DE69904430T2 - Titanium-based alloy with beta structure - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Titan-Legierungen mit Beta-Struktur und insbesondere auf feuerbeständige Titan-Legierungen mit Beta-Struktur.The present invention relates to titanium alloys with beta structure and in particular to fire-resistant titanium alloys with beta structure.
Titan-Legierungen werden in Gasturbinentriebwerken insbesondere für Kompressor- Laufschaufeln und Kompressor-Leitschaufeln im Niederdruckkompressor und im Hochdruckkompressor benutzt.Titanium alloys are used in gas turbine engines, particularly for compressor blades and compressor guide vanes in the low-pressure compressor and the high-pressure compressor.
Ein Problem, welches derartigen Titan-Legierungen zugeordnet ist, besteht darin, daß Titan ein hochreaktives Metall ist, welches unter bestimmten Bedingungen brennen kann. Wenn beispielsweise die Spitze einer Kompressor-Laufschaufel aus einer Titan-Legierung am Kompressorgehäuse im Betrieb des Gasturbinentriebwerks schleift, dann kann die Reibung zu einem Entflammen der aus Titan-Legierung bestehenden Kompressorschaufel führen.One problem associated with such titanium alloys is that titanium is a highly reactive metal that can burn under certain conditions. For example, if the tip of a compressor blade made of titanium alloy rubs against the compressor housing during operation of the gas turbine engine, the friction can cause the titanium alloy compressor blade to ignite.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Titan-Legierung, die feuerbeständig ist und die insbesondere dann nicht brennt, wenn eine Reibung zwischen einer Kompressor-Laufschaufel aus Titan-Legierung und einem Kompressorgehäuse im Betrieb des Gasturbinentriebwerks auftritt.There is therefore a need for a titanium alloy that is fire-resistant and that does not burn, in particular when friction occurs between a compressor blade made of titanium alloy and a compressor housing during operation of the gas turbine engine.
Außerdem muß eine derartige Titan-Legierung dehnbar sein, und es besteht außerdem das Erfordernis, daß eine derartige Titan-Legierung im Hinblick auf die Rohprodukte und die Verarbeitungserfordernisse relativ billig sein muß.In addition, such a titanium alloy must be ductile and there is also a requirement that such a titanium alloy must be relatively inexpensive in view of the raw materials and the processing requirements.
Eine nicht brennbare Titan-Legierung mit Beta-Struktur ist aus der GB-A-2 238 057 bekannt. Diese Legierung umfaßt wenigstens 20 Gew.% Vanadium, wenigstens 10 Gew.% Chrom und wenigstens 40 Gew.% Titan. Diese Legierung kann bis zu 2,5 Gew.% Kohlenstoff und bis zu 0,3 Gew.% Sauerstoff enthalten. Dies bedeutet, daß der Kohlenstoffzusatz die Endkriech-Biegsamkeit der Legierung verbessert, und der Kohlenstoff bildet Karbide. Es gibt keine Diskussion hinsichtlich des Sauerstoffs in der Legierung. Keines der Legierungsbeispiele umfaßt Sauerstoff. Die Legierung weist auch kein Aluminium auf. Demgemäß ist diese Legierung relativ kostspielig herzustellen, weil Vanadium als Element zugesetzt wird und nicht als Vanadium- Aluminium-Hauptlegierung.A non-combustible titanium alloy with beta structure is known from GB-A-2 238 057. This alloy comprises at least 20 wt% vanadium, at least 10 wt% chromium and at least 40 wt% titanium. This alloy may contain up to 2.5 wt% carbon and up to 0.3 wt% oxygen. This means that the carbon addition improves the final creep flexibility of the alloy and the carbon forms carbides. There is no discussion regarding the oxygen in the alloy. None of the alloy examples comprise oxygen. The alloy also does not contain aluminum. Accordingly, this alloy is relatively expensive to produce because vanadium is added as an element and not as a main vanadium-aluminum alloy.
