DE4241909A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Titanlegie­ rungen und insbesondere der β-Titanlegierungen und ein Ver­ fahren zur Herstellung solcher Legierungen mit verbesserten physikalischen Eigenschaften.

Warmgeformte β-Titanlegierungen werden häufig zur Erzielung der Endform oder nahe der Endform kalt umgeformt. Außer um eine verbesserte Ausbeute und netzähnliche Erzeugnisformen zu erreichen, wird Kaltbearbeiten bzw. Kaltumformen zur Er­ zielung eines hohen Maßes an Festigkeit und/oder ein verbes­ sertes Duktilitäts-Festigkeitseigenschaftenverhältnis dieser Legierungen durchgeführt. Diese verbesserte Eigenschaftskom­ bination tritt als ein direktes Ergebnis der Rekristallisa­ tion und Verfeinung des Korngefüges auf.

β-Titanlegierungen sind in der Fachwelt bekannt. Die β-Legierungen werden, nachdem sie kaltgeformt sind, entweder zur Erzielung guter Festigkeitseigenschaften direkt gealtert (DA) oder (STA) für eine verbesserte Duktilität bei einem gegebenen Festigkeitsgrad lösungsgeglüht und gealtert. Ankem et al., Beta Titanium Alloys in the 80′s, AIME, War­ rendale, Pa., 1984, Seiten 107-126; Ouchi et al., Europäi­ sche Patentanmeldung 8 71 14 617.1, 1987. Das STA-Verfahren bietet ein besser verfeintes, rekristallisiertes Korngefüge, welches im Vergleich zu dem DA-Verfahren in verbesserter Duktilität und in einer reduzierten Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften (Anisotropie) resultiert.

Das STA-Verfahren kann verschiedene schwerwiegende Nachteile entfalten, wenn die β-Legierungsalterungssreaktion nach der Lösungsglühperiode träge ist. Dieses Problem der trägen Al­ terung, welches insbesondere bei an gelöstem Stoff reichen β-Titanlegierungen, wie Ti-3A1-8V-6Cr-4Zr-4Mo (Beta-C^TM) und Ti-13V-11Cr-3A1 auftritt, stellt sich selbst als nicht gleichmäßiges oder fleckiges Altern vor, welches außeror­ dentlich lange Alterungszyklen erfordert, um die notwendige Festigkeit zu erzielen. Ankem et al, supra; Duerig et al., Beta Titanium Alloys in the 80′s, AIME, Warrendale, PA, 1984, Seiten 19-67. Andere an gelöstem Stoff reiche, meta­ stabile β-Legierungen umfassen Ti-8V-8Mo-2Fe-3A1.

Die an gelöstem Stoff reichen β-Titanlegierungen werden im allgemeinen als metastabile β-Legierungen definiert, welche zu stabil sind, um sich isothermisch in eine β- und eine Ω-Phasenmischung zu zerlegen im Unterschied zu an gelösten Stoffarmen Legierungen, welche während der Alterung eine Ω-Phase bilden.

Diese an gelösten Stoff reichen Legierungen weisen eine Pha­ sentrennungsreaktion auf, bei welcher sich die β-Phase in zwei kubisch raumzentrierte (KRZ)-Phasen zersetzt, eine an gelöstem Stoff reiche und eine andere an gelöstem Stoff arme Phase, wobei die an gelöstem Stoff arme Phase als β, be­ zeichnet wird. Des weiteren ist die α-Phasenkeimbildungski­ netik bei den an gelöstem Stoff reichen Legierungen langsa­ mer, d. h. längere Alterungszeiten sind erforderlich, um höchste Festigkeiten zu erzielen. Die Gründe hierfür umfas­ sen die typischerweise niedrigeren Alterungstemperaturen, welche für diese Legierungen aufgrund der β-Transformation verwendet werden, und den höheren Diffusionsbetrag, welcher erforderlich ist, um die höhere Konzentration an β-stabilisierten gelösten Stoff während der Bildung der α-Phasenausscheidung zu dispergieren.

Diese Stabilisatoren umfassen insbesondere β-Stabilisatoren, also die β-Transformation verringernde Stabilisatoren. (Die­ jenigen Stabilisatoren, welche die β-Transformation erhöhen, werden als α-Stabilisatoren bezeichnet.) Die zwei Arten der β-Stabilisatoren umfassen die β-isomorphen Elemente ein­ schließlich Mo, V, Cb und Ta und die β-eutektoiden Elemente, Mn, Fe, Cr, Co, W, Ni, Cu und Si. Die wichtigen α-Stabilisatoren umfassen Aluminium, Zinn, Zirkonium und Zwischengitterelemente (solche, die keine Gitterpositionen besetzen), Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff.

