DE3837544C2

DE3837544C2 - Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246-Legierung

Info

Publication number: DE3837544C2
Application number: DE3837544A
Authority: DE
Inventors: Michael Price Smith; Edgar Earl Brown; Martin John Blackburn
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: DE3837544A1; GB2212432B; JP2728905B2; GB8825543D0; FR2623523A1; US4842652A; FR2623523B1; GB2212432A; JPH01162755A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Art.

Ein solches Verfahren ist aus der US 45 43 132 bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Titanlegierungen werden weitgehend für Hochleistungszwecke be nutzt, z. B. in Gasturbinentriebwerken. Für jeden Verwendungs zweck gibt es ein anderes Gleichgewicht der verlangten Eigen schaften. Bei der Verwendung in Gasturbinentriebwerken gibt es jedoch eine gemeinsame Forderung für eine gute Dauerschwingfe stigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele in Kombina tion mit einer hohen Bruchzähigkeit und guten Zugfestigkeits eigenschaften. Niedrige Rißbildungs- und -wachstumsgeschwin digkeiten bei Wechselbeanspruchung sind besonders wichtige Faktoren bei rotierenden Teilen wie Gasturbinenscheiben, die dauerfest sein müssen und im Falle einer Beschädigung rißausbreitungsbeständig sein müssen. Sollte sich ein Riß bil den, wird die begrenzende Größe vor einem schnellen Ausfall durch die Bruchzähigkeit des Materials gesetzt. Je größer der Wert ist, umso rißbeständiger ist das Material. Für Scheiben, die bei höheren Temperaturen (< 260°C) arbeiten, werden gute Zeitstandeigenschaften zusammen mit Freiheit von Eigen schaftsverschlechterung während langzeitiger Beaufschlagung mit höheren Temperaturen verlangt.

Die Ti-6246-Legierung (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo) ist für Gas turbinentriebwerkszwecke wegen ihrer guten Zugfestigkeit und Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Last spiele attraktiv. Leider zeigt bislang diese Legierung, wenn sie herkömmlich bearbeitet wird, eine relativ geringe Bruchzähigkeit und eine beträchtliche Verringerung der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Last spiele, wenn die Oberfläche des aus ihr hergestellten Gegen stands auch nur geringfügig beschädigt, d. h. verkratzt ist. Diese Nachteile haben den Gebrauch dieser Legierung in Gastur binentriebwerken begrenzt.

Bei dem aus der US 45 43 132 bekannten Verfahren wird während der Wärmebehandlung der geschmiedeten Legierung mit zwei Temperaturplateaus gearbeitet, nämlich

a) während des Lösungsglühens in einem Temperaturbereich von 27,8 bis 83,3°C unter der Betatransustemperatur, und

b) während des Auslagerns mit einer Temperatur, die zwischen 482,2 und 648,9°C liegt.

Ferner erfolgt bei dem bekannten Verfahren die Beta-Alpha- Transformation während einer kontinuierlichen Abkühlung, bei der eine Abkühlgeschwindigkeit von ungefähr 11 bis 56°C pro Minute eingehalten werden muß. Das ist schwierig, und die er zielbaren Bruchzähigkeits- und Dauerschwingfestigkeitseigen schaften lassen zu wünschen übrig.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Art zu schaffen, mit wel chen sich eine Ti-6246-Legierung mit besseren Bruchzähigkeits- und Dauerschwingfestigkeitseigenschaften erzielen läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Verfahren mit den in den Patentansprüchen 1 oder 2 angebenen Schritten gelöst.

Die erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten bei dem Lösungsglühen der geschmiedeten Legierung mit einer Temperatur, die inner halb eines Bereiches von 27,8°C unterhalb der Betatransustem peratur liegt, also mit einer bis auf den Grenzwert selbst hö heren Lösungsglühtemperatur als bei dem aus der US 45 43 132 bekannten Verfahren. Neben den unterschiedlichen Bereichen der Lösungsglühtemperaturen unterscheiden sich die erfindungsgemä ßen Verfahren von dem bekannten Verfahren weiter durch die verschiedenen Temperaturplateaus, die während der Wärmebehand lung durchlaufen werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren ar beiten nicht mit zwei, sondern mit drei verschiedenen Temperaturplateaus, nämlich

a) während des Lösungsglühens in einem Temperaturbereich von 0 bis 27,8°C unter der Betatransustemperatur,

b) während des Abschreckens mit einer Temperatur von 204,4 bis 760°C, und

c) während der Ausscheidungsbehandlung mit einer Temperatur zwischen 593,3 und 648,9°C.

