DE3409614A1

DE3409614A1 - Vorlegierung fuer die herstellung einer titanlegierung

Info

Publication number: DE3409614A1
Application number: DE19843409614
Authority: DE
Inventors: Hermann 8510 Fürth Andörfer
Original assignee: ELEKTROMETALLURGIE GmbH; GfE Gesellschaft fuer Elektrometallurgie mbH
Current assignee: ELEKTROMETALLURGIE GmbH; GfE Gesellschaft fuer Elektrometallurgie mbH
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1985-09-19
Also published as: US4605436A; JPS60228630A; GB8506600D0; GB2155955A; GB2155955B; DE3409614C2

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung einer Titanlegierung, die neben Titan die Legierungselemente Sn, Zr, Mo und Al enthält, unter Verwendung einer Vorlegierung. Die Erfindung betrifft spezielle Vorlegierungen, die für die Herstellung solcher Titanlegierungen verwendet werden können. Insbesondere handelt es sich um Titanlegierungen der Zusammensetzung Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (vergl. AMS 4975B, 1968, und AMS 4976A, 1968). Solche Titanlegierungen werden insbesondere in der Luftfahrt und in der Raumfahrt eingesetzt. Für viele Anwendungsfälle werden an diese Titanlegierungen extreme Anforderungen in bezug auf das Verhältnis der Legierungselemente und in bezug auf die Reinheit gestellt.

Für die Herstellung von Titanlegierungen der beschriebenen Zusammensetzung wird im allgemeinen Titanschwamm mit einer Zweistoff-Vorlegierung auf Basis von z. B. Al und Mo sowie mit metallischen Komponenten, wie Zr als Zr-Schwamm, und Sn gemischt. Die Mischung wird zu Abschmelzelektroden verarbeitet, die im Vakuum-Lichtbogenofen zu Ingots abgeschmolzen werden. Wiederholtes Umschmelzen ist erforderlich, um ausreichende Homogenität der Titanlegierung zu erreichen (Metall J56, 1982, S. 659 ff.). Allerdings sind für die Herstellung von Titanlegierungen auch Vorlegierungen bekannt, die neben Al die Elemente Zr, Mo, Ti und im Rest übliche Beimengungen enthalten. Diese bekannten Vorlegierungen decken aber nicht den gesamten Bedarf der Titanlegierungen an Legierungselementen. Es müssen also zur Herstellung der Titanlegierung weitere Elemente zulegiert werden. Auch stehen die Legierungselemente in der Vorlegierung nicht in der Ratio der Legierungselemente in der Titanlegierung. Die Herstellung erfolgt aluminothermisch (DE-OS 28 21 406). Für alle bekannten Maßnahmen gilt, daß die fertige Titanlegierung häufig in bezug auf das Verhältnis der Legierungselemente und in bezug auf die Reinheit nicht den Anforderungen genügt. Insbesondere stellt man störend hohe

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Nitrideinschlüsse fest. Beim Zulegieren von weiteren, durch die Vorlegierung nicht gedeckten Legierungselementen wird außerdem häufig Sauerstoff in die Titanlegierung eingeschleppt, was unmittelbar oder wegen der Bildung von Oxideinschlüssen stört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie Titanlegierungen der angegebenen Richtanalysen und andere mit sehr genauem Verhältnis der Legierungselemente und mit extrem geringem Gehalt an Verunreinigungen hergestellt werden können. Insbesondere sollen störende Nitrideinschlüsse sowie ein zu hoher Sauerstoffgehalt vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung die Verwendung einer Legierung der Richtanalyse

Sn 11 bis 13 Gew.-%,

Zr 11 bis 13 Gew.-%,

Mo 22 bis 24 Gew.-%,

Cr 22 bis 24 Gew.-%,

Al,

Rest unvermeidbare Beimengungen weniger als 0,5 Gew.-% in der Summe,

als Vorlegierung für die Herstellung einer Titanlegierung, welche die Legierungselemente Al, Sn, Zr, Mo, Cr enthält, im Vakuum-Lichtbogenofen mit Hilfe von aus der Vorlegierung aufgebauten Abschmelzelektroden, - mit der Maßgabe, daß alle Legierungselemente der Titanlegierung, bis auf das Titan, in der Vorlegierung in der Ratio enthalten sind, die dem Verhältnis der Gewichtsprozente der Legierungselemente in der hergestellten Titanlegierung entspricht. Der Aluminiumgehalt liegt, unter Berücksichtigung der Beimengungen, so, daß die angegebenen Gewichtsprozente sich zu 100 % ergänzen. Es versteht sich, daß bei der Verwendung der Vorlegierung nach der

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Lehre der Erfindung die üblichen Mischregeln beachtet werden. Es versteht sich fernerhin, daß im Rahmen der Erfindung zuweilen geringe Korrekturzugaben von Legierungselementen zur Titanlegierung erfolgen können, was jedoch das Ergebnis nicht beeinflußt.

Ohne Schwierigkeiten läßt sich erreichen, daß die Elemente in der Vorlegierung (einschließlich des Al) so eingestellt sind, daß die Vorlegierung einen Schmelzpunkt aufweist, der unter dem des Titans liegt. Das erleichtert die Zulegierung der aus der Vorlegierung stammenden Elemente in dem Vakuum-Lichtbogenofen und führt zu einem sehr homogenen Produkt. Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang auch, daß die Vorlegierung homogene Zusammensetzung und überall gleiche Körnung aufweist. Der Schmelzpunkt der genannten Vorlegierungen liegt zwischen 1400 bis 1450° C.

Um eine Titanlegierung mit besonders niedrigen Gasgehalten herzustellen, wird zweckmäßigerweise mit einer Vorlegierung gearbeitet, die ihrerseits niedrigste Gasgehalte von z. B. 0,001 bis 0,005 % N und 0,04 bis 0,06 % O aufweist und auf besondere Weise hergestellt ist. Dazu lehrt die Erfindung, daß die Vorlegierung in einem zweistufigen Verfahren hergestellt worden ist, wobei in der ersten Stufe eine Zwischenlegierung aus Mo und Al aus den Ausgangsstoffen aluminothermisch hergestellt wird, Al-Gehalt zumindest 15 %, und wobei die Zwischenlegierung sowie die weiteren Elemente der Vorlegierung, ggf. einschließlich des weiteren Gehaltes an Al, in einem Vakuuminduktionsofen eingebracht und daraus die Vorlegierung erschmolzen, entgast und von Aluminiumoxideinschlüssen befreit wurde. Zweckmäßigerweise wird die Vorlegierung in einem Al₂0₃/Mg0/Spinell-Tiegel erschmolzen und nach der Entgasung bei induktionsbedingter Badbewegung und einer Schmelztemperatur von etwa 1400° C bis zur Abscheidung der Aluminiumoxideinschlüsse flüssig gehalten.

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Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei Verwendung der angegebenen Vorlegierung unter Beachtung der spezifizierten Maßgaben überraschenderweise Titanlegierungen entstehen, in denen die Legierungselemente mit sehr genauen Verhältnissen vorliegen und die sich durch extrem geringen Gehalt an Verunreinigungen auszeichnen, die insbesondere störende Nitridgehalte nicht mehr aufweisen.

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Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen Ausführungsbeispiel

In einem Vakuuminduktionsofen werden eingesetzt:

9,52 kg MoAl 74,6 % Mo

6,24 kg Al-Granalien 99,7 % Al

3,56 kg Sn-Metall 99,9 % Sn

3,56 kg Zr-Metall 99,0 % Zr

7,18 kg Cr-Metall 99,0 % Cr

Die Einsatzstoffe werden eingeschmolzen, entgast und unter Argon Schutzgas für 1/2 Std. flüssig gehalten. Dabei wird eine Temperatur im flüssigen Bad von etwa 1350° C eingestellt. Abgegossen wird bei 1300° C unter Argon Schutzgas. Die Abkühlung erfolgt über 2 Std. bei 200 Torr Argon.

Ausgebracht werden:

29,05 kg Al-Sn-Zr-Mo-Cr 5-2-2-4-4

mit 28,8 % Al 0,008 % C

11,7 % Sn 0,001 % B

11.6 % Zr 0,003 % W

23.7 % Mo 0,003 % Pb

23.8 % Cr 0,04 % O 0,16 % Fe 0,005 % N 0,01 % Si

(Durch Zusatz von Si-Metall 99,7 % Si kann der Si-Gehalt der Legierung auf einen kontrollierten Wert eingestellt werden.)

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Mit Hilfe von aus diesen Vorlegierungen aufgebauten Abschmelzelektroden konnten im Vakuum-Lichtbogenofen die eingangs angegebenen Titanlegierungen nach AMS 4975 B (1968) bzw. nach AMS 4976A (1968) mit extrem hohem Reinheitsgrad und insbesondere ohne störenden Sauerstoffgehalt sowie ohne störende Nitrideinschlüsse erschmolzen werden.