Wie zuvor erwähnt, ist die Kristallstruktur der β-Phase K.R.Z. und wird manchmal als eine allotrope Hochtemperatur­ phase des Titans beschrieben. Die α-Phase ist eine Gleichge­ wichtsphase mit einer hexagonal dichtgepackten (hcp) Kri­ stallstruktur, welche sich bildet, wenn die metastabilen β-Legierungen unterhalb der β-Transformationstemperatur wär­ mebehandelt werden. Es gibt zwei Arten von α-Phasenausscheidungen: Typ 1 und Typ 2. Typ 1-α weist ein Burger (kristallographisches)-Orientierungsverhältnis mit der β-Phase auf, und Typ 2-α besitzt kein Burger-Orientierungsverhältnis.

Die Ω-Phase ist eine metastabile Phase, welche sich in an gelöstem Stoff armen metastabilen β-Legierungen bildet, wenn die direkte Bildung von α schwierig ist. Die Ω-Phase kann sich isothermisch oder athermisch bilden. Die athermische Ω-Phase ist trigonal in stark β-stabilisierten Legierungen ausgebildet und hexagonal in ärmeren Legierungen.

β′ ist eine an gelöstem Stoff arme metastabile Phase, welche sich in an gelöstem Stoff reichen metastabilen β-Titanlegierungen bildet, wenn die Ω-Phasenbildung unter­ drückt wird. Die Bildung von β′ ist als eine Phasentrennung bekannt, wobei die β-Phase in eine Mischung aus β′- und β-Phasen umgewandelt wird.

In metastabilen β-Titanlegierungen ist es zur Erhaltung der β-Phase nicht notwendig, mit Legierungselementen zu stabili­ sieren um die β-Transformation unterhalb der Raumtemperatur zu verringern. Die Legierungen, welche β-Stabilisatoren in ausreichender Menge enthalten, um die martensitische Umwand­ lungstemperatur bis unter die Raumtemperatur zu reduzieren, welche jedoch unzureichend sind, um die β-Transformation bis unter die Raumtemperatur zu reduzieren, sind als metastabile β-Titanlegierungen bekannt. Stabile Titanlegierungen besit­ zen theoretisch ausreichende Menge an β-Stabilisatoren, so daß die β-Transformation unterhalb der Raumtemperatur ver­ ringert werden kann und Alterung nicht möglich ist.

Starke und/oder grobe Ausscheidungen der α-Phase an Korn­ grenzen, bekannt als Korngrenzen-α, und an dem Ausschei­ dungsnetzwerk sind häufig symptomatisch für das Problem der trägen Alterung in an gelöstem Stoff reichen β-Legierungen, welche sich selbst als nicht gleichmäßiges oder fleckiges Altern darstellt und außerordentlich lange Alterungszyklen erfordert, um Festigkeit zu erzielen. Duerig et al., supra. Die ausgedehnten Alterungszeitdauern sind unpraktisch, un­ produktiv und sehr teuer in bezug auf die Stahlwerkproduk­ tion. Viel wichtiger ist, daß die ungleichmäßige, unvoll­ ständige Legierungsalterungen das Erreichen des erforderten Festigkeitsgrades und anderer Eigenschaften verhindern kann, während Produkte hergestellt werden, die mit der Benutzungs­ dauer unter heißen Bedingungen starke thermische Instabili­ tät zeigen. Eine übermäßige α-Ausscheidung an der Korngrenze ist dafür bekannt, die Duktilität, Ermüdungsfestigkeit und Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit von α-β- und β-Titanlegierungen nachteilig zu beeinflussen. Duerig et al, supra.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbes­ serung der Alterungsreaktion und -gleichförmigkeit von β-Titanlegierungen oder an gelöstem Stoff reichen β-Titanlegierungen. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte des Kaltverformens, des Voralterungswärmebehandelns, des Lö­ sungsglühens und des endgültigen Alterungsswärmebehandelns von β-Titanlegierungen.

Die β-Titanlegierungen können jede Mischung der folgenden Elemente enthalten: Al, V, Mo, Cr, Si, Zr und Pd oder andere Pt-Gruppenmetalle. In dem Fall, daß die Legierung Pd oder andere Pd-Gruppenmetalle enthält, ist es bevorzugt, daß die Konzentration dieser Elemente 0,1 Gew.-% oder weniger be­ trägt. Die vorliegende Erfindung stellt des weiteren die Herstellung neuer β-Titanlegierungen zur Verfügung.