Eine Titan-Legierung mit Beta-Struktur ist aus der GB-A-1 175 683 bekannt, die folgende Bestandteile in Gewichtsprozenten besitzt: 25-40 Gew.% Vanadium, 5-15 Gew.% Chrom, 0-10 Gew.% Aluminium und als Rest Titan und zufällige Verunreinigungen. Diese Legierung kann bis zu 2 Gew.% Kohlenstoff und bis zu 0,3 Gew.% Sauerstoff enthalten. Der Kohlenstoff wird zugesetzt, um die Festigkeit der Legierung zu erhöhen, und der Sauerstoff ist eine Verunreinigung. Keines der Legierungsbeispiele umfaßt Sauerstoff. Diese Legierung ist relativ billig herzustellen, weil das Vanadium in Form einer Vanadium-Aluminium-Hauptlegierung zugesetzt wird.A titanium alloy with a beta structure is known from GB-A-1 175 683, which has the following components in weight percent: 25-40 wt.% vanadium, 5-15 wt.% chromium, 0-10 wt.% aluminium and the balance titanium and incidental impurities. This alloy can contain up to 2 wt.% carbon and up to 0.3 wt.% oxygen. The carbon is added to increase the strength of the alloy and the oxygen is an impurity. None of the alloy examples contain oxygen. This alloy is relatively cheap to produce because the vanadium is added in the form of a vanadium-aluminium main alloy.
Eine Druckschrift mit dem Titel "Structure and Stability of Precipitates in 500 degree C exposed Ti - 25 V - 15Cr - xAl alloy" von Li Y. G. et al beschreibt, daß eine Alpha- Titan-Ausscheidung durch Temperatur, Sauerstoffgehalt und Aluminiumgehalt in der Legierung beeinflußt wird.A paper entitled "Structure and Stability of Precipitates in 500 degree C exposed Ti - 25 V - 15Cr - xAl alloy" by Li Y. G. et al describes that alpha titanium precipitation is influenced by temperature, oxygen content and aluminum content in the alloy.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Titan-Legierung mit Beta-Struktur zu schaffen, die eine verbesserte Dehnbarkeit besitzt.Accordingly, the object of the present invention is to create a novel titanium alloy with a beta structure which has improved ductility.
Demgemäß betrifft die Erfindung eine Titan-Legierung mit Beta-Struktur der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: wenigstens 10 Gew.% von einem oder mehreren Beta-Stabilisierungselementen, wobei das Beta- Stabilisierungselement ausgewählt ist aus der Gruppe, die Vanadium, Molybden, Tantal, Niob, Chrom, Wolfram, Mangan, Kupfer, Nickel und Eisen umfaßt, 1,0-3,0 Gew.% Aluminium, 0,1-0,4 Gew.% Kohlenstoff, bis zu 0,2 Gew.% Sauerstoff und als Rest Titan und zufällige Verunreinigungen, wobei der Kohlenstoff in Form von Titan-Karbid-Ausscheidungen vorhanden ist, die über die Beta-Struktur-Titan- Legierungsmatrix verteilt sind, wobei die Titan-Karbid-Ausscheidungen aus Ti&sub2;C- Titan-Karbid-Ausscheidungen bestehen und die Titan-Karbid-Ausscheidungen die Korngröße der Beta-Struktur-Titan-Legierungsmatrix verfeinern und Sauerstoff aus der Beta-Struktur-Titan-Legierungsmatrix entfernen, um die Ausscheidung von Alpha-Titan in der Beta-Struktur-Titan-Legierungsmatrix zu vermindern und die Formbarkeit der Beta-Struktur-Titan-Legierung zu verbessern.Accordingly, the invention relates to a beta-structure titanium alloy of the following composition in weight percent: at least 10 wt.% of one or more beta-stabilizing elements, wherein the beta-stabilizing element is selected from the group comprising vanadium, molybdenum, tantalum, niobium, chromium, tungsten, manganese, copper, nickel and iron, 1.0-3.0 wt.% aluminum, 0.1-0.4 wt.% carbon, up to 0.2 wt.% oxygen and the balance titanium and incidental impurities, wherein the carbon is present in the form of titanium carbide precipitates distributed throughout the beta-structure titanium alloy matrix, wherein the titanium carbide precipitates consist of Ti₂C-titanium carbide precipitates and the titanium carbide precipitates refine the grain size of the beta-structure titanium alloy matrix and remove oxygen from the beta-structure titanium alloy matrix to reduce the precipitation of alpha titanium in the beta-structure titanium alloy matrix and improve the formability of the beta-structure titanium alloy.
Vorzugsweise sieht die vorliegende Erfindung eine Titan-Legierung mit Beta-Struktur vor, die 20-30 Gew.% Vanadium, 13-17 Gew.% Chrom, 1,0-3,0 Gew.% Aluminium, 0,1-0,4 Gew.% Kohlenstoff und bis zu 0,2 Gew.% Sauerstoff und als Rest Titan und zufällige Verunreinigungen enthält.Preferably, the present invention provides a titanium alloy with beta structure containing 20-30 wt.% vanadium, 13-17 wt.% chromium, 1.0-3.0 wt.% aluminum, 0.1-0.4 wt.% carbon and up to 0.2 wt.% oxygen and the remainder titanium and incidental impurities.
