DE3024645C2

DE3024645C2 -

Info

Publication number: DE3024645C2
Application number: DE3024645A
Authority: DE
Inventors: Martin John Kensington Conn. Us Blackburn; Michael Price Glastonbury Conn. Us Smith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1991-03-21
Also published as: JPH0127138B2; JPS5641344A; FR2462483A1; GB2060694A; FR2462483B1; DE3024645A1; GB2060694B; US4294615A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 oder 2 angegebenen Art.

Titanlegierungen, die bei hohen Temperaturen verwendbar sind, insbesondere Legierungen vom TiAl-γ-Typ, haben in den letzten Jahren wegen ihrer Kombination von hoher Festigkeit und niedriger Dichte zwar in Gasturbinen weitverbreitete Verwendung gefunden, ihre Verwendung beschränkt sich jedoch wegen unzureichender Festigkeits- und Oxidationseigenschaften auf Temperaturen unter 600°C. Bei höheren Tempe raturen werden bislang relativ dichte Eisen-, Nickel- und Kobaltbasissuperlegierungen benutzt. Leichte Legierungen sind jedoch am erwünschtesten, da sie die Eigenschaft haben, Spannungen zu verringern, wenn sie in rotierenden Bauteilen benutzt werden.

Die Hauptarbeit konzentrierte sich in den 50er und 60er Jahren auf leichte Titanlegierungen für die Verwendung bei höheren Temperaturen, keine erwies sich aber für die technische Ver wendung als geeignet. Zur Verwendung bei höheren Temperaturen benötigten Titanlegierungen die richtige Kombination von Eigenschaften. In dieser Kombination finden sich Eigen schaften, wie hohe Duktilität, Zugfestigkeit, Bruchzähigkeit, hoher Elastizitätsmodul, hohe Kriechfestigkeit, Dauer festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und niedrige Dichte. Wenn das Material nicht die richtige Kombination hat, wird es versagen und dadurch im Gebrauch begrenzt sein. Weiter müssen die Legierungen im Gebrauch metallurgisch stabil und in der Fertigung gieß- und schmiedbar sein.

Grundsätzlich müssen brauchbare warmfeste Titanlegierungen wenigstens diejenigen Metalle, die sie ersetzen sollen, in einiger Hinsicht übertreffen und ihnen in anderer Hinsicht wenigstens gleich sein. Dieses Kriterium bringt viele Beschränkungen mit sich, und bekannte Legierungsver besserungen, von denen erst angenommen wurde, daß sie ver wendbar sind, zeigten bei näherer Überprüfung, daß dem nicht so war. Typische Nickelbasislegierungen, die durch eine Ti tanlegierung ersetzt werden könnten, sind INCO 718 oder INCO 713. Die dichtekorrigierten Bruchbelastungseigenschaften dieser Materialien sind in Fig. 1 zusammen mit den besten im Handel erhältlichen Titanlegierungen gezeigt. Es ist zu erkennen, daß bekannte Titanlegierungen schlechtere Eigen schaften als Nickellegierungen haben. Legierungen nach der Erfindung, die weiter unten erläutert sind, sind in Fig. 1 ebenfalls gezeigt.

Bislang war eine bevorzugte Kombination von Elementen zur Erzielung einer höheren Warmfestigkeit Titan mit Aluminium in besonderen Legierungen, die von den intermetallischen Verbindungen oder geordneten Legierungen Ti₃Al (α₂) und TiAl (γ) abgeleitet wurden. Es ist klar, daß das TiAl-γ-Legierungssystem potentiell leichter ist, weil es mehr Aluminium enthält. Laborarbeiten in den 50er Jahren zeigten, daß diese Titan-Aluminid-Legierungen das Potential für eine Verwendung bei hoher Temperatur bis etwa 100°C hatten. Spätere Erfahrungen mit solchen Legierungen im Maschinenbau zeigten aber, daß sie zwar die erforderliche hohe Warmfestigkeit hatten, daß sie jedoch nur eine geringe oder keine Duktilität bei Raumtemperatur und bei mäßigen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen von 20-550°C aufweisen. Materialien, die zu spröde sind, können weder leicht hergestellt werden noch können sie nicht häufige, aber unvermeidliche kleine Beschädigungen im Betrieb aushalten, ohne zu reißen und später zu versagen. Sie können nicht im Maschinenbau benutzt werden, um Legierungen auf anderer Basis zu ersetzen.