Verschiedene frühere Verfahren wurden für die Wärmebehand­ lung kaltverformter β-Ttitanlegierungen beschrieben. Z.B. Ouchi et al, 6. Weltkonferenz über Titan, Frankreich, 1988, Seiten 819-824, beschreibt einen Festigkeitsmechanismus mit ultrahoher Festigkeit, welches durch ein neues Verarbei­ ten von β-Titanlegierungen erzielt wird, umfassend einen er­ sten Schritt des Kaltwalzens, gefolgt von einem ersten Schritt des Lösungsglühens und anschließend einen zweiten Schritt des Kaltwalzens und einen zweiten Schritt des Lö­ sungsglühens, gefolgt von einem Alterungsschritt. Ouchi et al, europäische Patentanmeldung Nr. 02 63 503 enthält im we­ sentlichen die gleichen Lehren.

Okada, 6. Weltkonferenz über Titan, Frankreich, 1988, Seiten 1625-1628, beschreibt ebenfalls ein sogenanntes zweistu­ figes Alterungsverfahren zur Festigkeitssteigerung einer β-Titanlegierung, bei welchem kaltgewalzte Bögen lösungsge­ glüht werden, gefolgt von einer Duplex-Alterungsreaktion, um die Alterungsreaktion und die Härtbarkeit zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbes­ serung der Geschwindigkeit und Gleichförmigkeit der Alte­ rungsreaktion durch das Kaltverformen einer β-Titanlegierung, Lösungsglühen und ein Endaltern der kalt­ verformten Legierung, charakterisiert durch ein erstes Al­ tern der kaltverformten Legierung durch Erwärmen dieser Le­ gierung bei erhöhten Temperaturen vor einem Schritt des Lö­ sungsglühens.

Des weiteren umfaßt die vorliegende Erfindung ein neues Ver­ fahren zur wesentlichen Verbesserung der Alterungsreaktion einer β-Titanlegierung, welche wenigstens etwa 80 ppm Si und wenigstens etwa 500 ppm Zr enthält, umfassend die folgenden Schritte:.

• a) Kaltverformen dieser β-Titanlegierung bis wenigstens et­ wa 5%, so daß ein ausreichendes Maß an Rekristallisa­ tion während des nachfolgenden Lösungsglühens erhalten werden kann und dabei Herstellen einer kaltverformten Legierung;
• b) Vorauslagern dieser kaltbearbeiteten Legierung bei unge­ fähr 900°F bis ungefähr 1300°F für einen Zeitraum von wesentlich mehr als ungefähr 5 min, um eine vorgealterte Legierung zu erhalten;
• c) Lösungsglühen dieser vorgealterten Legierung bei einer Temperatur und für einen Zeitraum, um ein ausreichendes Maß an Rekristallisation dieser vorgealterten Legierung oberhalb der β-Transformation zu erhalten und gleichzei­ tig eine im wesentlichen maximale Duktilität und im we­ sentlichen minimale ungleichförmige Alterung zu erzie­ len, um so eine lösungsgeglühte Legierung herzustellen;
• d) Altern dieser lösungsgeglühten Legierung bei ungefähr 900°F bis ungefähr 1200°F für einen Zeitraum von unge­ fähr 6 bis ungefähr 36 h, um eine vorgealterte, lösungs­ geglühte und gealterte β-Titanlegierung zu erhalten, welche sich im wesentlichen im Zustand eines metalli­ schen Gleichgewichts befindet.

Fig. 1 umfaßt eine schematische Darstellung der thermischen Verfahrensbehandlung zur Erzielung mittlerer bis hö­ herer Festigkeitsgrade in kaltverformten β-Titanlegierungen mittels des DA-Verfahrens, des STA-Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend die Schritte der Voralterung, des Lösungs­ glühens und der Alterung, im folgenden "PASTA" ge­ nannt.

Fig. 2a und 2b umfassen Photographien von Querschliffen einer 51% kaltverformten Standard-Beta-C^TM, welche mittels des früheren STA-Verfahrens (Fig. 2a) und mittels des erfindungsgemäßen PASTA-Verfahrens (Fig. 2b) hergestellt wurde.

Fig. 3a und 3b umfassen Photographien von Querschliffen einer 50% kaltverformten Pd-angereicherten Beta-C^TM, welche gemäß des bekannten STA-Verfahrens (Fig. 3a) und des erfindungsgemäßen PASTA-Verfahrens (Fig. 3b) hergestellt wurde.

Fig. 4 umfaßt ein Alterungsprofil (Rockwell-C-Härte gegen Alterungsdauer) für eine 50%ige kaltverformte Beta-C^TM-Legierung unter Verwendung des früheren STA-Verfahrens im Vergleich mit dem erfindungsgemä­ ßen PASTA-Verfahren.