Vorzugsweise enthält die Titan-Legierung mit Beta-Struktur 1,5-2,5 Gew.% Aluminium.Preferably, the titanium alloy with beta structure contains 1.5-2.5 wt.% aluminium.
Vorzugsweise enthält die Titan-Legierung mit Beta-Struktur 0,15 - 0,3 Gew.% Kohlenstoff.Preferably, the titanium alloy with beta structure contains 0.15 - 0.3 wt.% carbon.
Vorzugsweise enthält die Titan-Legierung mit Beta-Struktur weniger als 0,15 Gew.% Sauerstoff.Preferably, the titanium alloy with beta structure contains less than 0.15 wt.% oxygen.
Vorzugsweise enthält die Titan-Legierung mit Beta-Struktur 23-27 Gew.% Vanadium, 13-17 Gew.% Chrom, 1-3 Gew.% Aluminium, bis zu 0,15 Gew.% Sauerstoff, 0,1-0,3 Gew.% Kohlenstoff und als Rest Titan plus zufällige Verunreinigungen.Preferably, the titanium alloy with beta structure contains 23-27 wt.% vanadium, 13-17 wt.% chromium, 1-3 wt.% aluminum, up to 0.15 wt.% oxygen, 0.1-0.3 wt.% carbon and the remainder titanium plus incidental impurities.
Vorzugsweise enthält die Titan-Legierung mit Beta-Struktur 25 Gew.% Vanadium, 15 Gew.% Chrom, 2 Gew.% Aluminium, bis zu 0,15 Gew.% Sauerstoff, 0,1-0,3 Gew.% Kohlenstoff und als Rest Titan plus zufällige Verunreinigungen.Preferably, the titanium alloy with beta structure contains 25 wt.% vanadium, 15 wt.% chromium, 2 wt.% aluminum, up to 0.15 wt.% oxygen, 0.1-0.3 wt.% carbon and the balance titanium plus incidental impurities.
Vorzugsweise wird die Titan-Legierung mit Beta-Struktur benutzt, um einen Gegenstand herzustellen, der aus einer Titan-Legierung mit Beta-Struktur besteht.Preferably, the titanium alloy with beta structure is used to produce an article consisting of a titanium alloy with beta structure.
Vorzugsweise ist der Gegenstand ein Bauteil eines Gasturbinentriebwerks.Preferably, the article is a component of a gas turbine engine.
Vorzugsweise ist der Bauteil eine Kompressor-Laufschaufel oder eine Kompressor- Leitschaufel.Preferably, the component is a compressor blade or a compressor guide vane.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing. In the drawing:
Fig. 1 zeigt eine Kompressor-Laufschaufel aus einer Titan-Legierung mit Beta-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung;Fig. 1 shows a compressor blade made of a titanium alloy with a beta structure according to the present invention;
Fig. 2 zeigt eine Kompressor-Laufschaufel mit einem Spitzenteil, der eine Titan-Legierung mit Beta-Struktur gemäß der Erfindung enthält;Fig. 2 shows a compressor blade with a tip portion containing a beta-structure titanium alloy according to the invention;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Streckung in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt für Titan-Legierungen mit Beta-Struktur und variierenden Anteilen von Kohlenstoff.Fig. 3 is a graphical representation of the strain versus oxygen content for beta-structure titanium alloys with varying amounts of carbon.
Eine Kompressor-Laufschaufel 10 eines Gasturbinentriebwerks, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, besitzt einen stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 12, eine Plattform 14 und einen Schaufelfuß 16. Die Kompressor-Laufschaufel 10 besteht aus einer Titan-Legierung mit Beta-Struktur, vorzugsweise aus einer feuerfesten Beta-Titan- Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kompressor-Laufschaufel aus der Titan-Legierung mit Beta-Struktur kann geschmiedet oder gegossen oder durch irgendein anderes thermomechanisches Verfahren hergestellt werden.A gas turbine engine compressor blade 10 as shown in Fig. 1 has an airfoil working section 12, a platform 14 and a blade root 16. The compressor blade 10 is made of a beta-structure titanium alloy, preferably a refractory beta-titanium alloy according to the present invention. The beta-structure titanium alloy compressor blade can be forged or cast or manufactured by any other thermo-mechanical process.