Es gibt zwei grundsätzliche geordnete Titan-Aluminium-Ver bindungen von Interesse, nämlich Ti₃Al und TiAl, die als Basis für neue warmfeste Legierungen dienen könnten. Für den Fachmann ist zu erkennen, daß es einen wesentlichen Unterschied zwischen den beiden geordneten Phasen gibt. Das Legierungs- und Umwandlungsverhalten von Ti₃Al gleicht dem Verhalten von Titan, da die hexagonalen Kristallstrukturen sehr ähnlich sind. Die Verbindung TiAl hat jedoch eine tetragonale Atomanordnung und daher ziemlich andere Legie rungseigenschaften. Dieser Unterschied ist in der früheren Literatur häufig nicht erkannt worden. Deshalb beschränken sich die folgenden Darlegungen bezüglich der Erfindung weitgehend auf das, was innerhalb des Bereiches der TiAl-γ-Phase liegt, d. h. TiAl, 50Ti-50Al atomar und etwa 65Ti-35Al nach dem Gewicht.

In bezug auf die frühen Arbeiten über Titanlegierungen in den 50er Jahren sind mehrere US-Patente sowie Patente in anderen Ländern erteilt worden. Zu ihnen gehört die US-PS 28 80 087, die Legierungen mit 8-34 Gew.-% Aluminium mit einem Zusatz von 0,5-50% β-Stabilisierungselementen (Mo, V, Nb, Ta, Mn, Cr, Fe, W, Co, Ni, Cu, Si und Be) enthält. Die Auswirkungen der verschiedenen Elemente werden in einem gewissen Ausmaß voneinander unterschieden. Beispielsweise heißt es, daß 0,5-50% Vanadium von Nutzen sind, um einer Legierung, die 8-10% Aluminium hat, bei Raumtemperatur Bruchdehnung bis zu 2% zu geben. Bei den Legierungen mit höherem Aluminiumgehalt, d. h. bei denjenigen, die der γ-TiAl-Le gierung am nächsten kommen, ist jedoch laut dieser Patent schrift bei irgendeinem Zusatz im wesentlichen keine Duk tilität vorhanden. Ebenso erwähnt die US-PS 28 81 105 eine Legierung mit 6-20 Gew.-% Aluminium, die durch einen Zusatz von bis zu 2% Vanadium verfestigt worden ist.

Die CA-PS 5 96 202 erwähnt weitere nützliche Legierungen mit weniger als 8 Gew.-% Aluminium, wobei sie aber auch das Problem der Warmbearbeitbarkeit bei höheren Aluminiumge halten angibt, und offenbart die Nützlichkeit von Kohlenstoff mit einem Gehalt von 0,05 bis 0,3% zur Verbesserung der Warmfestigkeit der einen hohen Alu miniumgehalt (bis zu 32%) aufweisenden Legierungen, die in dieser Patentschrift beschrieben sind.

Die CA-PS 6 21 884 nennt Aluminiumgehalte von 34-36 Gew.-%. Es ist angegeben, daß die Legierungen nicht auf eine Wärme behandlung ansprechen. Es sind keine Daten über die Zugdehnung angegeben, es ist aber erwähnt, daß 34-46% Aluminium eine maximale Duktilität ergeben, die auf den niedrigen Härtewerten basiert. (Diese Angabe ist offenbar nicht richtig, da die Arbeiten der Anmelderin zeigen, daß Ti-38% Al eine niedrige Härte und keine Zugduktilität bei Umgebungs temperatur hat.)

Aus der DE-AS 10 61 522 ist eine Titanlegierung aus 10 bis 50% Aluminium und Titan als Rest bekannt, die eine gute Warmverformbarkeit beim Schmieden aufweist.