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Schritte des Kaltver­ formens, gefolgt von einer Voralterungswärmebehandlung, eines anschließenden Lösungsglühens und Alterns einer β-Titanlegierung, insbesondere einer an gelöstem Stoff rei­ che metastabilen β-Titanlegierung und bietet als solche einen praktischen alternativen Verfahrensablauf für eine gleichbleibende Steigerung der Geschwindigkeit und Gleich­ förmigkeit der Alterung der kaltverformten und lösungsge­ glühten β-Titanlegierungen. Dieses in Fig. 1 als Verfahren C ausgezeichnete verbesserte Wärmebehandlungsverfahren ist in erster Linie für β-Titanlegierungen wirkungsvoll, welche we­ nigstens geringe Konzentrationen sowohl an Zr als auch Si enthalten.

Unter Einsatz dieses Verfahrens kann ein relativ stabiles β-Titanerzeugnis nicht nur in kürzerer Zeit sondern gleich­ zeitig auch mit den Vorteilen der überragenden Eigenschaften hergestellt werden im Vergleich zu den in der Fachwelt be­ kannten Verfahren zur Herstellung dieser Legierungen. Dieses ermöglicht den doppelten Vorteil der billigen Herstellung und der verbesserten Eigenschaften.

Die relativen Eigenschaftsverbesserungen, welche bei den β-Titanlegierungen durch das PASTA-Verfahren im Vergleich zu den früheren Verfahren DA und STA erzielbar sind, werden in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Relative Eigenschaften eines kaltbearbeiteten β-Legierungserzeugnisses nach verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren

Tabelle 1 zeigt deutlich die verbesserte Alterungsreaktion und -gleichförmigkeit, die gute Festigkeit und Duktilität und verminderte thermische Instabilität und Richtungsabhän­ gigkeit, welche durch die Verwendung des PASTA-Behandlungs­ verfahrens erzielt werden können.

Bezug nehmend auf Fig. 2 und 3 wird deutlich, daß im Ver­ gleich mit der traditionellen STA-Behandlung wesentliche Verbesserung im Maß und Gleichförmigkeit der Alterung bei Beta-C^TM-Legierungen durch das PASTA-Verfahren erzielt wer­ den können. Die weißen, leichten, fleckigen Zonen, welche in den Mikrogefügen in Fig. 2a und 3a deutlich werden, reprä­ sentieren nicht gealterte β-Phasen, welche thermisch insta­ bil sein können und einer fortgesetzten Alterung bei Tempe­ raturen oberhalb von 350°F unterworfen werden können, wie von Ankem et al beschrieben.

Diese Verbesserung des Grades an α-Phasenausscheidung, wel­ ches von dem PASTA-Verfahren zur Verfügung gestellt wird, wird quantitativ durch den wesentlich erhöhten Volumenpro­ zentanteil der in den folgenden Beispielen 1 und 2 angeführ­ ten α-Phasenwerte angegeben.

Die folgenden Beispiele zeigen die Eigenschaften vergleich­ barer Beta-C^TM-Rohrerzeugnisse, welche unter Verwendung ver­ schiedener Wärmebehandlungsverfahren erzielt wurden.

Beispiel 1: - Standard Beta-C^TM 2,875′′OD×0,217′′ AW-Rohr
. kaltgepilgert 51,3%
. Ti-3,6 Al-8,1V-5,9Cr-4,3Zr-4,4Mo-0,080Z­ -0,03Si

Verfahren B (STA) umfaßt das Lösungsglühen der Legierung bei 1500°F für 15 min, anschließendes Luftkühlen und Altern bei 1050°F für 24 h, gefolgt von einem Abkühlen in Luft.

Verfahren C (PASTA) umfaßt das Voraltern des Materials bei 1150°F für 8h, gefolgt von Luftabkühlen, Lösungsglühen bei 1500°F für 15 min, gefolgt von Luftkühlen und einer Endal­ terungsbehandlung bei 1050°F für 24 h, gefolgt von Kühlen in Luft.

Beispiel 2: . Pd-angereicherte Beta-C^TM 2,875′′ OD×0,276′′ AW-Rohr,
. kaltgepilgert 50%,
. Ti-3,1A1-7,9V-6,0Cr-4,0Zr-4,2Mo-0,080Z- 0,04Si-0,06Pd,

Verfahren B (STA) umfaßt das Lösungsglühen der Legierung bei 1500° F für 30 min, anschließendes Luftkühlen und Altern bei 1050°F für 24 h, gefolgt von Luftkühlen.