Eine Kompressor-Laufschaufel 20 für ein Gasturbinentriebwerk gemäß Fig. 2 besteht aus einem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 22, aus einer Plattform 24 und einem Schaufelfuß 26. Die Kompressor-Laufschaufel 20 weist auch einen Spitzenteil 28 am Ende des Stromlinienabschnitts 22 auf, das der Plattform 24 und dem Schaufelfuß 26 entgegengesetzt liegt. Der Spitzenteil 28 besteht aus einer Titan-Legierung mit Beta-Struktur, vorzugsweise aus einer feuerfesten Titan- Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spitzenteil 28 kann auf dem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 22 eine Schweißeinlage aufweisen, die unter Benutzung der feuerfesten Beta-Titan-Legierung als Schweißeinlage während der Verschweißung abgelagert wurde, z. B. durch ein Wolfram-Verschweißen mit inertem Gas (TIG). Die Schweißeinlage wird danach bezüglich Größe und Gestalt spanabhebend bearbeitet. Stattdessen kann der Spitzenteil 28 aus einem Block aus der feuerfesten Titan-Legierung mit Beta-Struktur bestehen, der auf dem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt beispielsweise durch Wolfram-Verschweißung mit inertem Gas (TIG) durch Laser-Verschweißung, durch Elektrodenstrahl- Verschweißung usw. aufgeschweißt ist. Der Block wird danach hinsichtlich Größe und Gestalt spanabhebend bearbeitet.A compressor blade 20 for a gas turbine engine as shown in Fig. 2 consists of an airfoil working section 22, a platform 24 and a blade root 26. The compressor blade 20 also includes a tip portion 28 at the end of the airfoil section 22 opposite the platform 24 and the blade root 26. The tip portion 28 is made of a beta-structure titanium alloy, preferably a refractory titanium alloy according to the present invention. The tip portion 28 may have a weld insert deposited on the airfoil working section 22 using the refractory beta-titanium alloy as a weld insert during welding, e.g., by inert gas tungsten (TIG) welding. The weld insert is then machined to size and shape. Instead, the tip portion 28 may consist of a block of the beta-structure refractory titanium alloy welded to the streamlined working section, for example by tungsten inert gas welding (TIG), laser welding, electrode beam welding, etc. The block is then machined to size and shape.
Die feuerfeste Titan-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt in Gewichtsprozenten folgende Bestandteile: 20-30 Gew.% Vanadium, 13-17 Gew.% Chrom, 1,0-3,0 Gew.% Aluminium, 0,1-0,4 Kohlenstoff, bis zu 0,2 Gew.% Sauerstoff und als Rest Titan plus zufällige Verunreinigungen. Vorzugsweise enthält die Beta-Titan-Legierung 23-27 Gew.% Vanadium, 13-17 Gew.% Chrom, 1-3 Gew.% Aluminium, bis zu 0,15 Gew.% Sauerstoff, 0,1-0,3 Gew.% Kohlenstoff und als Rest Titan plus zufällige Verunreinigungen. Vorzugsweise enthält die Beta- Titan-Legierung 25 Gew.% Vanadium, 15 Gew.% Chrom, 2 Gew.% Aluminium, bis zu 0,15 Gew.% Sauerstoff, 0,1-0,3 Gew.% Kohlenstoff und als Rest Titan plus zufällige Verunreinigungen.The refractory titanium alloy according to the present invention comprises the following components in weight percent: 20-30 wt.% vanadium, 13-17 wt.% chromium, 1.0-3.0 wt.% aluminum, 0.1-0.4 carbon, up to 0.2 wt.% oxygen and the balance titanium plus incidental impurities. Preferably, the beta titanium alloy contains 23-27 wt.% vanadium, 13-17 wt.% chromium, 1-3 wt.% aluminum, up to 0.15 wt.% oxygen, 0.1-0.3 wt.% carbon and the balance titanium plus incidental impurities. Preferably, the beta titanium alloy contains Titanium alloy 25 wt% vanadium, 15 wt% chromium, 2 wt% aluminum, up to 0.15 wt% oxygen, 0.1-0.3 wt% carbon and the remainder titanium plus incidental impurities.