Außerdem erfolgt bei den erfindungsgemäßen Verfahren die Beta- Alpha-Transformation isotherm durch Abschrecken in einem Salz bad von konstanter Temperatur bzw. isotherm beim erneuten Er hitzen nach dem Abschrecken der Legierung. Den beiden erfin dungsgemäßen Verfahren ist also gemeinsam, daß die Beta-Alpha- Transformation bei konstanter Temperatur erfolgt, im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, bei dem die Beta-Alpha-Transforma tion während kontinuierlicher Abkühlung erfolgt, bei der eine bestimmte Abkühlgeschwindigkeit eingehalten werden muß. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren muß die Abkühlung nicht so langsam und kontrolliert erfolgen, vielmehr kann die Abkühlung bis zum Lösungsglühen rasch erfolgen. Das ist weniger aufwen dig. Darüber hinaus führen die erfindungsgemäßen Verfahren zu hervorragenden Bruchzähigkeits- und Dauerschwingfestigkeitsei genschaften mit sehr feinen Alphaplättchen in Betagebieten. Durch die erfindungsgemäßen Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246-Legierung erhält diese Legierung also verbesserte Ei genschaften durch isothermisches Schmieden des Ausgangsmateri als in dem Beta-Phase-Feld, Lösungsglühen des geschmiedeten Gegenstands in dem Alpha-Plus-Beta-Feld, rasches Abkühlen und Ausscheidungsbehandeln bei 593,3 bis 648,9°C.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Beziehung zwischen der Querschnittsdicke und der Abkühltechnik,

Fig. 2 eine Mikrophotographie von erfindungsgemäß bearbeite tem Material,

Fig. 3 die Zugfestigkeitseigenschaften von erfindungsgemäß bearbeitetem Material und von auf bekannte Weise be arbeitetem Material, und

Fig. 4 Bruchzähigkeitswerte für erfindungsgemäß bearbeitetes Material und für auf bekannte Weise bearbeitetes Ma terial.

Die Erfindung beinhaltet ein thermisches/mechanisches Verfah ren zum Verbessern von gewissen Eigenschaften der Titanlegie rung Ti-6246 ohne übermäßiges Reduzieren von anderen wichtigen Eigenschaften. Die kommerziellen Zusammensetzungsgrenzwerte für die Legierung Ti-6246 sind in Tabelle I angegeben.

(Gewichtsprozent)
Al	5,5-6,5
Zr	3,5-4,5
Sn	1,75-2,25
Mo	5,5-6,5
Rest im wesentlichen Titan

Diese Legierung kann folgendermaßen bearbeitet werden, um die Bruchzähigkeit zu verbessern und die Empfindlichkeit der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Last spiele für Oberflächendefekte zu reduzieren. Der erste Schritt besteht darin, das Material in dem Beta-Phase-Feld zu schmie den. Bei dieser Legierung liegt die Betatransustemperatur bei 943,5°C, und der Schmiedevorgang wird deshalb oberhalb dieser Temperatur ausgeführt, vorzugsweise aber innerhalb von 55,6°C der Betatransustemperatur. Alle Teile des Legierungsgegen stands müssen während des Schmiedens oberhalb der Betatransustemperatur bleiben. Das macht es erforderlich, Ge senke zu benutzen, die auf eine Temperatur erhitzt werden, welche das Abkühlen der Legierungsoberfläche unter die Betatransustemperatur während des Schmiedens verhindert. Die Gesenke werden vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Betatransustemperatur erhitzt und ebenfalls vorzugsweise auf eine Temperatur innerhalb von 27,8°C der gewünschten Schmie detemperatur. Zum Erzielen der gewünschten Resultate sollte der Schmiedevorgang eine Querschnittsverringerung von wenig stens etwa 50% ergeben, insbesondere in kritischen Teilberei chen.