Verfahren C (PASTA) umfaßt das Voraltern bei 1150°F für 1 h, anschließendes Luftkühlen, gefolgt von Lösungsglühen bei 1500°F für 30 min, anschließendes Luftkühlen und eine Endalterungsbehandlung bei 1050°F für 24 h, gefolgt von Luftkühlen.

Beispiel 3: . Standard-Beta-C^TM 5,0′′ OD×0,576′′ AW-Rohr,
. kaltgepilgert 51%,
. Ti-2,7A1-7,6V-5,9Cr-4,0Zr-3,8Mo-0,090Z­ 0,03Si,

Verfahren A (DA) umfaßt nur das Altern der Legierung bei 1200°F für 4 h, gefolgt von Luftkühlung.

Verfahren C (PASTA) umfaßt das Voraltern der Behandlung bei 1150°F für 1 h, anschließendes Luftkühlen, gefolgt von Lösungsglühen bei 1500°F für 15 min, anschließendes Luftkühlen und eine Endalterungsbehandlung bei 1050°F für 24 h und Luftkühlen.

Die bessere Alterungsreaktion des PASTA-Verfahrens ist graphisch in Fig. 4 für Beta-C^TM-Legierung dargestellt. Die zur Erzielung einer gegebenen Festigkeit und eines Härtegra­ des bei der PASTA-Verfahrensbehandlung im Vergleich mit der herkömmlichen STA-Behandlung wesentlich verringerten notwen­ digen Alterungszeiten ist klar dargestellt. Die verringerten Alterungszeiten zur Erreichung eines Festigkeitsgrades "Pla­ teau" zeigen deutlich eine schnellere Erzielung eines im we­ sentlichen vollständigen metallischen Gleichgewichts, d. h. eine vollständige Alterung, bei Alterungstemperaturen. Diese verringerte Zeit für eine im wesentlichen vollständige Alte­ rung stellt gleichzeitig sicher, daß eine thermische Stabi­ lität der Legierung innerhalb der praktischen Wärmebehand­ lungszyklen erzielt werden kann.

Das PASTA-Behandlungsverfahren kann des weiteren ein gutes Duktilitäts/Festigkeitsverhältnis der β-Titanlegierungen zur Verfügung stellen, wie in den Beispielen 1 bis 3 deutlich gemacht wird. Beispiele 1 und 2 zeigen, daß eine gute Dukti­ lität (% EL und RA) durch das PASTA-Behandlungsverfahren beibehalten wird, während gleichzeitig im Vergleich zu den durch die frühere STA-Behandlung erzielten gesteigerte Fe­ stigkeitsgrade erzielt werden Im Vergleich mit der anderen herkömmlichen DA-Verfahrensbehandlung erzeugt das PASTA-Verfahren nicht die geringen Duktilitatswerte zusammen mit der relativ hohen Maß an Anisotropie der Eigenschaften (Richtungsabhängigkeit), wie in Beispiel 3 gezeigt. Diese unerwünschte Richtungsabhängigkeit trat insbesondere bei den Duktilitätswerten in T-Richtung bei dem Verfahren A auf, war jedoch minimal bei der Behandlung nach dem Verfahren C (PASTA).

Obwohl die Erfinder nicht durch eine Theorie begrenzen wol­ len, wird angenommen, daß die Verbesserung der Alterungs­ reaktion und Gleichförmigkeit durch die PASTA-Behandlung eine feine Silicidausscheidung in bestimmten β-Titanlegierungen einschließt. Insbesondere β-Legierungen mit wenigstens ungefähr 80 ppm Si und wenigstens ungefähr 500 ppm Zr sind bekannt, dafür komplexe (TiZR)₅Si₃-Silicidausscheidungen zu bilden, wie von Ankem et al, Met. Trans A, Vol. 18A, Dezember 1987, Seiten 2015-2025; Headley et al., Met. Trans A, Vol. 10A, Juli 1979, Seiten 909-920 beschrieben. Bei den herkömmlichen Beta-C^TM-Legierungsstahlwerkprodukten reichen die herkömmli­ chen Anteile an Silicium aus, um Silicide unterhalb 925°F auszufällen. Ankem et al., supra.