Die feuerfeste Titan-Legierung mit Beta-Struktur besitzt insbesondere eine vorteilhafte Kombination von Kohlenstoff und Sauerstoff, wodurch die Verformbarkeit der feuerbeständigen Titan-Legierung verbessert wird. Es hat sich gezeigt, daß eine Synergie zwischen dem Sauerstoffpegel und dem Kohlenstoffpegel besteht. Insbesondere hat sich gezeigt, daß der Kohlenstoff mit dem Titan reagiert, um Titan-Karbid (Ti&sub2;C)-Ausscheidungen zu bilden, die die Korngröße der Beta-Titan- Legierungsmatrix vergüten.In particular, the beta-structured refractory titanium alloy has a favorable combination of carbon and oxygen, which improves the formability of the refractory titanium alloy. It has been shown that there is a synergy between the oxygen level and the carbon level. In particular, it has been shown that the carbon reacts with the titanium to form titanium carbide (Ti2C) precipitates which temper the grain size of the beta-titanium alloy matrix.
Außerdem haben die Titan-Karbid (Ti&sub2;C)-Ausscheidungen eine Affinität gegenüber dem Sauerstoff, und der Sauerstoff wird an den Titan-Karbid (Ti&sub2;C)-Ausscheidungen festgelegt, und so wird der Sauerstoff aus der Beta-Titan-Legierungsmatrix entfernt. Das Vorhandensein von Sauerstoff in der Beta-Titan-Legierungsmatrix bewirkt ein Fortschreiten der Ausscheidungen von Alpha-Titan in der Beta-Titan- Legierungsmatrix. Das Vorhandensein von Alpha-Titan in der Beta-Titan-Legierung vermindert die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierung. Weil die Titan-Karbid- Ausscheidungen Sauerstoff aus der Beta-Titan-Legierungsmatrix entfernen, ist demgemäß weniger Sauerstoff verfügbar, um die Ausscheidung des Alpha-Titan zu erhöhen, und so wird die Ausscheidung von Alpha-Titan in der Beta-Titan- Legierungsmatrix vermindert. Daher verbessert dies die Verformbarkeit der Titan- Legierung mit Beta-Struktur. Dabei ist festzustellen, daß der Kohlenstoff nicht den gesamten Sauerstoff aus der Beta-Titan-Legierungsmatrix entfernt.In addition, the titanium carbide (Ti2C) precipitates have an affinity for oxygen, and the oxygen is fixed to the titanium carbide (Ti2C) precipitates, thus removing the oxygen from the beta titanium alloy matrix. The presence of oxygen in the beta titanium alloy matrix causes the precipitation of alpha titanium to progress in the beta titanium alloy matrix. The presence of alpha titanium in the beta titanium alloy reduces the ductility of the beta titanium alloy. Because the titanium carbide precipitates remove oxygen from the beta titanium alloy matrix, accordingly, less oxygen is available to increase the precipitation of alpha titanium, thus reducing the precipitation of alpha titanium in the beta titanium alloy matrix. Therefore, this improves the ductility of the beta titanium alloy. It should be noted that the carbon does not remove all the oxygen from the beta-titanium alloy matrix.
Es hat sich gezeigt, daß Titan-Karbid (Ti&sub2;C)-Ausscheidungen gebildet werden, wenn mehr als 0,1 Gew.% Kohlenstoff in der Beta-Titan-Legierung gemäß der obigen Zusammensetzung enthalten ist. Diese Titan-Karbid-Ausscheidungen binden den Sauerstoff und vergüten das Korn. Der Kohlenstoffzusatz verbessert die Stabilität der Beta-Titan-Legierungen.It has been shown that titanium carbide (Ti2C) precipitates are formed when more than 0.1 wt.% carbon is contained in the beta titanium alloy according to the above composition. These titanium carbide precipitates bind the oxygen and temper the grain. The addition of carbon improves the stability of the beta titanium alloys.
Die Verbesserung der Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierungen, die durch die Synergie zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff zustandekommt, ermöglicht den Zusatz von Aluminium zur Beta-Titan-Legierung, und dies ermöglicht die Benutzung billigerer Master-Legierungen, z. B. von Vanadium-Aluminium-Master- Legierungen.The improvement in the formability of the beta-titanium alloys, which is brought about by the synergy between the oxygen and the carbon, allows the addition of aluminum to the beta-titanium alloy, and this enables the use of cheaper master alloys, e.g. vanadium-aluminum master alloys.