Aus der DE-AS 11 79 006 ist eine Titanlegierung aus 0,5 bis 46% Aluminium, 0,5 bis 40% Vanadium und Titan als Rest bekannt, die gut gießbar ist. In der Zusammensetzung entspricht diese Legierung der im Oberbegriff der Patent ansprüche 1 und 2 angegebenen Legierung, sie kann aber auch bis 0,6% Kohlenstoff enthalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzielung einer hohen Zugfestigkeit bei einer Titanlegierung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art oder zur Erzielung einer hohen Zeitstandfestigkeit und Bruchdehnung bei einer Titanlegierung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Patenansprüche 1 oder 2 angegebenen Schritte gelöst.

Die Arbeiten, die zu den Verfahren nach der Erfindung geführt haben, haben gezeigt, daß tatsächlich der Aluminiumgehalt in einer binären TiAl-Legierung die Eigenschaften sehr kritisch beeinflussen kann. Weiter ist festgestellt worden, daß Vanadium im Vergleich zu anderen gleichen Übergangselementen eine besondere Rolle spielt.

Gemäß der Erfindung wird eine besondere und nützliche Kombination von Bruchdehnung und Warmfestigkeit in einer Titanlegierung erzielt, die einen ziemlich schmalen Zu sammensetzungsbereich von Aluminium, zwischen 48-50 Atom-%, aufweist. Die bevorzugte Legierung enthält, in Gew.-%, 34-36 Aluminium (atomar Ti-48/50Al). Legierungen mit weniger Aluminium haben zwar eine höhere Festigkeit, jedoch Duktilitäten von viel weniger als 1,5%. Legierungen mit mehr Aluminium haben geringere Festigkeiten und niedrigere Duktilitäten.

Der bei den Verfahren nach der Erfindung eingesetzten Legierung werden 0,1-4 Gew.-% Vanadium zugesetzt, um die Duktilität bei Raumtemperatur und bei mäßigen Temperaturen zu verbessern, ohne die Hochtemperaturfestigkeit nachteilig zu beeinflussen. Es hat sich gezeigt, daß Vanadium in dieser Hinsicht unter anderen Elementen eine besondere Rolle spielt. Die Legierung besteht aus, in Gew.-%, 31-36 Al, 0,1-4 V, Rest Ti; die bevorzugt eingesetzte Legierung besteht aus 34-36 Al, 0,7-2,0 V, Rest Ti (Zusammensetzung in Atom-% 45-50 Al, 0-3 V, Rest Ti bzw. 48-50 Al, 0,5-1,5 V, Rest Ti).

Die Anwendung der Verfahren nach der Erfindung nach den Ansprüchen 3 und 4 betrifft Legierungen mit einem Gehalt an Kohlenstoff der die Zeit standfestigkeit bei erhöhter Temperatur, d. h. die Warmfestigkeit verbessert, aber die Duktilität etwas verringert. Die durch die Verfahren nach der Erfindung erzielten Schmiedestücke werden durch Auslagern bei erhöhter Temperatur in der Zugfestigkeit verbessert. Statt dessen können sie aber auch lösungsgeglüht und ausgelagert werden, um die Warmfestigkeit und die Bruchdehnung zu verbessern.

Die durch die Verfahren nach der Erfindung bearbeiteten Legierungen haben Eigenschaften, welche sie für Maschinenbauzwecke geeignet machen. Gemäß Fig. 1 haben diese Legierungen ge wichtsangepaßte Eigenschaften, die besser sind als die einiger herkömmlicher Nickellegierungen, und stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Legierungen dar. Wegen ihrer beträchtlichen Duktilitäten bei niedrigen und Zwischen temperaturen können die Legierungen unter Verwendung herkömmlicher isothermischer Gesenkschmiedeanlagen und leicht ausführbarer Verfahrensschritte geschmiedet werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die dichtekorrigierte Bruchbelastbarkeit für ausgewählte Titan- und Nickellegierungen und für durch die Verfahren nach der Erfindung behandelte Legierungen,