Im einzelnen wurde wie folgt gearbeitet: Zur Herstellung der Vorlegierung wird in einer ersten Stufe eine MoAl-Legierung durch aluminothermische Reduktion in speziellen Abbrandgefäßen hergestellt. Dazu wird reines Molybdän(VI)-Oxid mit mehr als 99,9 % Mo03 mit Aluminium in einem Reinheitsgrad von 99,8 % Al innig gemischt und in einem Abbrandgefäß durch Initialzündung zur Reaktion gebracht. Die exotherme Reaktion garantiert einwandfreie Trennung von Metall und Korundschlacke. Auf zusätzliche Flußmittel, um die Viskosität der Schlacke herabzusetzen, kann verzichtet werden. Dies ist von Vorteil, da durch die Zugabe von Flußmitteln die Gefahr einer Verunreinigung der Legierung nicht auszuschließen ist. Neben dem stöchiometrischen Aluminium-Versatz für die Reduktion wird die Zugabe eines Überschusses so berechnet, daß eine Legierung mit 72 - 75 % Mo und 25 - 28 % Al resultiert. Die Herstellung dieser MoAl 75:25 Legierung erfolgt in Blockgrößen bis zu 500 kg Metallgewicht.

Die Erschmelzung der Vorlegierung erfolgt dann in einer zweiten Stufe in einem Vakuuminduktionsofen. Dazu wird das Einsatzmaterial, bestehend aus einwandfrei sauberem MoAl 75:25, Aluminium 99,7 % Al, Zirkon-Metall, Rein-Zinn und ggf. Chrom-Metall 99,3 % Cr aus aluminothermischer Produktion über Vakuumschleuse in einem Al₂O₃/MgO/ Spinell-Tiegel eingeschmolzen. Nach der Entgasung wird bei 100 Torr Argon Schutzgasatmosphäre eine zeitlich längere Flüssigkeitsphase gehalten und durch die induktive Badbewegung ein Raffinationseffekt

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erreicht, der es ermöglicht, Al₂O₃-EInSChIUsSe der aluminothermischen Vorlegierung zu entfernen. Weiterhin wird durch diese Badbewegung eine optimale Homogenität erreicht. Der gesamte Schmelzvorgang wird exakt kontrolliert und dabei besonders die Schmelztemperatur beachtet, damit die bei der aluminothermischen Reaktion zwangsläufig auftretende Überhitzung vermieden wird. Ein Reduktionsprozeß wird in dieser zweiten Stufe nicht durchgeführt. - Abgegossen wird in Stahlkokillen unter 100 Torr Argon Schutzgas. Abkühlung der Legierung erfolgt unter 200 Torr Argon. Die erzeugten Mehrstoff-Vorlegierungen können problemlos zerkleinert und zu Abschmelzelektroden verarbeitet werden.

Claims

Andrejewski, Honke & Partner 34096U Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 441/MB- 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 100254

1. März 1984

P atentanmeldung

GfE Gesellschaft für Elektrometallurgie mbH

Grafenberger Allee 159 Düsseldorf 1

"Vorlegierung für die Herstellung einer Titanlegierung"

Patentansprüche: 1. Verwendung einer Legierung der Richtanalyse

Sn 11 bis 13 Gew.-%,

Zr 11 bis 13 Gew.-%,

Mo 22 bis 24 Gew.-%,

Cr 22 bis 24 Gew.-%,

Al,

Rest unvermeidbare Beimengungen weniger als 0,5 Gew.-% in

der Summe,

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als Vorlegierung für die Herstellung einer Titanlegierung, welche die Legierungselemente Al, Sn, Zr, Mo, Cr enthält, im Vakuumlichtbogenofen mit Hilfe von aus der Vorlegierung aufgebauten Abschmelzelektroden, - mit der Maßgabe, daß alle Legierungselemente der Titanlegierung, bis auf das Titan, in der Vorlegierung in der Ratio enthalten sind, die dem Verhältnis der Gewichtsprozente der Legierungselemente in der herzustellenden Titanlegierung entspricht.

2. Verwendung nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Elemente in der Vorlegierung (einschließlich des Al) so ausgewählt sind, daß die Vorlegierung einen Schmelzpunkt aufweist, der unter dem von Titan liegt.

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß die Vorlegierung in einem zweistufigen Verfahren hergestellt worden ist, wobei in der ersten Stufe eine Zwischenlegierung aus Mo und Al aus den Ausgangsstoffen aluminothermisch hergestellt wurde, Al-Gehalt zumindest 15 Gew.-%, und wobei die Zwischenlegierung sowie die weiteren Elemente der Vorlegierung, ggf. einschließlich des weiteren Gehaltes der Titanlegierung an Al, in einem Vakuuminduktionsofen eingebracht wurden un,d daraus die Vorlegierung erschmolzen, entgast und von Aluminiumoxideinschlüssen befreit wurde.

4. Verwendung nach Anspruch 3 mit der Maßgabe, daß die Vorlegierung in einem Al ₂O₃/MgO/Spinell-Tiegel erschmolzen und nach der Entgasung bei induktionsbedingter Badbewegung bis zur Abscheidung der Aluminiumoxideinschlüsse flüssig gehalten wurde.