Es wurden Legierungen mit der in der Tabelle 1 erläuterten Zusammensetzung erzeugt unter Benutzung einer Plasma-Schmelzvorrichtung aus Mischungen von Master-Legierungen und elementaren Rohmaterialien. Entweder wurde ein Titanschwamm mit 0,04 Gew.% Sauerstoff benutzt oder ein Titangranulat mit 0,086 Gew.% Sauerstoff gemäß dem gewünschten Sauerstoffpegel. Der Basispegel von Kohlenstoff mit keinem zufälligen Zusatz von Kohlenstoff beträgt 0,02 Gew.% Kohlenstorf, der durch Verunreinigungen des Rohmaterials eingebracht wurde. TABELLE 1 Zusammensetzung in Gewichtsprozenten Alloys having the composition shown in Table 1 were produced using a plasma melter from mixtures of master alloys and elemental raw materials. Either a titanium sponge with 0.04 wt.% oxygen was used or a titanium granule with 0.086 wt.% oxygen was used according to the desired oxygen level. The base level of carbon with no incidental carbon addition is 0.02 wt.% carbon tare introduced by impurities in the raw material. TABLE 1 Composition in weight percent
Die Legierungsproben wurden sämtlich bei 1050ºC geschmiedet, um Flachscheiben mit einer Dicke von etwa 16 mm zu erzeugen. Die Proben wurden dann bei 850ºC zwei Stunden lang wärmebehandelt und in Luft gekühlt oder bei 1050ºC für 0,5 Stunden lang wärmebehandelt und dann luftgekühlt, gefolgt von einer Alterungsbehandlung bei 700ºC während vier Stunden und Luftkühlung oder Wärmebehandlung von 1050ºC bei 0,5 Stunden und Luftkühlung, gefolgt von einer Alterungsbehandlung bei 700ºC während vier Stunden mit Luftkühlung und gefolgt durch eine Wärmebehandlung mit 550ºC während 500 Stunden mit Luftkühlung.The alloy samples were all forged at 1050ºC to produce flat discs with a thickness of approximately 16 mm. The samples were then heat treated at 850ºC for two hours and cooled in air or at 1050ºC for 0.5 hours and then air cooled, followed by an ageing treatment at 700ºC for four hours and air cooling, or heat treatment of 1050ºC for 0.5 hour and air cooling, followed by an ageing treatment at 700ºC for four hours with air cooling and followed by a heat treatment at 550ºC for 500 hours with air cooling.
Die Legierungsproben wurden geschnitten, poliert und geätzt, um der herkömmlichen optischen Mikroskopie und Elektronen-Abtast-Mikroskopie unterworfen zu werden. Es wurde zusätzlich eine Röntgenstrahl-Beugungs- Mikroskopie und eine EDX- und Transmissions-Elektronen-Mikroskopie bei den Legierungsproben durchgeführt. Sämtliche Legierungsproben wurden auf Zug bei Raumtemperatur überprüft, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 aufgenommen und graphisch in Fig. 3 dargestellt.The alloy samples were cut, polished and etched to be subjected to conventional optical microscopy and scanning electron microscopy. In addition, X-ray diffraction microscopy and EDX and transmission electron microscopy were performed on the alloy samples. All alloy samples were tested for tensile strength at room temperature and the results are recorded in Table 2 and graphically presented in Fig. 3.
Bedingung 1: - 850ºC/2 Stunden luftgekühltCondition 1: - 850ºC/2 hours air cooled
Bedingung 2: - 1050ºC/0,5 Stunden luftgekühlt und 700ºC/4 Stunden luftgekühltCondition 2: - 1050ºC/0.5 hours air cooled and 700ºC/4 hours air cooled
Bedingung 3: - 1050ºC/0,5 Stunden luftgekühlt und 700ºC/4 Stunden luftgekühlt und 550ºC/500 Stunden luftgekühlt.Condition 3: - 1050ºC/0.5 hours air cooled and 700ºC/4 hours air cooled and 550ºC/500 hours air cooled.