Bei der PASTA-Verfahrensbehandlung dient das Voraltern der schnellen Keimanbildungsregung und dem Wachstum feiner, α-Ausscheidung in einer gleichförmigen, hochdichten Vertei­ lung auf hochenergetischen Plätzen, erzeugt durch Kaltver­ formung. Durch das nachfolgende Erwärmen auf die Lösungs­ glühtemperaturen wird angenommen, daß Silicid (HCP)-Ausscheidungen vorzugsweise zur Keimbildung angeregt werden und auf diesen α-(HCP)-Ausscheidungen wachsen, welche unterhalb der β-Transformationtemperatur der Legierung vor­ handen sind. Fortgesetztes Erwärmen auf die Lösungsglühtem­ peraturen setzt das Wachstum und das Vergröbern dieser Sili­ cidausscheidungen fort. Bei der Endalterung dient diese fei­ ne gleichförmige Verteilung der Silicidausscheidungen als eine bevorzugte Unterlage für die α-Phasen-Keimbildung und das Wachstum.

Im Fall eines Silicidpräzipitats wird der gesteigerte Alte­ rungsmechanismus durch Lösungsglühuntersuchungen an Beta-C^TM-Legierungen unterstützt. Des weiteren wird die ver­ besserte Alterungsreaktion und Gleichförmigkeit, welche durch das PASTA-Verfahren bewirkt wird, nicht wesentlich durch gesteigerte Lösungsglühtemperaturen (bis zu ungefähr 1600°F) und Zeiten (bis zu ungefähr 1 h) beeinflußt. Dieses führt dazu, einen Mechanismus einzuleiten, basierend auf der α-Phase oder der Versetzung von Rückständen, welche während der Voralterung gebildet werden und welche das Lösungsglühen überleben, um das letzte Endaltern zu erleichtern. Das Sili­ cidpräzipitat ist die einzige zum gegenwärtigen Zeitpunkt bekannte in der Beta-C^TM-Legierung existente Phase, welche diese Lösungsglühbedingungen überlebt und die Alterung för­ dert.

Werden die Lösungsglühtemperaturen und Zeiten ausreichend hoch gewählt, um eine relativ vollständige Rekristallisation zu erlauben, können optimale Duktilitäts-Festigkeitseigen­ schaftsverhältnisse erwartet werden, wie in Tabelle 2 ausge­ führt.

Dies wird im allgemeinen bei Temperaturen oberhalb von etwa 1450°F und Zeiten von mehr als ungefähr 15 min bei Beta-C^TM-Legierungen erzielt. Lösungsglühtemperaturen und Zeiten unter den für die Rekristallisation notwendigen reduzieren die Duktilität, erhöhen die Festigkeit und nähern sich den Eigenschaften der direkten Alterungsbehandlung an.

Die β-Titanlegierung muß wenigstens ungefähr 80 ppm Si und wenigstens ungefähr 500 ppm Zr enthalten, insbesondere unge­ fähr 80-1000 ppm Si und ungefähr 500-50 000 ppm Zr und noch bevorzugter ungefähr zwischen ungefähr 100 und ungefähr 400 ppm Si und zwischen ungefähr 500 und ungefähr 30 000 ppm Zr.

β-Titanlegierungen, welche gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt werden können, umfassen nicht nur die Legierungen, welche spezifisch genannt sind, sondern auch die β-III-Legierung (Ti11,5Mo-6Zr-4,5Sn).

Die β-Legierung bis zu wenigstens 5% oder mehr muß kaltver­ formt sein. Eine Kaltverformung in einem Bereich von unge­ fähr 25 bis ungefähr 55% ist bevorzugt, um die Endalte­ rungsgleichförmigkeit zu steigern und ein ausreichendes Maß an Rekristallisation während des Lösungsglühens zu erzielen.

Die Voralterungsbehandlung wird bei Temperaturen von unge­ fähr 900°F bis ungefähr 1300°F für eine Dauer von mehr als ungefähr 5 min durchgeführt und durch ein bekanntes Verfah­ ren abgekühlt. Bevorzugte Temperaturen liegen zwischen 1050°F - ungefähr 1200° F mit Dauern von ungefähr 1 h bis unge­ fähr 8 h.

Nach der Voralterung wird die Legierung nachfolgend lösungs­ geglüht und unter Verwendung herkömmlicher Wärmebehandlungen gealtert. Die β-Lösungsglühtemperatur wird im allgemeinen ausreichend hochgewählt, um eine relativ vollständige Rekri­ stallisation oberhalb der β-Transformation zu erzielen, um so die Duktilität zu maximieren und das ungleichförmige Al­ tern zu minimieren. Z.B. können Temperaturen von ungefähr 1450°F bis ungefähr 1600°F und Zeiten von ungefähr 15 min oder mehr für ein typisches Lösungsglühen einer Beta-C^TM-Legierung eingesetzt werden. Zeiten zwischen unge­ fähr 15 min und ungefähr 120 min und insbesondere von unge­ fähr 15 min - ungefähr 30 min sind insbesondere in dieser Beziehung geeignet.

Es sollte jedoch festgehalten werden, daß es zwei Arten des Lösungsglühens gibt, das β-Lösungsglühen und das α-β-Lösungsglühen, welche beide gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden können, abhängig von der Art der β-Titanlegierung, welche dem neuartigen erfindungsgemä­ ßen Verfahren unterworfen wird. Das β-Lösungsglühen besteht aus einem Erwärmen der Legierung auf Temperaturen von unge­ fähr 15°C bis ungefähr 110°C (25-200°F) oberhalb der β-Transformationstemperatur und Halten der Legierung bei dieser Temperatur für eine Zeitdauer von ungefähr von 0,5-2 h, gefolgt von Luftkühlen oder Abschrecken. Das α-β-Lösungsglühen besteht aus einem Erwärmen des Materials auf ungefähr 15°C - ungefähr 75°C (25-125°F) unterhalb der β-Transformationstemperatur und nachfolgendes Ab­ schrecken oder Luftkühlen. Normalerweise resultiert das β-Lösungsglühen in der Bildung einer rekristallisierten β-Phase. Bei der Beta-C^TM-Legierung kann das β-Lösungsglühen in einer β-Phase zusammen mit Partikeln einer nicht identi­ fizierten zweiten Phase resultieren.

Das α-β-Lösungsglühen resultiert in einer β-Phase zusammen mit einem geringen Volumenanteil einer α-Gleichgewichtspha­ se, welche sowohl die β-Korngrenzen als auch das β-Korninne­ re besetzt. Um diese frühere Korngröße zu steuern, wird ein α-β-Lösungsglühen verwendet, da das α-Präzipitat als Korn­ wachstumsinhibitor dienen kann. In an gelöstem Stoff reichen β-Legierungen, wie Ti-13V-11Cr-3A1, ist die Festigkeit, die durch das Altern nach dem α-β-Lösungsglühen erzielt werden kann, begrenzt, da die resultierende β-Phase dazu tendiert, stabil zu sein und bei der Alterung tritt daher nur eine be­ grenzte α-Präzipitation auf. Demgemäß hängt die Art des Lö­ sungsglühens von der Legierung und den Eigenschaftsanforde­ rungen ab.

Nach dem Abkühlen mittels herkömmlicher Verfahren werden Standard-β-Titanalterungsbehandlungen eingesetzt bei typischerweise von ungefähr 900°F bis ungefähr 1200°F für einen Zeitraum von ungefähr 6 - ungefähr 36 h, um die erforderten Legierungsfestigkeitslevel zu erzielen.

Es gibt insbesondere drei Arten von Alterungsbehandlungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Diese umfassen die Hochtemperaturalterung für kurze Zeit; das Altern bei niedriger Temperatur für lange Zeit und eine Duplexalterung-Altern bei niedriger Temperatur, gefolgt von Alterung bei hoher Temperatur.

Die Hochtemperaturalterung besteht aus einem Erwärmen der Legierung auf ungefähr 85°C - ungefähr 230°C (150-450°F unterhalb der β-Transformationstemperatur für eine kurze Zeitdauer (normalerweise weniger als ungefähr 24 h). Diese Behandlung resultiert in der Ausscheidung von α-Partikeln, deren Größe und Menge von der-Legierung und der Zeitdauer bei der Alterungstemperatur abhängen. Je höher die Tempera­ tur ist, um so grobkörniger sind die α-Partikel. Neben der Bildung der α-Phase können sich auch intermetallische Ver­ bindungen bilden, wenn die Legierungen ausreichende Menge an β-eutektoiden Legierungselementen enthält.

Das Altern bei niedriger Temperatur wird normalerweise in einem Temperaturbereich von ungefähr 200°C - ungefähr 450°C (ungefähr 392°F - ungefähr 842°F) durchgeführt. In vie­ len Fällen, abhängig von der Art der Legierung, sind sehr lange Zeiten von mehr als 50 h erforderlich, um die Trans­ formationsabfolge in den an gelöstem Stoff reichen metasta­ bilen β-Titanlegierungen zu vervollständigen, wie Beta-C^TM-Legierung oder Ti-13V-11Cr-3A1 und resultieren in einer homogenen Ausscheidung der α-Phase. Zusätzlich können sich intermetallische Verbindung bilden, wie TiCr₂ bei der Ti-13V-11Cr-3A1-Legierung.

Die Duplexalterung wird eingesetzt, um die Größe und Vertei­ lung der α-Phasen-Ausscheidungen zu steuern. Die Behandlung besteht aus einer Alterung bei niedriger Temperatur für kur­ ze Zeit, gefolgt von einer Alterung bei hoher Temperatur. Das Ziel des Duplexalterns ist es, die Vorteile der homoge­ nen Präzipitation der Ω- oder β′-Phase auszunutzen und einem homogenen Keimwachstum der α-Phase an den, β-Ω- oder β′-Phasengrenzen zu erzielen. Die Vorteile der Duplexalte­ rung gegenüber der Alterung bei niedriger Temperatur ist es, daß lange Wärmebehandlungszeiträume nicht notwendig sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird verwendet, um neuartige β-Titanlegierungserzeugnisse zu erhalten, welche in ver­ schiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt werden kön­ nen, z. B. als Röhren oder Gehäuse für Ölfelder oder geother­ mische Verwendungen, und in strukturellen Anwendungen, wie als Festigkeitselement für Luftfahrt- oder Raumfahrtzeuge wie auch als äußere Umhüllung eines Flugzeuges oder Raum­ fahrtzeuges, Federn und Befestiger.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verbesserung der Geschwindigkeit und der Gleichförmigkeit der Alterungsreaktion durch das Kalt­ verformen einer β-Titanlegierung, das Lösungsbehandeln und Endaltern der kaltverformten Legierung, gekennzeichnet durch ein erstes Altern der kaltverformten Legierung durch das Erhitzen dieser Legierung auf erhöhte Temperaturen vor dem Schritt des Lösungsglühens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste Alterungswärmebehandlung bei einer Tempera­ tur von ungefähr 900 - ungefähr 1300°F für einen Zeit­ raum von mehr als 5 min durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Temperatur zwischen ungefähr 1050°F und 1200°F liegt und dieser Zeitraum zwischen ungefähr 1 und 8 h liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese β-Titanlegierung wenigstens geringe Konzentrationen sowohl von Zirkonium als auch Silicium enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Siliciumkonzentration ungefähr zwischen 80 und un­ gefähr 1000 ppm und diese Zirkoniumkonzentration unge­ fähr zwischen 500 und ungefähr 30 000 ppm liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lösungsglühen bei Temperaturen und für Zeiträume bewirkt wird, welche ausreichend hoch sind, um die Rekristallisierung oberhalb der β-Transformation zu erlauben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei diese Lösungsglühtempe­ ratur zwischen 1450°F und 1600°F liegt für mehr als ungefähr 15 min.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese β-Legierung bis zu wenigstens 5% oder mehr kaltverformt wird, so daß ein ausreichendes Maß an Rekristallisation während des nachfolgenden Lö­ sungsglühens erzielt werden kann.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese β-Legierung zwischen 25% und ungefähr 55% kalt­ verformt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die letzte Alterungsbehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 900°F bis ungefähr 1200°F für einen Zeitraum von ungefähr 6 bis ungefähr 36 h durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese β-Titanlegierung eine an gelö­ stem Stoff reiche Legierung ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese β-Titanlegierung Al, V, Cr oder Al, V, Cr, Mo enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei diese β-Titanlegierung des weiteren Pd oder andere Platin-Gruppenmetalle enthält.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die β-Legierungsalterungsreaktion einer β-Titanlegierung mit wenigstens ungefähr 80 ppm Silicium und wenigstens 500 ppm Zirkonium verbessert wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• a) Kaltverformen dieser β-Titanlegierung bis wenig­ stens ungefähr 5%, so daß ein ausreichendes Maß an Rekristallisation während des nachfolgenden Lö­ sungsglühens erzielt werden kann, und wobei eine kaltbearbeitete Legierung erzeugt wird;
• b) Voraltern dieser kaltverformten Legierung bei ungefähr 900°F bis ungefähr 1300°F für einen Zeitraum von mehr als 5 min, um eine vorgealterte Legierung zu erhalten,
• c) Lösungsglühen dieser vorgealterten Legierung bei einer geringen Temperatur und für einen Zeitraum, um ein ausreichendes Maß an Rekristallisation die­ ser vorgealterten Legierung oberhalb der β-Transformationstemperatur zu erzielen und des weiteren eine im wesentlichen maximale Duktilität und im wesentlichen minimale ungleichförmige Alte­ rung zu erzielen, und wobei eine lösungsgeglühte Legierung erzeugt wird;
• d) Altern dieser lösungsgeglühten Legierung bei unge­ fähr 900°F - ungefähr 1200°F für einen Zeitraum von ungefähr 6 bis ungefähr 36 h, um eine vorgeal­ terte, lösungsgeglühte und gealterte Legierung zu erzielen, welche sich im wesentlichen in einem Zu­ stand eines metallurgischen Gleichgewichts befin­ det.