DE1558460B1

DE1558460B1 - Verfahren zur Herstellung von Mikrodispersionen in Titan oder Titanlegierungen

Info

Publication number: DE1558460B1
Application number: DE19671558460
Authority: DE
Inventors: Vordahl Milton Bernard
Original assignee: CONTIMET GmbH
Current assignee: CONTIMET GmbH
Priority date: 1966-06-20
Filing date: 1967-04-08
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1124435A; US3379522A; BE699665A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Mikrodispersionen in Titan oder Titanlegierungen. Bei den Dispersionen handelt es sich um die Elemente Bor, Cer, Schwefel und Thorium, deren Verbindungen untereinander oder mit anderen Elementen.
Gemäß der Erfindung soll die aus Titan oder einer Titanlegierung bestehende Matrix zusammen mit den in feinverteilter Form in ihr enthaltenen Dispersionen homogen geschmolzen und dann in Kokillen gegossen werden. Die Schmelze wird durch Spritzen an eine kalte Kokillenwand granuliert. Die Teilchen sollen vorzugsweise mit einer Größe von 50 bis zu einigen hundert #tm gegossen werden. Das Granulat kann durch Warmpressen verdichtet und gegebenenfalls unter Druck im warmen Zustand plastisch zu einem Gegenstand mit hoher Dichte verformt werden.
Bei dem beschriebenen Gießvorgang werden die dispergierten Einlagerungen in der Matrix in extrem großer Feinheit eingelagert, obwohl sie im festen Zustand in ihr unlöslich sind, weil ihnen durch das schnelle Abgießen keine Zeit zum Wachsen gegeben wird. So stellen sich die Einschlüsse als mikrofeine Dispersionen in den Granulatkörnern dar, die, obwohl selbst sehr fein, im Verhältnis zu den in ihnen dispergierten Teilchen sehr grob sind. So mögen die Granulatkörner eine Teilchengröße von 50 bis zu einigen hundert V.m besitzen, während die darin dispergierten Teilchen eine Größe von weniger als 1 #zm haben.
Die Vorteile von Einschlüssen in feinverteilter Form in Legierungen für Hochtemperaturzwecke sind bekannt und ebenfalls verschiedene Verfahren zu ihrer Herstellung. Ublicherweise werden Dispersionen in einer Matrix durch Ausscheidung während einer geeigneten Wärmebehandlung erzeugt. Die Legierungen enthalten dabei Komponenten, welche im festen Zustand der Legierung in ihr löslich sind, und zwar bei höheren Temperaturen mehr und bei niedrigen Temperaturen weniger. Da die meisten dieser durch Ausscheidung erzeugten Komponenten bei höheren Temperaturen in der Grundlegierung löslich sind, sind sie in diesem Temperaturbereich nur von geringem Nutzen. Bei höheren Temperaturen sind daher Dispersionen erwünscht, welche im festen und flüssigen Zustand in der Matrix nicht löslich sind.
Legierungen, welche unlösliche, stabile und inerte Dispersionen enthalten, und Verfahren zu ihrer Herstellung sind ebenfalls bekannt. Das meist angewandte übliche Verfahren besteht darin, das zu außerordentlich feinem Pulver gemahlene Matrixmetall mit den in ebenfalls pulverförmigem Zustand vorliegenden Dispersionen innig zu mischen, zu pressen und zu sintern. Im Falle von Titan ist diese Verfahrensweise aber wegen der hohen Reaktionsfähigkeit von feinem Titanpulver und der großen Löslichkeit von Verunreinigungen, z. B. von Sauerstoff, nicht geeignet. Granulatkörner, wie sie gemäß der Erfindung hergestellt werden, haben dagegen eine einige hundertmal kleinere Oberfläche in bezug auf ihre Masse als gewöhnliche Pulver; ihre Handhabung ist daher nicht schwierig.
Eine andere bekannte Verfahrensweise zur Erzeugung stabiler Dispersionen besteht in der inneren Oxydation von festen Lösungen reaktionsfreudiger Metalle in einem weniger reaktionsfähigen Matrixmetall, z. B. Titan in fester Lösung mit bestimmten Seltenen f Erdmetallen, die an Ort und Stelle zu stabilen Oxydpartikeln oxydiert werden können. Die miteinander gekoppelten Forderungen nach Löslichkeit mit der metallischen Komponente im festen Zustand und größerer Reaktionsfähigkeit als Titan begrenzen die Möglichkeiten für eine Verwendung der Seltenen Erden als Dispersionsstoffe. Darüber hinaus sind die Oxyde der Seltenen Erden nur in Titan stabil, das selbst einen Sauerstoffgehalt enthält, der gewöhnlich unerwünscht ist.
Erfindungsgemäß hergestellte Mikrodispersionen ergeben im daraus gefertigten Werkstück bessere Kriecheigenschaften - bei erhöhten Temperaturen als sie bei Titan und Titanlegierungen mit eingelagerten Stoffen in feinverteilter Form bisher festgestellt werden konnten.
An Hand des nachfolgenden Beispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Beispiel Es werden flüssige Titanlegierungen mit bis 2% Bor, bis 6% Thorium, bis 3% Cer, 1% Schwefel, einzeln oder gemeinsam, in einer solchen Menge, daß ein Maximum von etwa 5 Volumprozent Teilchen gebildet wird, wie oben beschrieben granuliert. Das Granulat wird dann durch bekannte Verfahren, z. B. Heißpressen, verdichtet. Aus den warmgepreßten Knüppeln werden durch gebräuchliche Mittel Walzerzeugnisse hergestellt.
Die beste Brauchbarkeit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, inerte Dispersionen enthaltenden'Legierungen tritt unter La ngzeit- und/ oder Hochtemperaturbedingungen auf.