Fig. 2 die Auswirkung des Aluminiumgehalts in binären TiAl-Legierungen auf die Zugeigenschaften bei Raumtemperatur und die Kriechlebensdauer bei 815°C/103 MPa,

Fig. 3 die Auswirkung von Legierungszusätzen in Ti-48 Atom-% Al-Legierungen auf die Zugeigenschaften bei Raumtemperatur und die Kriechlebensdauer bei 815°C/103 MPa,

Fig. 4 die Auswirkungen von Vanadiumzusätzen auf die Bruchdehnung bei 20-700°C von Ti-48/50 Atom-%- Aluminium-Legierungen, und

Fig. 5 die Auswirkung von Schmiede- und Wärmebehandlungen auf eine Ti-50 Al-Legierung.

Die Versuchsergebnisse mit den durch die Verfahren nach der Erfindung behandelten Legierungen werden in bezug auf Atomprozente (Atom-%) der Elemente beschrieben, da sie auf diese Weise ermittelt wurde. Zweckmäßigkeitshalber wird die Erfindung aber in Gewichtsprozenten (Gew.-%) beansprucht. Für den Fachmann ist es leicht möglich, Atomprozente in Gewichtsprozente umzurechnen. Als Hilfe sind die äquivalenten Gewichts- und Atom prozentsätze in binären Ti-Al-Legierungen in Tabelle 1 angegeben.

In einem Versuchsprogramm, das sich über mehrere Jahre erstreckt hat, wurden über 120 Legierungen gegossen und ausge wertet. Ziel war es, eine Legierung zu ermitteln, die eine Bruchdehnung von über 1,5% bei Raumtemperatur und eine spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte-Verhältnis) hat, welche gleich oder größer als bei gegenwärtig benutzten Nickel superlegierungen ist. Als Bezugslegierungen wurden die Le gierungen INCO 718 (19 Cr-0,9 Ti-0,6 Al-3 Mo-18 Fe-5 Nb+Ta, Rest Nickel, in Gew.-%) und INCO 713 C (14 Cr-1 Ti-6 Al-4,5 Mo-Rest Ni, in Gew.-%) benutzt.

Die Anfangsuntersuchung befaßte sich mit der Auswertung von Legierungen in dem Zustand nach dem Schmieden. Bei diesen Arbeiten wurde die Auswirkung des Aluminiumgehalts in binären TiAl-Legierungen ermittelt, wofür die Ergebnisse in Fig. 2 angegeben sind. Die Legierung Ti-50 Al wurde als Basispunkt genommen. Es ist zu erkennen, daß die Änderung im Aluminium gehalt kritisch ist. Als der Aluminiumgehalt auf 44% verringert wurde, erhöhte sich die Zugfestigkeit um 200%, aber die Duktilität nahm um etwa 84% ab und die Kriechlebens dauer wurde wesentlich verringert. Unter Verwendung eines Kriteriums von nominell 1,5 Duktilität zeigte sich somit, daß Legierungen mit 48-50% zu bevorzugen sind.

Die Untersuchungen über die Auswirkungen von anderen Legierungszusätzen wurden daraufhin auf Ti-48/50 Al konzentriert. Tabelle 2 zeigt einige der Legierungen, die weiter untersucht wurden. Die Auswirkungen der Legierungszusätze sind in Fig. 3 für Ti-48 Al zusammengefaßt worden. Fig. 3 zeigt, daß Vanadium die Kriechlebensdauer erhöht oder aufrechterhält, vgl. die Legierung 125. Die Auswirkung von Kohlenstoff in Kombination mit V ist weiter unten erläutert. Tabelle 3 zeigt die Auswirkung von Legierungs zusätzen auf die Zugeigenschaften bei 260°C. Es ist zu er kennen, daß sich eine bessere Zugfestigkeit und eine bessere Zugdehnung aus Vanadiumzusätzen bis zu dem ausgewerteten Gehalt von 2,5% ergeben. Die Situation ist in Ti-50 Al-Legierungen nicht ganz so einfach. Vanadiumzusätze können das Kriechvermögen in begrenztem Ausmaß verringern und ändern die Bruchdehnung bei Umgebungstemperatur nicht. Gemäß Tabelle 4 kann sich jedoch eine bessere Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei einer Zwischentemperatur von 260°C durch Vanadiumzusätze ergeben. V verbesserte auch in veränderlicher Weise die Duktilität und die Festigkeit bei mäßigen Temperaturen in weniger bevorzugten Ti-44/45/46% Al-Legierungen.

Tabelle 1

Ungefähre äquivalente Prozentsätze in binären Ti-Al-Legierungen

Tabelle 2

Zusammensetzungen von untersuchten Ti-Al-Legierungen

Tabelle 3

Zugeigenschaften bei 260°C für Ti-48 Al Atom-%-Legierungen

Tabelle 4

Zugeigenschaften bei 260°C für Ti-50 Al Atom-%-Legierungen

Fig. 4 faßt die mittlere Auswirkung von kritischen Vanadium zusätzen in dem Bereich von 0,5 bis 2,5% bei Ti-48/50 Al- Legierungen über 20-250°C zusammen. Es ist zu erkennen, daß es eine zwar bescheidene, aber doch beträchtliche Verbesserung in der Duktilität bei niedriger Temperatur und eine be trächtliche Verbesserung in der Duktilität bei mäßiger Temperatur gibt. Bei höheren Temperaturen ist die Auswirkung gering. Frühere Löslichkeitsuntersuchungen haben gezeigt, daß ziemlich große Konzentrationen an Vanadium in der γ-Phase löslich sind; Werte bis zu 20% sind angegeben worden. Im vorliegenden Fall haben die Erfinder die Nützlichkeit und die Besonderheit von Zusätzen von bis zu 2,5% in ihren Tests demonstriert, sie haben aber nicht die obere Grenze der Nützlichkeit angeben können. Während sie annehmen, daß in Zukunft Werte bis zu der Löslichkeitsgrenze von Nutzen sind, meinen sie gegenwärtig, daß gefolgert werden kann, daß Vanadium bis zu 4 Gew.-% von Nutzen sein wird, weil es in ihrem Testbereich offensichtlich keine Verringerung des Trends gibt. Die untere Grenze ihrer Testdaten waren 0,5%, sie nehmen aber an, daß sich vernünftigerweise folgern läßt, daß kleinere Mengen bis zu 0,1 Gew.-% noch eine erwünschte Duktilisierungswirkung haben werden, aber in einem geringeren Ausmaß.

Es ist festgestellt worden, daß Kohlenstoff die Warmfestigkeit verbessert. Fig. 3 zeigt, daß der Zusatz von 0,2 Gew.-% Kohlenstoff zu einer Ti-Al-V-Legierung die Lebensdauer bis zum Bruch mehr als ver dreifacht. Bei diesem Kohlenstoffgehalt wird eine gewisse Verringerung der Bruchdehnung bei Raumtemperatur festgestellt. Die Erfinder nehmen jedoch an, daß weitere Untersuchungen über den Kohlenstoffgehalt, möglicherweise gekoppelt mit Wärmebehandlungen, die Duktilitätsverringerung beseitigen können.

Es können somit folgende Schlußfolgerungen gezogen werden:

a) Zum Erzielen einer ausreichenden Bruchdehnung und einer guten Zeitstand-Zugfestigkeit sollte eine Titan- Aluminium-Legierung vorzugsweise einen Aluminiumgehalt von 48-50 Atom-% (oder 34-36 Gew.-%) haben.
b) Vanadium in einer Legierung mit 48-50 Atom-% Al ist in Mengen von 0,1-3 Atom-% (0,1 bis 4 Gew.-%) von Vorteil, vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 1,5 Atom-% (0,7 bis 1,5 Gew.-%), um die Bruchdehnung bei niedrigen und Zwischentemperaturen zu verbessern, ohne die Warmfestigkeit zu verschlechtern. V verleiht auch Legierungen Duktilität, die die weniger bevorzugten Zusammensetzungen mit 44-48% Al haben.
c) Kohlenstoff in dem Bereich von 0,05 bis 0,25% (0,02 bis 0,12 Gew.-%), vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 0,2% C (0,05 bis 0,1 Gew.-%) ist in Ti-Al-V-Legierungen gemäß den obigen Abschnitten (a) und (b) vorteilhaft, da er die Eigenschaften bei hoher Temperatur verbessert, was allerdings mit einer gewissen Verringerung der Duktilität bei Raumtemperatur verbunden ist.

Die hier beschriebenen Legierungen wurden in Chargengrößen von 1-2 bis 40 kg hergestellt und bei konstanter Temperatur geschmiedet. Die kleineren Chargen überwogen. Standardverfahren und übliche Vorsichtsmaßnahmen beim Schmelzen und Schmieden von Titanlegierungen wurden angewandt, um bekannte Defekte in solchen Legierungen zu vermeiden. Insbesondere sollte Sauerstoff unter etwa 0,1 Gew.-% gehalten werden, und andere Ver unreinigungen sollten vermieden werden.

Die metallurgische Analyse der durch das hier beschriebene Verfahren behandelten Legierungen zeigt, daß sie eine Zweiphasen struktur haben. Vorherrschend ist eine γ-(TiAl)-Phase mit einer kleinen Menge an kugeligem α₂-(Ti₃Al). Wärmebehandlungsunter suchungen zeigen, daß die Eigenschaften geändert werden können, indem die Korngröße sowie die Menge und die Verteilung der α₂-Phase verändert werden. Die oben angegebenen Daten gelten für Material im geschmiedeten Zustand, wobei das Schmieden bei konstanten Temperaturen von etwa 1010°C bis 1100°C erfolgte und die Probestücke in Luft abgekühlt wurden. Fig. 5 zeigt die Auswirkung des direkten Auslagerns (DA) in dem Bereich von 750-1000°C und Lösungsglüh behandlung bei 1150-1250°C gefolgt von Auslagern bei 750-1000°C von 1 bis 8 h; an sämtliche Schritte schloß sich Abkühlung in Luft an. Außerdem sind verschiedene Schmiedetemperaturen angegeben. Es ist zu erkennen, daß die niedrigere Schmie detemperatur die Streckfestigkeit insgesamt erhöht, aber die Warmfestigkeit verringert. Direktes Auslagern verringert die Zug- und Zeitstandfestigkeit, erhöht aber die Duktilität. Lösungsbehandlung und Auslagerung führen zu Kornwachstum, geringerer Zugfestigkeit und besseren Bruchbelastungseigenschaften.

Es kann somit aus den Versuchsergebnissen gefolgert werden, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Legierung 1000 bis 1050°C geschmiedet und bei 815 bis 950°C direkt ausgelagert worden ist. Wenn eine bessere Warmfestigkeit und Bruchdehnung erwünscht sind, sollte die Schmiedetemperatur ebenfalls in dem Bereich von 1000 bis 1050°C liegen, aber das Schmiedestück sollte bei 1100-1200°C lösungsgeglüht und dann in dem Bereich von 815-950°C ausgelagert werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzielung einer hohen Zugfestigkeit bei einer Titanlegierung mit 31 bis 36 Gew.-% Aluminium, 0,1 bis 4 Gew.-% Vanadium, Rest Titan, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei 1000 bis 1050°C geschmiedet und bei 815 bis 950°C ausgelagert wird.

2. Verfahren zur Erzielung einer hohen Zeitstand festigkeit und Bruchdehnung bei einer Titanlegierung mit 31 bis 36 Gew.-% Aluminium, 0,1 bis 4 Gew.-% Vanadium, Rest Titan, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei 1000 bis 1050°C geschmiedet und in zwei Schritten wärmebehandelt wird, die aus einem Lösungsglühen bei 1100 bis 1200°C und einer anschließenden Auslagerungsbehandlung bei 815 bis 950°C bestehen.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf eine Titanlegierung mit zusätzlich 0,02 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff.

4. Anwendung nach Anspruch 3 auf eine Titanlegierung mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,1 Gew.-%.