Das Schmiedestück wird dann bei einer Temperatur unter der Betatransustemperatur lösungsgeglüht, vorzugsweise zwischen 887,8°C und 943,5°C, d. h. unterhalb, aber innerhalb von 55,6 °C der Betatransustemperatur. Die Lösungsglühzeit wird im all gemeinen etwa 1 bis etwa 4 Stunden betragen.

Ein wichtiger Schritt in dem Verfahren ist der Abkühlschritt nach dem Lösungsglühen. Die Abkühlgeschwindigkeit muß kontrol liert werden, damit das richtige Gleichgewicht zwischen Festigkeits- und Bruchzähigkeits-/Duktilitätseigenschaften er zielt wird. Die Abkühlgeschwindigkeit ist wichtig ab der Lösungsglühtemperatur herunter auf 371,1°C, wo die Legierung thermisch stabil wird. Der kritischste Teil dieses Bereiches ist der zwischen der Lösungsglühtemperatur und 760°C.

Verschiedene Methoden stehen zur Verfügung, um die notwendige Abkühlgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Größe, Masse und Geometrie des Gegenstands zu erreichen. Praktische industri elle Kühltechniken reichen von Luftkühlung (einer langsamen Abkühlgeschwindigkeit) bis Wasserhärtung (einer schnellen Abkühlgeschwindigkeit). Bei einer besonderen Abkühltechnik wird ein Gegenstand mit dünnem Querschnitt (kleiner Masse) schneller Abkühlen als ein Gegenstand mit dickem Querschnitt (großer Masse). Bei einer besonderen Abkühltechnik ist die Querschnittsdicke der Hauptfaktor für die Festlegung der Abkühlgeschwindigkeit. Zum Erzielen einer besonderen Abkühlgeschwindigkeit innerhalb des für die Erfindung notwen digen Bereiches muß daher die Querschnittsgröße des Gegen stands mit der Abkühltechnik koordiniert werden. Fig. 1 zeigt ein Schema, das die geeigneten Abkühltechniken für unter schiedlich dicke Querschnitte veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 können Gegenstände mit dünnem Querschnitt, die eine Dicke von weniger als 25,4 mm haben, mit der notwendigen Geschwindigkeit durch Luftkühlung abgekühlt werden. Dickere Querschnitte bis 152,4 mm können über den kritischen Tempera turbereich mit einer geeigneten Geschwindigkeit abgekühlt wer den, indem sie aus dem Lösungsglühofen direkt in ein Salzbad überführt werden. Teile mit relativ dünnem Querschnitt in der Größenordnung von 25,4-51 mm erfahren die gewünschte Abkühl geschwindigkeit in einem Salzbad mit hoher Temperatur in der Größenordnung von 537,8°C bis 760°C, wogegen relativ dicke Querschnitte in der Größenordnung von 102 bis 152,4 mm die ge wünschte Abkühlgeschwindigkeit in einem Salzbad mit niedriger Temperatur in der Größenordnung von 176,7°C bis 315,6°C er fahren. Für dickere Querschnitte von etwa 102 bis 203 mm kann ein Ölabschreckbad benutzt werden.

Ein alternatives Verfahren für Gegenstände mit extrem dickem Querschnitt (größer als etwa 152,4 mm) besteht darin, sie sehr scharf abzuschrecken, z. B. in Wasser, und sie dann in dem Tem peraturbereich von 815,6°C bis 871,1°C für 1-4 Stunden anzu lassen, d. h. nachzuerwärmen. Das ist die aggressivste Abkühl technik, die für Gegenstände mit dickem Querschnitt anwendbar ist.

Die Abkühlgeschwindigkeit kann als eine tatsächliche mittlere Metallabkühlgeschwindigkeit ausgedrückt werden, die ungefähr gleich der ist, welche ein in ruhender Luft abgekühlter Quer schnitt mit einer Dicke von 6,3 bis 25,4 mm erfährt.

Für Gegenstände variierender Dicke wird die Abkühltechnik so gewählt, daß sich die erfindungsgemäße Abkühlgeschwindigkeit (und deshalb die erfindungsgemäßen Eigenschaften) in demjeni gen Teil des Gegenstands ergibt, der die besten Eigenschaften verlangt.