Die folgende Tabelle I zeigt die Kriechfestigkeit einer Titanlegierung nach Langzeitalterung ohne und mit inerten mikrofeinen Dispersionen gemäß der Erfindung:

Tabelle I

Kriechverformung

gealtert während

200 Stunden bei 600'C

Legierung und belastet mit

21 kg/mm2 bei 550°C

für eine Dauer

von 150 Stunden

Ti-6A1-2 Sn-4 Zr-2 Mo . . . . . . . . . . 0,421

Ti-6A1-2 Sn-4 Zr-2 Mo-1,7 Ce-0,5 S 0,167

Durch die erfindungsgemäß hergestellten Dispersionen konnte demnach die Kriechverformung um annähernd 60% gegenüber einer Legierung ohne dieselben verringert werden.

Der Einfluß der Teilchengröße von feinverteilten Einschlüssen in Titan und Titanlegierungen wird durch den nachfolgenden Vergleich erläutert. Es wurde ein Dispersionsstoff in einer sehr groben Körnung hergestellt und die Kriechverformung an zwei Titanlegierungen mit und ohne -Dispersionen gemäß Tabelle II bestimmt:

Tabelle II

Kriechverformung

Legierung 550°C - 21 kg/mm=-

150 Stunden

Ti-8A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,06%

Ti-8A1 und dispergierte Ein-

schlösse 0

...... ............. 0,20%

Fortsetzung

Kriechverformung

Legierung 550 (- --- 21 I kg mm=

150 Stunden

Ti-8A1-1 Mo-IV . . . . . . . . . . . . . . . 0,26%

Ti-8A1-1 Mo-1V und dispergierte

Einschlüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,50%

Aus der Tabelle II ist ersichtlich, daß grobe Dispersionen das Kriechverhalten schädlich beeinflussen. Im Gegensatz dazu ist aus der nachfolgenden Tabelle III der günstige Einfluß feiner Dispersionen mit einer Teilchengröße von etwa 1 j.m erkennbar:

Tabelle III

Kriechverformung

Legierung 550° C - 21 kg/mm= -

150 Stunden

Ti-Al ........................ 0,06%

T1-Al und dispergierte Ein-

schlüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,005%

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Mikrodispersionen der Elemente Bor, Cer, Schwefel und Thorium, deren Verbindungen untereinander oder mit anderen Elementen in Titan oder Titanlegierungen, wobei das Titan oder die Titanlegierung zusammen mit den Dispersionen homogen geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze zur Bildung feinverteilter Mikrodispersionen in dem erstarrten Titan oder der Titanlegierung durch Spritzen an eine kalte Kokillenwand zu kleinen Teilchen granuliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in Teilchen einer Größe von 50 bis einigen hundert #tm gegossen wird und die darin eingelagerten Dispersionen eine Teilchengröße von weniger als 1 #tm aufweisen.