DE1458354B2

DE1458354B2 - Verwendung einer Titanlegierung für warm- und kriechfeste Gegenstände, die tieferen Temperaturen ausgesetzt sind

Info

Publication number: DE1458354B2
Application number: DE19641458354
Authority: DE
Inventors: Roger Edward Henderson Nev. Peebles (V.St.A.)
Original assignee: Contimet Gmbh, 4150 Krefeld
Priority date: 1963-10-17
Filing date: 1964-10-14
Publication date: 1970-09-10
Also published as: DE1458354A1; GB1049210A; BE654466A; FR1411649A

Description

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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Titanlegierung als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen, die geringes spezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch den bei tieferen Temperaturen, insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftretenden Beanspruchungen standhalten müssen.

Legierungen auf Titanbasis werden oft bei der Herstellung von schnellaufenden Flugzeugmotoren und _t0 Strahltriebwerken verwendet. Für solche Verwendungszwecke sollte die jeweils gewählte Legierung spezifisch leicht und stabil sein, hohe Temperatur- und Kriechfestigkeit sowie Zähigkeit besitzen und gleichzeitig verform- und schweißbar sein, damit sie nach Wunsch verformt und verarbeitet werden kann. Die Eigenschaften, die einer Legierung durch die üblichen Legierungselemente verliehen werden, sind bis zu einem gewissen Grade bekannt, doch hat die Zugabe solcher Einzelelemente oftmals die Wirkung, daß eine bestimmte Eigenschaft zwar verbessert wird, eine andere Eigenschaft dagegen eine nachteilige Beeinflussung erfährt. Es kann beispielsweise die Festigkeit von Titan bei hoher Temperatur durch Zugabe von Aluminium als Legierungselement stark erhöht werden, wobei aber beim überschreiten eines bestimmten Höchstwertes an Legierungsgehalt eine Einbuße an Verformbarkeit der Legierung auftritt.

Zweck der Erfindung ist es, die Verwendung einer a-Titanlegierung vorzuschlagen, die geringes spezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Stabilität, Kriechfestigkeit und gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit aufweist, und zwar sollen alle diese Eigenschaften gleichwertig oder besser sein als bei den bisher bekannten Legierungen, die zwar einzelne, aber nicht alle diese Merkmale besitzen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, eine Titanlegierung für den obenerwähnten Zweck mit

5,5 bis 6,5% Aluminium, 1,7 bis 2,3% Zinn,

0,7 bis 3,0% Zirkonium,

0,7 bis 3,0% Molybdän,

bis zu 0,16% Sauerstoff,

Rest Titan

und übliche Verunreinigungen zu verwenden. Eine vorteilhafte Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung besteht aus:

6% Aluminium,

2% Zinn,

2% Zirkonium,

1% Molybdän,

bis zu 0,12% Sauerstoff,

Rest Titan

und übliche Verunreinigungen.

Titanlegierungen mit 0,25 bis 7,5% Aluminium, 0,25 bis 16% Zinn, 0,1 bis 10% Zirkonium, bis 20% Molybdän, bis 0,3% Sauerstoff, Rest Titan, als Werkstoffe für die Herstellung von Teilen, die nach dem Schweißen dehnbar bleiben, sind bereits bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 142 445). Die für den Zweck der Erfindung wesentlichen Tieftemperatureigenschaften der in diesem verhältnismäßig weiten Bereich bekannten Titanlegierungen sind jedoch bisher nicht untersucht worden. Es wurde nun festgestellt, daß eine Titanlegierung aus dem bekannten

Bereich mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung die geforderten Tieftemperatureigenschaften, wie sie insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten, aufweist.

Weiterhin sind Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen mit Aluminiumgehalten bis 2,5% und Zinngehalten von 7 bis 14% bekannt, die außerdem 1 bis 10% Zirkonium, 1 bis 5% Molybdän und übliche Verunreinigungen an Sauerstoff enthalten (USA.-Patentschrift 3 049 425). Diese Legierungen zeichnen sich durch eine gute Kriechfestigkeit bei 400⁰C und darüber aus und sollen bei hohen Temperaturen nicht verspröden.

Über die Verwendung einer Legierung aus dem bekannten Bereich, der mit dem Gehaltsbereich der erfindungsgemäßen Legierung nicht zusammenfällt, bei tieferen Temperaturen ist nichts bekannt, so daß der Fachmann keinen Anhalt über die Eignung einer Titanlegierung in den bekannten Grenzen bei tieferen Temperaturen finden konnte.

Darüber hinaus sind noch weitere a-Titanlegierungen mit hoher Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen, guter Schmiedbarkeit (schweizerische Patentschrift 340 633) sowie schweiß- und wärmebehandelbare α,/ί-Titanlegierungen mit guten Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur, deren Zugfestigkeit durch eine Wärmebehandlung und Erhaltung der Duktilität erhöht werden kann, bekannt (USA.-Patentschrift 3 061 427). Die Eignung all dieser bekannten Titanlegierungen für Tieftemperaturzwecke war jedoch nicht bekannt.

Bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung wird Aluminium im Bereich von 5,5 bis 6,5% hauptsächlich mit dem Ziel zugesetzt, die Hochwarmfestigkeit zu gewährleisten. Durch Zusatz von weniger als 5,5% Aluminium werden die Vorteile geringen spezifischen Gewichts und hoher Festigkeit nicht voll ausgenutzt, während die Legierung bei Aluminiumgehalten über 6,5% thermisch instabil wird. Bekanntlich stabilisiert Aluminium die a-Titanphase. Ein Aluminiumgehalt in den angegebenen Grenzen führt zu einer Titanlegierung vom reinen α-Typ, selbst wenn Molybdän als /S-Stabilisator in geringen Mengen vorhanden ist. Die Schweißbarkeit dieser Legierung ist gut, weil Erhitzen und Abkühlen beim Schweißen keine Phasenänderung der Legierung bewirkt, wodurch ihr Einsatz als Werkstoff für zu verschweißende Teile ermöglicht wird.

Zinn in den angegebenen Gehaltsgrenzen wirkt ebenfalls als α-Stabilisator und ergänzt das Aluminium insofern, als seine Beimischung zu hoher Warmfestigkeit führt, ohne die Dehnung nachteilig zu beeinflussen.

Zirkonium wirkt mehr als α-Stabilisator, obwohl es den /3-Transus der Legierung bis zu einem gewissen Grade herabsetzt. Die größte Verfestigungswirkung der Legierung durch dieses Element ohne übermäßig nachteilige Beeinträchtigung des spezifischen Gewichts wird im Bereich zwischen 0,7 und 3,0% erzielt.

Die Menge an /3-stabilisierendem Molybdän muß groß genug sein, um das Kristallgefüge der festen Lösung zu verfestigen und eine gewisse Wärmebehandlungsfähigkeit zu erreichen. Aus diesem Grund sollte die vorhandene Menge nicht kleiner sein als 0,7%, um diese Wirkungen hervorzurufen, während mehr als 3,0% nicht eingebracht werden sollten, da die zusätzlich auftretende /S-Phase sich nachteilig auf die Kriechfestigkeit und in einem ge-

wissen Maße auf die Schweißbarkeit auswirkt. Darüber hinaus ist Molybdän ein schweres Element mit etwa dem doppelten spezifischen Gewicht von Titan und sollte nur bis zu einer Menge Verwendung finden, bei welcher die Vorteile die durch das höhere spezifische Gewicht in Kauf genommenen Nachteile mehr als wettmachen.

Der Sauerstoffgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung sollte höchstens bis 0,16% betragen, vorzugsweise in Grenzen zwischen 0,08 und 0,16% vorhanden sein. Titan und Legierungselemente zur Herstellung von Legierungen mit weniger als etwa 0,08% Sauerstoff sind nicht so leicht erhältlich und sind teuerer als solche mit einem höheren Sauerstoffgehalt. Bei einer Legierung mit 6% Aluminium, 2% Zinn, 2% Zirkonium und 1% Molybdän sollte Sauerstoff in einer Menge bis 0,12% und vorzugsweise zwischen 0,08 und 0,12% vorhanden sein. Größere Sauerstoffmengen haben einen nachteiligen Einfluß auf die Stabilität dieser Legierungen. Die Toleranz der Sauerstoffgehaltsgrenzen wird sich selbst bei kleinen Schwankungen der Mengen an anderen Bestandteilen, insbesondere der α-Stabilisatoren Aluminium, Zinn und Zirkonium ändern.

Das Vorhandensein von Sauerstoff in einer gewissen Menge als Verunreinigung, und seien es nur einige hundertstel Prozent, ist bei der Verwendung handelsüblichen Titanschwamms und von Legierungselementen sowie bei der Anwendung normaler Schmelzverfahren unvermeidbar, gemäß der Erfindung ist aber ein die angegebene obere Grenze nicht überschreitender Sauerstoffgehalt erwünscht und notwendig, um die beschriebenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit und das Aushärtungsverhalten hervorzubringen.

Die üblichen Verunreinigungen, welche in der Legierung vorhanden sein dürfen, sollen insgesamt nicht größer sein als 0,4%, damit sie weder einzeln noch zusammen die wesentliche Beschaffenheit der zu verwendenden Legierung und ihre beschriebenen Eigenschäften nachteilig beeinflussen. Andere Verunreinigungen, wie Kohlenstoff, Stickstoff sowie Sauerstoff, sollen zusammen nicht mehr als etwa 0,2% ausmachen, wobei die Sauerstoffmenge innerhalb der enger gefaßten Grenzen, wie vorstehend beschrieben, liegen soll.

Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung vom Typ 6% Al, 2% Sn, 2% Zr und 1% Mo sind so, daß sie sich für eine Vielzahl verschiedener Verwendungszwecke eignet. So läßt sie sich beispielsweise zur Herstellung von Strahltriebwerken verwenden, wo Festigkeit, Dehnung und Dauerstandfestigkeit wesentlich sind. Zur Verwendung im Flugzeugbau dürften sich ihre Festigkeit bei Raum- und Hochtemperatur als vorteilhaft erweisen. Für die Herstellung von Raketengeschossen macht sie ihre Festigkeit und ihr geringes spezifisches Gewicht geeignet. Im Bereich niedriger Temperaturen, beispielsweise bei der Fertigung von Tiefsttemperaturflaschen und Raketenflüssiggasbehältern kommt noch ihre Zähigkeit bei niedrigsten Temperaturen zu den sonstigen guten Eigenschaften hinzu. Nachstehend sind verschiedene Eigenschaften der Legierung aufgezeigt: Das spezifische Gewicht einer Legierung mit 6% Al, 2% Sn, 2% Zr und 1% Mo, Rest Titan, beträgt 4,5 p/cm³, das mit ungeliertem Titan vergleichbar und geringer ist als das vieler Legierungen auf Titanbasis, die große Mengen an Schwermetallen, wie beispielsweise Vanadium, Eisen, Molybdän, Niob oder Tantal, enthalten.

In den folgenden Tabellen 1, 2 und 3 sind mechanische Eigenschaftswerte für eine erfindungsgemäß zu verwendende Legierung vom Typ 7% AI, 2% Sn, 2% Zr, 1 % Mo, 0,074% O₂, Rest Ti, aufgeführt.

Die in Tabelle 2 aufgeführten Werte sind gemessen an einer geschmiedeten Vierkantprobe derselben Zusammensetzung wie in Tabelle 1, sie wurde aber 1 Stunde bei 985° C gehalten, in Luft abgekühlt, dann bei 595° C 8 Stunden angelassen und wieder in Luft abgekühlt.

In Tabelle 3 ist die Zugfestigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit der oben angegebenen Zusammensetzung an einer 1,78 mm dicken Blechprobe mit NASA-Scharfkerbe (zwei symmetrische 60°-Kerben mit einem Radius im Kerbgrund von maximal 0,025 mm und einer Formzahl a_k > 17) ermittelt, die bei 790° C 1 Stunde geglüht und in Luft abgekühlt worden war, und zwar einmal ohne weitere Behandlung und zum anderen nach einer weiteren 95stündigen Glühung bei 540° C und anschließender Luftkühlung.

In Tabelle 4 sind Ergebnisse von Versuchen an zwei Proben aus 6% Al, 2% Sn, 1,8% Zr, 1% Mo, 0,108% O₂, Rest Titan, aufgeführt, die unterschiedlicher Wärmebehandlung unterworfen wurden. Bei der Probe 1 handelt es sich um einen Rundstab und bei der Probe 2 um einen Walzblechabschnitt. Die Probe 1 wurde in einem Kerbschlagbiegeversuch bei Raumtemperatur und bei —62° C (Charpyscher Pendelschlaghammertest) untersucht; die Probe 2 nur bei —62° C. Außerdem wurden Zugfestigkeit, Streckgrenze, Einschnürung und Dehnung der Proben bei Raumtemperatur ermittelt.

Die Abmessung der Proben ist wie folgt:

Probe 1:

Rundstab mit 11,5 mm Durchmesser und 54,86 mm Länge und einer 60°-Kerbe in der Probenmitte, deren Grundradius 0,254 mm und Durchmesser 9,68 mm betragen.

Probe 2:

Charpy-'V'-Kerbprobe üblicher Art mit 10mm^D und 54,86 mm Länge mit einer 45°-V-Mittelkerbe, Kerbgrundradius 0,254 mm und einer Kerbtiefe von 2 mm.

Wie aus den Ergebnissen des Kerbschlagbiegeversuchs gemäß Tabelle 4 ersichtlich, weist die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung gute Zähigkeitseigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch .bei —62° C auf. Zugfestigkeit und Dehnung im wärmebehandelten Zustand sind ebenfalls gut, wobei diese Eigenschaften auch in einer Schweißzone keine wesentliche Beeinträchtigung erfahren. Beachtenswert ist die Duktilität, wie sie durch die Einschnürung von 38% und die Dehnung von 18% bei der geschweißten Probe ausgewiesen ist.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung läßt sjch nach einem bekannten Verfahren herstellen, nach welchem das Titan und die Legierungselemente unter Bildung einer im wesentlichen homogenen Zusammensetzung miteinander verschmolzen werden. Titanschwamm der geforderten Reinheit, insbesondere in bezug auf seinen Sauerstoffgehalt, wird mit feinzerkleinertem Aluminium, Zinn, Zirkon und Molybdän in den richtigen Mengenverhältnissen gemischt

und das Gemisch zu Körpern verpreßt. Die Preßkörper werden zu einer Elektrode verschweißt, die in einem mit Abschmelzelektrode arbeitenden Lichtbogenschmelzofen zu einem Legierungsblock ver

arbeitet wird. Der so hergestellte Legierblock kann als Elektrode neuerlich zu dem endgültigen Legierblock umgeschmolzen werden, um die Homogenität zu verbessern.

Tabelle 1

12,7 mm Profil	Raumtemperatur	Bei 426° C
Zugfestigkeit (kp/mm²) Streckgrenze (0,2%-Grenze) (kp/mm²) Einschnürung (%) Dehnung auf 2,54 cm (%)	96,0 86,8 45 19	61,0 50,0 48 17

Tabelle 2

Vierkant-Schmicdestab	90,0 80,0 36 18	Nach Belastung mit 21.10 kp/mm² auf die Dauer von 8 Stunden bei 540° C
Zugfestigkeit (kp/mm²) Streckgrenze (0,2%-Grenze) (kp/mm²) Einschnürung (%) Dehnung auf 2,54 cm (%) Kriechverformung (%)	90,0 84,0 38 18 0,25

	Tabelle 3	97,0	Nach 95stündiger Erwärmung auf 540°C und Abkühlung in Luft
			94,0
Zugfestigkeit (kp/mm²)

Tabelle 4

K²¹

mkp
Raumtemperatur

-62^CC

Z³¹ S⁴¹ E^S| D⁶'

gemessen bei Raumtemperatur

kp/mm² kp/mm² % %

Probe 1

im Walzzustand

815°C, 2 Stunden, LK

815° C, 2 Stunden, LK; 54O⁰C, 4 Stunden, LK

95O⁰C, 15 Minuten, LK

950°C, 15 Minuten, LK; 540⁰C, 4 Stunden, LK

1040⁰C, 5 Minuten, LK

1040⁰C, 5 Minuten, LK; 54O⁰C, 4 Stunden, LK

Probe 2

im Walzzustand

950° C, 15 Minuten. LK

95O⁰C, 15 Minuten, LK

950°C, 15 Minuten, LK; 54O⁰C, 4 Stunden, LK 950⁰C, 15 Minuten, LK; 540° C, 4 Stunden, LK 1040⁰C, 5 Minuten, LK; 540° C, 4 Stunden, LK 1040°C, 5 Minuten, LK; 540°C, 4 Stunden, LK

im geschweißten Zustand

LK = Luftkühlung. Z³) = Zugfestigkeit.

R¹) = Prüfrichtung. S⁴) = Streckgrenze.

L = Walzlängsrichtung, E⁵) = Einschnürung.

Q = Walzquerrichtung. D⁶) = Dehnung.
K²) = Kerbschlagzähigkeit.

L
L
L
L
L
L
L

Q
Q
L
L
Q

3,06
3,15
2,89
4,35
3,73
4,42
4,03

2,76 2,89 2,55 3,42 3,15 3,31 3,17

2,76 2,04 3,84 2,73 4,97 2,48 2,42 3,06 3,15 3,38

107,56 99,12

103,34 97,72

101,23 95,61 97,72

101,93 103,34 95,61 95,61 96,31 97,72 97,01 95,61 96,31

100,53 92,79 97,72 89,28 96,31 82,25 85,06

95,61 99,12 87,17 88,58 89,98 90,69 87,88 85,77 86,47

42 44 43 46 45 27 28

32 35 33 36 37 35 31 36 38

14 13 17 15 21 17 15 20 18

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer Titanlegierung mit

5,5 bis 6,5% Aluminium,

1,7 bis 2,3% Zinn, 0,7 bis 3,0% Zirkonium,

0,7 bis 3,0% Molybdän,

bis zu 0,16% vorzugsweise

0,08 bis 0,16% Sauerstoff,

Rest Titan

und übliche Verunreinigungen als Werstoff für Gegenstände, die ein geringes spezifisches Gewicht, Hochwarmfestigkeit, Kriechfestigkeit, gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit erfordern und auch bei tiefen Temperaturen den

Beanspruchungen, wie sie insbesondere im Flugzeug- und Raketenbau auftreten, standhalten.
2. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus

6% Aluminium,

2% Zinn,

2% Zirkonium,

1% Molybdän,

bis zu 0,12%, vorzugsweise

0,08 bis 0,12% Sauerstoff,

Rest Titan

und übliche Verunreinigungen, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

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