (150oF) under beta-om- vandlingstemperaturen, d. kylning av legeringen med en hastighet som är lika med eller högre än den som åstadkommes genom luftkylning, och e. åldring av materialet.

2. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att smidessteget genomförs mellan ca 1H°C (ESOF) och 36°C (65°F) över beta-omvandlingstemperaturen.

3. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att materialet smides i en utsträckning som är ekvivalent med minst en 10-procentig reduktion i area.

4. Q. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att materialet smides i en utsträckning som är ekvivalent med minst en 25-procentig reduktion i area.

5. S. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att i steg b kyls materialet till en temperatur under ca 53806 <1ooo°F>.

6. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att värmebehandlingen i steg c genomförs under ca 0,5 - 5 timmar.

7. Metod enligt krav 1, k ä n h e t e c k n a d därav, att i steg d kyls materialet till en temperatur under ca 260°C (5oo°F).

8. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att i steg e genomförs åldringen mellan ca UBZOC (900°F) och 593°c <11oo°F) från ca 2 till ca 10 timmar. ....... ...1._.......m. 9 460 975

9. Metod enligt krav 1, k a n n e t e c k n a d därav, att legeringen är 6% Al, 2% Sn, Nß Zr, 61 Mo, för övrigt 1 huvudsak Ti.

10. Metod för termomekanisk bearbetning av titanlegerings- föremål med nominell sammansättning 6% Al, 2% Sn, Nß Zr, 6% Mo, för övrigt 1 huvudsak Ti, k I n n e t e c k n a d därav, att den innefattar följande steg: a. smidning av materialet i en utsträckning som är ekvivalent med åtminstone 10% reduktion av arean vid en temperatur mellan ca 1ü°C (25°F) och ca 36°C (65°F) ovanför beta-omvandlingstemperaturen, b. kylning av materialet till en temperatur under ca s38°c (1ooo°r) med en heetighet mellan ee 11°c (2o°r) och ca 55°C (100°F) per minut, c. värmebehandling av materialet vid en temperatur mellan ee 2a°c (so°r) eeh 83°c (1so°F) under hete- omvandlingstemperaturen ca 0,5 - 5 timmar, d. kylning av materialet till en temperatur under ca 26o°c (soo°r) men en heetlghet een ur like med eller högre än den som åstadkommes genom luftkylning, och e. åldring av materialet ca 2 - 10 timmar vid en tempe- ratur mellan ee n82°c (9oo°r) eeh ee 6h9° (12oo°P).

11. Titanlegeringsföremål som är bestlndigt mot spricktill- vlxt, k i n n e t e c k n a t därav, att det innefattar a. en beta-matris, innehållande b. från ca 20 till ca 90 volymprocent små nålformade alfa-plattor med ett genomsnittsförhållande lld mellan oa N och ca 20, varvid c. de angivna plattorna är omgivna av ett tunt skikt med hög Mo-halt och d. det angivna materialet är i huvudsak fritt från varje kontinuerlig korngrlns-alfafas.