Der Kohlenstoff in den Legierungen A8, A14 und A12 wird von Verunreinigungen in der Legierung gebildet und nicht von bewußtem Zusatz von Kohlenstoff. TABELLE 2 Zugeigenschaften The carbon in alloys A8, A14 and A12 is formed from impurities in the alloy and not from the deliberate addition of carbon. TABLE 2 Tensile properties
Aus der Tabelle 2 und Fig. 3 ergibt sich, daß dann, wenn kein Kohlenstoff absichtlich zugesetzt wird, der Trend besteht, daß die Verlängerung und die Verformbarkeit mit ansteigendem Sauerstoffgehalt abfällt. Es ist auch klar, daß dann, wenn Kohlenstoff zugesetzt wird, die Verlängerung und die Verformbarkeit verbessert werden. Es ist ersichtlich, daß eine beträchtliche Verbesserung der Verformbarkeit besteht, indem über 0,1 Gew.% Kohlenstoff zu der Beta-Titan- Legierung mit 0,095 bis 0,115 Gew.% Sauerstoff zugesetzt werden (vergleiche die Legierungen A14, A17, A18 und A11). Die Verbesserung der Verformbarkeit für Legierungen mit 0,15 bis 0,165 Gew.% Sauerstoff und über 0,2 Gew.% Kohlenstoff ist für die meisten der Wärmebehandlungen ebenfalls beträchtlich. Es ist ersichtlich, daß die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierungen ohne Kohlenstoffzusatz nach der Wärmebehandlungs-Bedingung 3 verschlechtert wird. Dies ist eine Folge von Ausscheidungen des Alpha-Titans in der Beta-Titan- Legierungsmatrix. Die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierungen mit Kohlenstoffzusatz verschlechtert sich nach der Wärmebehandlung. Jedoch wird eine gewisse Verformbarkeit aufrechterhalten. Auch hat die Verformbarkeit der Legierungen A19 und A20 mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Sauerstoffgehalt einen größeren Wert als bei der Legierung A17 mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt und niedrigerem Sauerstoffgehalt nach der Wärmebehandlungs-Bedingung 3.From Table 2 and Fig. 3, when no carbon is intentionally added, there is a trend that elongation and ductility decrease with increasing oxygen content. It is also clear that when carbon is added, elongation and ductility are improved. It can be seen that there is a significant improvement in ductility by adding over 0.1 wt% carbon to the beta titanium alloy with 0.095 to 0.115 wt% oxygen (compare alloys A14, A17, A18 and A11). The improvement in ductility for alloys with 0.15 to 0.165 wt% oxygen and over 0.2 wt% carbon is also significant for most of the heat treatments. It can be seen that the formability of the beta titanium alloys without carbon addition deteriorates after heat treatment condition 3. This is a result of precipitation of alpha titanium in the beta titanium alloy matrix. The formability of the beta titanium alloys with carbon addition deteriorates after heat treatment. However, a certain formability is maintained. Also, the formability of the high carbon and high oxygen alloys A19 and A20 has a greater value than that of the lower carbon and lower oxygen alloy A17 after heat treatment condition 3.
Eine Überprüfung zeigte, daß die Legierungsproben ohne Kohlenstoff Spaltbrüche aufwiesen, während die Legierungsproben mit Kohlenstoff in bezug auf die Verformbarkeit oder auf Verformbarkeit und Sprödigkeit fehlerhaft waren.An examination showed that the alloy samples without carbon exhibited cleavage fractures, while the alloy samples with carbon were defective in terms of ductility or ductility and brittleness.
Der Zusatz von Kohlenstoff überwindet die einander zuwiderlaufenden Wirkungen, die Sauerstoff und Alpha-Titan auf die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierung bei Raumtemperatur und die metallurgische Stabilität der Beta-Titan-Legierung haben, nachdem diese hohen Temperaturen ausgesetzt waren.The addition of carbon overcomes the opposing effects that oxygen and alpha titanium have on the ductility of the beta titanium alloy at room temperature and the metallurgical stability of the beta titanium alloy after exposure to high temperatures.
Die gebildeten Titan-Karbid-Ausscheidungen sind stabil gegenüber einer Wärmebehandlung, und diese Titan-Karbid-Ausscheidungen vergüten sowohl die geschmiedete und durch Wärme behandelte Mikrostruktur als auch die gegossene Mikrostruktur. Die vergütete Mikrostruktur kann sich gleichmäßiger verformen und kann eine Auswirkung auf die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierung haben. Die Titan-Karbid-Ausscheidungen binden Sauerstoff und verbessern die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierungsmatrix und unterdrücken die Erzeugung von Alpha-Titan in der Beta-Titan-Legierungsmatrix. Die vergütete Beta-Titan-Legierungsmatrix besitzt ein kleineres Korn, und daher ergeben sich mehr Korngrenzen. Die Anteile der Alpha-Titan-Ausscheidungen, die an jeder Korngrenze vorhanden sind, sind geringer, und dies erhöht weiter die Verformbarkeit, indem die Sprödigkeit infolge des Alpha-Titan vermindert wird. Der Kohlenstoffpegel darf in den Beta-Titan- Legierungen nicht zu hoch sein, da die Ausscheidungen von zu viel Titan-Karbid die Verformbarkeit ungünstig beeinflussen.The formed titanium carbide precipitates are stable to heat treatment, and these titanium carbide precipitates temper both the forged and heat treated microstructure and the cast microstructure. The tempered microstructure can deform more uniformly and can have an effect on the formability of the beta titanium alloy. The titanium carbide precipitates bind oxygen and improve the formability of the beta titanium alloy matrix and suppress the generation of alpha titanium in the beta titanium alloy matrix. The tempered beta titanium alloy matrix has a smaller grain and therefore more grain boundaries result. The proportions of alpha titanium precipitates present at each grain boundary are smaller and this further increases the formability by reducing the brittleness due to the alpha titanium. The carbon level in the beta titanium alloys must not be too high as the precipitation of too much titanium carbide adversely affects the formability.