Zum Modifizieren der Abkühlgeschwindigkeit sind Variationen möglich, insbesondere das Bewegen des Kühlmittels. Außerdem kann die Abkühlgeschwindigkeit eines Wasserbades modifiziert werden, indem Salz oder lösliche Öle zugesetzt werden.

Nach dem Abkühlschritt und ungeachtet der benutzten Alterna tive wird dem Gegenstand eine Ausscheidungsbehandlung bei ei ner Temperatur von 593,3°C, d. h. bei einer Temperatur in dem Bereich von 537,8-648,9°C für etwa 2 bis etwa 16 Stunden ge geben.

Das Schmieden oberhalb der Betatransustemperatur führt zu ei ner nadelförmigen "Würfelbindung"-Alphaphasenmorphologie bei dem anschließenden Abkühlen. Es ist bekannt, daß diese Morpho logie zu größerer Zähigkeit in Titanlegierungen führt, welche üblicherweise von einem Mangel an Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele und Zugduktilität be gleitet ist. Die angegebenen Wärmebehandlungsverfahren führen zu größerer Zähigkeit, ohne einen großen Mangel an Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Last spiele zu verursachen.

Das Lösungsglühen von Alpha-plus-Beta-Titanlegierungen nahe bei, aber unterhalb der Transformationstemperatur vergrößert die Menge an vorhandener Betaphase und begrenzt das Kornwachs tum, welches oberhalb der Betatransustemperatur schnell auftreten würde. Das Vergrößern der Menge an Betaphase vergrö ßert die Legierungsfestigkeit. Der Schlüssel zum Erzielen des gewünschten Eigenschaftsgleichgewichts in der Legierung ist die Bearbeitung nach dem Lösungsglühen, hauptsächlich die Abkühlmethode, bei welcher Mengen an metastabilem Beta, Mar tensit und Alpha erzielt werden. Darüber hinaus wird die Mor phologie des transformierten Alpha während dieser Behandlung ebenfalls festgelegt. Für eine optimale Zähigkeit ist ein gro bes Netzwerk aus Alphaplättchen in einer Widmanstatten ("Würfelbindung")- oder Koloniematrix erforderlich, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das wird erreicht durch Kontrollieren der Abkühlgeschwindigkeit bei Gegenständen mit komplexer Geometrie durch isothermisches Transformieren und Wachsen in einer Salz schmelze oder in einem herkömmlichen Ofen in dem Bereich von 815,6-898,9°C nach einem Wasserhärten, d. h. Abschrecken in Wasser. Während dieses Schrittes zerfällt jeder verbliebene Martensit. Die Ausscheidungsbehandlung führt zur Bildung eines Netzwerks von sehr feinen Alphaplättchen in den Betagebieten.

Die Tabellen I und II zeigen die Zugfestigkeitseigenschaften für die Legierung Ti-6246, die entsprechend den erfindungsgemäßen Ausführungformen mit Abschrecken im Salzbad bzw. Abschrecken in Wasser plus Anlassen bearbeitet worden ist, wobei die in eckigen Klammern angegebenen Werte für auf herkömmliche Weise bearbeitetes Material gelten. Es ist zu er kennen, daß die Zeitdehnwerte für das erfindungsgemäß bearbei tete Material mit denjenigen des auf bekannte Weise bearbeite ten Materials vergleichbar sind. Die Tabellen I und II zeigen auch typische Werte der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die gemäß der Erfindung bearbeitete Legierung Ti-6246 und wie der in eckigen Klammern für das auf herkömmliche Weise bear beitete Material. Hier ist zu erkennen, daß die Werte der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur für die Erfindung beträcht lich größer sind als diejenigen, die sich durch die bekannte Bearbeitung ergeben. Tabelle II zeigt ein merklich verbesser tes Zeitstandverhalten für das erfindungsgemäße Material.

Eine weitere umfangreich benutzte Titanlegierung ist Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo). Diese Legierung wird gegenwärtig stärker als die Legierung Ti-6246 in Gasturbinentriebwerken für umlau fende Teile benutzt, weils sie ein besseres Gleichgewicht aus Bruchzähigkeit und Zugfestigkeitseigenschaften ergibt als die auf bekannte Weise bearbeitete Legierung Ti-6246. Fig. 3 ver gleicht die Zugfestigkeitseigenschaften als Funktion der Temperatur für Ti-6246, bearbeitet gemäß der Erfindung, und Ti-6242. Es ist zu erkennen, daß hinsichtlich der Festigkeit das erfindungsgemäß bearbeitete Material stärker ist als das Material Ti-6242, aber weniger Dehnung hat.

