DE3622433A1 - Verfahren zur verbesserung der statischen und dynamischen mechanischen eigenschaften von ((alpha)+ss)-titanlegierungen - Google Patents
Verfahren zur verbesserung der statischen und dynamischen mechanischen eigenschaften von ((alpha)+ss)-titanlegierungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft den im Oberbegriff des Hauptan
spruches wiedergegebenen Gegenstand.
Bekanntlich können die mechanischen Eigenschaften des
Titans bereits durch Legierungszusätze verbessert wer
den, wobei durch Zusatz bestimmter Legierungselemente
die Umwandlungstemperatur von Titan von der α- in die
β-Phase erhöht oder erniedrigt werden kann, d. h. es
wird zwischen Legierungszusätzen unterschieden, die
entweder die α- oder aber die β-Phase stabilisieren.
Aluminium gehört beispielsweise zu den α-stabilisieren
den Legierungselementen und wird als Substitionsmisch
kristall gelöst, während als Beispiele für β-stabili
sierende Legierungselemente u. a. in erster Linie
Vanadium und Molybdän zu nennen sind. Zirkonium und
Zinn sind in beiden Phasen gut löslich. Die bei Raum
temperatur nach dem Glühen vorhandenen Phasen werden in α-Titanlegierungen, β-Titanlegierungen
und ( α+β )-Titanlegierungen unterteilt, und speziell auf
die letztgenannten bezieht sich die vorliegende Erfin
dung. Typische Beispiele dieser ( α+β )-Titanlegierungen
sind die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten
Legierungen, für die auch die Festigkeitsangaben bei
Raumtemperatur angegeben sind.
Es hat in den letzten Jahren nicht an den Versuchen gefehlt,
durch thermomechanische Behandlung die statischen und
dynamischen mechanischen Eigenschaften der ( α+β )-Titan
legierungen zu verbessern, wobei die Werkstoffe zunächst
meist warm umgeformt werden, da ihre Gleichmaßdehnung
gering ist. Durch Lösungsglühen und Stabilisieren können
dann die besseren Eigenschaften der Werkstoffe erzielt
werden, wie beispielsweise erhöhte thermische Stabilität
und verbessertes Kriechverhalten.
Zahlreiche Veröffentlichungen über Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen sind
noch vor kurzem im Rahmen der International Conference
on Titanium vom 10. bis 14. 9. 1984 in München in Band 1
der zugehörigen Proceedings erschienen. Beispielsweise
wird hier verwiesen auf die Aufsätze dieses Bandes 1,
Seite 179 ff., Seite 267 ff., Seite 327 ff. und Seite
339 ff. Über die mechanischen Eigenschaften von hochent
wickelten PM-Titan-Formteilen berichten auch
J. P. Herteman et al. in "powder metallurgy international"
Vol. 17, No. 3, 1985, Seiten 116 bis 118, wobei die
Autoren festgestellt haben, daß die mechanischen Eigen
schaften eines über heißisostatisches Pressen verarbei
teten Materials durch den Einsatz reinerer oxidfreier
Pulver und die Einstellung eines geeigneten Gefüges so
verbessert werden können, daß dieses sogenannte HIP-
Material in seinen Festigkeitswerten und der Schadens
anfälligkeit den Schmiedewerkstoffen weitgehend ange
glichen werden kann bzw. diesen sogar leicht überlegen
ist. Gleichwohl läßt diese Arbeit aber erkennen, daß
die Werte für die ultimate tensile strength (Zugfestig
keit RM) und die yield strength (0,2% Dehngrenze
sich nach wie vor nicht über 1100 MPa steigern
lassen, während die elongation (Bruchdehnung
EL) nicht über 17% steigt und die reduction of area
(Brucheinschnürung RA) kaum mehr als 40% erreicht.
Da neben der chemischen Industrie als größte Verbraucher
nach wie vor die Luft- und Raumfahrt an Titanlegierungen
mit verbesserten mechanischen Eigenschaften interessiert
ist und sein muß, war es Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Hauptan
spruches und damit ( α+β )-Titanlegierungen verfügbar zu
machen, die Zugfestigkeiten und Dehnungen von eindeutig
über 1100 MPa aufweisen und darüber hinaus auch Last
spielen bis zum Bruch gewachsen sind, die über denen
der nach bisher üblichen Verfahren erhaltenen ( a+β )-
Titanlegierungen vergleichbarer Zusammensetzung liegen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren gemäß der
Erfindung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils
des Hauptanspruches. Bevorzugte Ausführungsformen die
ses Verfahrens sind Gegenstand der weiteren Unteran
sprüche.
Die zunächst erfindungsgemäß erforderliche Umformung
der durch Schmelzen und Schmieden bzw. heißisostatisches
Pressen hergestellen ( α+β )-Titanlegierungen, für die
eingangs einige Beispiele erläutert worden sind, um
mehr als 60% kann zweckmäßig durch Schmieden, Pressen,
Hämmern, Walzen oder Ziehen erfolgen, wobei zwischen
den einzelnen Verformungsschritten das Gefüge der Legie
rungen durch Erwärmen entspannt werden sollte, doch ist
darauf zu achten, daß dieses Gefüge nicht vollständig
rekristallisiert. Aus diesem Grunde sind langzeitige
Zwischenglühungen in jedem Falle zu vermeiden. In
Bild 1 ist das Gefüge beispielsweise der hochfesten
Legierung Ti6Al4V nach dem Hämmern bei 850°C in 1000facher
Vergrößerung dargestellt.
Das in der gewünschten Endabmessung vorliegende Form
teil wird anschließend angelassen, und zwar wird 2 bis
4 min nahe am Transus geglüht, der bei der Legierung
Ti6Al4V bei 975°C liegt, und dann abgeschreckt, wobei
geeignete Mittel zum Abschrecken dem Fachmann geläufig
sind. Vorzugsweise wird aber mit Wasser, mit Öl oder
mit beiden Mitteln abgeschreckt. In Bild 2 ist das Gefüge
der im Zusammenhang mit Bild 1 bereits erwähnten
Legierung wiederum in 1000facher Vergrößerung darge
stellt. Dieses Bild zeigt die Einlagerung von globularen,
relativ großen α-Partikeln (µm-Bereich) im ( α+b )-
Gefüge, während im ( α+β )-Bereich kleinste Ausscheidungen
von α-Lamellen zu erkennen sind, die im β-Gefüge einge
lagert sind.
Um die Stabilisierung dieses Gefüges zu erreichen,
werden die abgeschreckten Formteile anschließend bei
Temperaturen im Bereich von 400 bis 600°C getempert
oder ausgelagert, und zwar vorzugsweise 2 h bei 400
bis 500°C. Hierbei werden die ( α+β )-Ausscheidungen
vergröbert, ohne daß sich die großen α-Körner verändern.
Dies zeigt das im Bild 3a wiedergegebene Gefüge der als
Beispiel gewählten Legierung Ti6Al4V. Wie die TEM-Auf
nahme (Bild 3b) erkennen läßt, zeigen im Elektronen
mikroskop die α-Partikel Versetzungen und Kleinwinkel
korngrenzen, d. h. diese α-Partikel sind polygonisiert
und nicht rekristallisiert.
Die hervorragenden und gegenüber den bisher bekannten
Vergleichslegierungen eindeutig verbesserten mechani
schen Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten
( α+β )-Titanlegierungen sind in der nachfolgenden
Tabelle II und in dem Diagramm wiederge
geben. Die Werte von Zugfestigkeit, 0,2% Dehngrenze,
Dehnung und Einschnürung liegen weit über den in der
DIN-Norm Nr. 17 851 festgelegten Mindestwerten. Außerdem
gibt die Tabelle II auch noch die ermittelten Werte für
den Elastizitätsmodul an. Zwar erfüllt auch die ledig
lich HIP-verformte Legierung Ti6Al4V die DIN-Norm, doch
wird sie von dem erfindungsgemäß hergestellten Material
in allen Werten weit übertroffen, wobei besonders über
raschend ist, daß mit der erhöhten Festigkeit auch die
Duktilität des Werkstoffes beträchtlich ansteigt, näm
lich um ca. 30%.
Die Ermüdungsfestigkeit der Legierung wurde im Amsler-
Pulser unter den Bedingungen R=0,1, α=1 und der
Frequenz 130±19 Hz gemessen. Die im Diagramm wieder
gegebene obere Wöhler-Kurve für den erfindungsgemäß
hergestellten Werkstoff zeigt im gesamten Frequenzbe
reich bei den Lastspielen bis 10⁷ stark verbesserte
Schwingfestigkeiten gegenüber den nach den bisher übli
chen Verfahren gefertigten Werkstoffen (untere Wöhler-
Kurve), wobei die Eigenschaften in der Zugfestigkeit um
40% und in der Dauerfestigkeit um 100% verbessert
wurden.
Auf Grund der geschilderten Verbesserung der statischen
und dynamischen mechanischen Eigenschaften der erfin
dungsgemäß hergestellten Werkstoffe ist es offensicht
lich, daß durch diese der Anwendungsbereich hochfester
( α+β )-Legierungen sowohl bei statischen als auch bei
dynamischen Beanspruchungen beträchtlich erweitert wer
den kann, was insbesondere für die Luft- und Raumfahrt
industrie von größter Bedeutung ist.
Claims (5)
1. Verfahren zur Verbesserung der statischen und dynami
schen mechanischen Eigenschaften von ( α+β )-Titanlegie
rungen durch thermomechanische Behandlung, dadurch ge
kennzeichnet, daß die durch Schmelzen und Schmieden
bzw. heißisostatisches Pressen hergestellten Legierungen
bei einer Temperatur dicht über der Rekristallisations
temperatur der Legierungen in einem oder mehreren
Schritten mit jeweils zwischen diesen Schritten durchge
führtem Gefügeentspannungserwärmen ohne vollständige
Rekristallisation um mehr als 60% verformt, das Form
teil dann 2 bis 4 min nahe am Transus der Legierung
angelassen, abgeschreckt und anschließend bei Tempera
turen im Bereich von 400 bis 600°C getempert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierungen durch Schmieden, Pressen, Hämmern,
Walzen oder Ziehen verformt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Abschrecken des Formteils mit Wasser und/oder
Öl durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das zunächst 3 min bei 975°C angelassene und abge
schreckte Formteil anschließend 2 h bei 400 bis 500°C
getempert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ( α+β )-Titanmehrstofflegierungen auf der Basis Ti4AlX
bzw. Ti6AlX, wobei X ein oder mehrere Legierungselemente
aus der aus Vanadium, Molybdän, Zirkonium, Zinn, Eisen,
Kupfer und Silicium bestehenden Gruppen bedeuten, einge
setzt werden.
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