Es ist bekannt, daß der Zusatz von Kohlenstoff zu Beta-Titan-Legierungen Titan- Karbide erzeugt. Es ist außerdem bekannt, daß Beta-Titan-Legierungen infolge der Titan-Karbid-Ausscheidung spröde werden. Demgemäß ist diese Verbesserung in der Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierung infolge des höheren als des normalen Zusatzes von Kohlenstoff in Gegenwart von Sauerstoff völlig unerwartet.It is known that the addition of carbon to beta titanium alloys produces titanium carbides. It is also known that beta titanium alloys become brittle due to titanium carbide precipitation. Accordingly, this improvement in the ductility of the beta titanium alloy due to the higher than normal addition of carbon in the presence of oxygen is completely unexpected.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf einen schmalen Bereich von Beta- Titan-Legierungen beschrieben. Es wird jedoch angenommen, daß die Erfindung für alle Titan-Legierungen mit Beta-Struktur anwendbar ist, die mehr als 10 Gew.% von einem oder mehreren Beta-Stabilisierungselementen und Sauerstoff haben, der die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierungen durch stabilisierendes Alpha-Titan oder Alpha-2-Titan in der Beta-Titan-Legierungsmatrix vermindert. Das Beta- Stabilisierungselement kann eines oder es können mehrere der folgenden Elemente sein: Vanadium, Molybden, Tantal, Niob, Chrom, Wolfram, Mangan, Kupfer, Nickel und Eisen.The invention has been described with reference to a narrow range of beta titanium alloys. However, it is believed that the invention is applicable to all titanium alloys of beta structure having more than 10 wt.% of one or more beta stabilizing elements and oxygen which reduces the ductility of the beta titanium alloys by stabilizing alpha titanium or alpha-2 titanium in the beta titanium alloy matrix. The beta stabilizing element may be one or more of the following elements: vanadium, molybdenum, tantalum, niobium, chromium, tungsten, manganese, copper, nickel and iron.
Die Vorteile, die sich durch die vorliegende Erfindung ergeben, liegen in einer Verbesserung der Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierung, die sich durch die Synergie zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff ergibt. Dies ermöglicht den Zusatz von Aluminium zu der Beta-Titan-Legierung, und dies ermöglicht die Benutzung von billigeren Master-Legierungen, z. B. Master-Legierungen mit Vanadium und Aluminium. Es kann sich auch eine Verbesserung im Verarbeitungstemperaturbereich ergeben.The advantages provided by the present invention are an improvement in the formability of the beta titanium alloy, which is provided by the synergy between oxygen and carbon. This allows the addition of aluminum to the beta titanium alloy, and this allows the use of cheaper master alloys, e.g. master alloys with vanadium and aluminum. There may also be an improvement in the processing temperature range.
Der oben beschriebene Stand der Technik beschreibt nicht, daß eine Synergie zwischen Kohlenstorf und Sauerstoff in Beta-Titan-Legierungen besteht, wodurch die Verformbarkeit der Beta-Titan-Legierung erhöht wird. Der Stand der Technik legt dies auch nicht nahe.The prior art described above does not describe that a synergy exists between carbon and oxygen in beta-titanium alloys, which increases the formability of the beta-titanium alloy. The prior art does not suggest this either.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die Benutzung als Kompressor-Laufschaufel und Kompressor-Leitschaufel beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch zur Herstellung von Kompressorgehäusen und anderen Bauteilen eines Gasturbinentriebwerks oder anderer Triebwerke für andere Anwendungen benutzt werden.The invention has been described above with reference to use as a compressor blade and compressor vane. However, the invention can also be used to manufacture compressor housings and other components of a gas turbine engine or other engines for other applications.
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