Fig. 4 ist ein Balkendiagramm, welches die Bruchzähigkeit von Ti-6246-Material, das gemäß der Erfindung bearbeitet worden ist, und von Ti-6242-Material, dem zwei verschiedene Bearbei tungen gegeben worden sind, zeigt. Es ist zu erkennen, daß das gemäß der Erfindung bearbeitete Material einen höheren Bruch zähigkeitswert als das Material Ti-6242 hat, und es ist außer dem zu erkennen, daß der Schritt des Abschreckens im Salzbad, der weiter oben als Teil der Erfindung erläutert worden ist, höhere Bruchzähigkeitswerte als der einfache Luftkühlprozeß erzeugen kann. Hinsichtlich der Zeitstandlebensdauer erfährt Ti-6242, dem eine herkömmliche Bearbeitung gegeben wird und das bei 426,7°C/448 MPa getestet worden ist, 0,1% Kriechdeh nung in etwa 55 Stunden, wohingegen Ti-6246, das gemäß der Er findung bearbeitet worden ist, etwa 120 Stunden erfordert, um dasselbe Ausmaß an Kriechdehnung zu erfahren. Bei dem Testen der Dauerwechselfestigkeit versagte herkömmlich bearbeitetes Ti-6242-Material nach 1 × 10⁴ bis 4 × 10⁴ Lastspielen, wogegen Material, das gemäß der Erfindung bearbeitet wurde, keine An zeichen eines Ausfalls bei 3 × 10⁵ Lastspielen zeigte.

Die erfindungsgemäße Bearbeitung stellt daher ein Verfahren dar, durch das gewisse mechanische Eigenschaften von Ti-6246 verbessert werden, ohne daß andere wichtige Eigenschaften übermäßig reduziert werden. Ti-6246, das gemäß der Erfindung bearbeitet worden ist, wird Eigenschaften aufweisen, die ins gesamt besser sind als die von Ti-6242.

Claims

1. Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246-Legierung (Ti- 6Al-2Sn-4Zr-6Mo) mit einer Betatransustemperatur von 943,3°C zum Verbessern der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele und der Zähigkeit, mit folgenden Schritten:

a) Warmgesenkschmieden der Legierung oberhalb der Betatransu stemperatur;
b) Lösungsglühen der geschmiedeten Legierung unterhalb der Betatransustemperatur;
c) Abkühlen der Legierung; und
d) Ausscheidungsbehandeln der geschmiedeten Legierung bei 593,3-648,9°C für 2-16 Stunden,

dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen im Schritt b) innerhalb eines Bereiches von 27,8°C unterhalb der Betatransustemperatur durchgeführt wird und das Abkühlen der geschmiedeten Legierung in einem Salzbad, das auf einer Tempe ratur von 204,4-760°C gehalten wird, erfolgt.

2. Verfahren zum Wärmebehandeln einer Ti-6246-Legierung (Ti- 6Al-2Sn-4Zr-6Mo) mit einer Betatransustemperatur von 943,3°C zum Verbessern der Dauerschwingfestigkeit für niederfrequent auftretende Lastspiele und der Zähigkeit, mit folgenden Schritten:

dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen im Schritt b) innerhalb eines Bereiches von 27,8°C unterhalb der Betatransustemperatur durchgeführt wird und das Abkühlen der geschmiedeten Legierung durch Wasserhärten erfolgt und daß an schließend, jedoch vor der Ausscheidungsbehandlung, die ge schmiedete Legierung auf eine Temperatur zwischen etwa 816°C und der Lösungsglühtemperatur des Schrittes b) für 1-10 Stun den erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden mit einer Querschnittsverringerung von wenigstens 50% erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schmieden bei einer Temperatur innerhalb ei nes Bereichs von 55,6°C oberhalb der Betatransustemperatur erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Lösungsglühen für eine Zeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt.