EP1696043A1 - Process for casting a Titanium-alloy - Google Patents
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- EP1696043A1 EP1696043A1 EP05004173A EP05004173A EP1696043A1 EP 1696043 A1 EP1696043 A1 EP 1696043A1 EP 05004173 A EP05004173 A EP 05004173A EP 05004173 A EP05004173 A EP 05004173A EP 1696043 A1 EP1696043 A1 EP 1696043A1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Definitions
- the invention relates to a method for casting objects from a ⁇ -titanium alloy, more particularly a titanium-molybdenum alloy.
- Titanium alloys are becoming increasingly popular because of their many beneficial properties. In particular, because of their good chemical resistance, even at high temperature, and their low weight with excellent mechanical properties titanium alloys are used in all areas where high demands are placed on the material. Because of their excellent biocompatibility, titanium alloys are also preferably used in the medical field, in particular for implants and prostheses.
- titanium alloys are forgings, so forging processes are mostly used. Because it has been shown that titanium alloys are difficult to pour. Usually this approach is taken in complicated shapes, but this approach leads to limitations in the selection of suitable alloys. In particular, it was found that only unsatisfactory results are achieved in the casting of ⁇ -titanium alloys (US-A-2004/0136859).
- the invention has for its object to provide an improved casting method for ⁇ -titanium alloys, the one Production of even complex shapes with good material properties allowed.
- the alloy in a method of casting articles of a ⁇ -titanium alloy comprising titanium molybdenum having a molybdenum content of 7.5 to 25%, the alloy is melted at a temperature of over 1770 ° C, the molten alloy is poured into a is mold-molded appropriate hot mold, hot isostatically pressed, solution-annealed and then quenched.
- the invention With the method according to the invention, a rational production of articles made of ⁇ -titanium alloys is achieved by precision casting.
- the invention thus makes it possible to combine the advantageous properties of ⁇ -titanium alloys, in particular its excellent mechanical properties, with the advantages of producing articles by precision casting.
- objects with complex shapes, which could not be made or not made meaningful by conventional forging processes, can thanks to the Invention are made of a ⁇ -titanium alloy.
- the invention also opens up the field of application of the complex shaped articles to the ⁇ -titanium alloys known for their excellent mechanical properties and biocompatibility.
- the proportion of molybdenum in the alloy or its molybdenum equivalent is in the range of 7.5 to 25%.
- a molybdenum content of at least 10% a sufficient stabilization of the ⁇ -phase up to the region of room temperature results.
- the content is between 12 and 16%. This can be achieved by fast cooling after the investment casting a metastable ⁇ -phase.
- the addition of other alloying agents is usually unnecessary. In particular, it is not necessary that vanadium or aluminum be added. The absence of this has the already mentioned advantage that the toxicity emanating from these alloy formers can be avoided.
- bismuth which in terms of its biocompatibility likewise does not equal titanium.
- a cold wall crucible vacuum induction plant is used to melt the ⁇ -titanium alloy.
- the high temperatures required for a safe melting of titanium-molybdenum alloys for investment casting can be achieved.
- a surcharge of about 60 ° C is appropriate to achieve a safe investment casting.
- a temperature of 1830 ° C for TiMo15 must be achieved.
- Hot isostatic pressing preferably takes place at a temperature which is at most as high as a beta transus temperature of the titanium-molybdenum alloy and at a minimum of 100 ° C. below the beta-transus temperature.
- Hot isostatic pressing counteracts unfavorable effects due to an accumulation of molybdenum in dendrites while depleting the residual melt, by bringing interdendritic precipitates into solution.
- Favorable is a temperature below the ⁇ -transus temperature, up to 100 ° C below.
- temperatures in the range of 710 ° C. to 760 ° C., preferably of about 740 ° C., at an argon pressure of about 1100 to 1200 bar have proved successful.
- temperatures of at least 700 ° C up to 880 ° C have proven, preferably in the range of 800 ° C to 860 ° C.
- Argon is preferably used to generate a protective gas atmosphere. This achieves an improvement in the ductility of the alloy.
- quenching of the article by water occurs after solution heat treatment.
- cold water is used.
- cold is meant the temperature of unheated tap water. Quenching has been shown to exert a strong influence on the ultimate mechanical properties of the article. Alternatively, it can also be quenched in inert gas, for example by argon cooling. However, the results achieved remain behind those achieved with cold water.
- the curing in a temperature range of about 600 ° C to about 700 ° C is done.
- Starting material is a ⁇ -titanium alloy with a molybdenum content of 15% (TiMo15). This alloy can be purchased commercially in the form of small ingots.
- an investment casting of the objects to be cast takes place.
- a casting plant is planned.
- it is a cold wall crucible vacuum induction melting and casting equipment.
- the melting point of TiMo15 is included 1770 ° C plus a surcharge of approx. 60 ° C for a safe investment casting. Overall, therefore, a temperature of 1830 ° C must be achieved.
- the investment casting of the melt is then carried out by means of known methods, for example with wax cores and ceramic molds as a lost form. Such investment casting techniques are known for investment casting of TiA16V4.
- the interdendritic zones have a molybdenum content of less than 15% in the cast structure, whereby the molybdenum content can drop to values of about 10%.
- molybdenum depletion there is a lack of sufficient ⁇ -stabilizers in the interdendritic zones. This has the consequence that locally sets an increased a / ⁇ transformation temperature, whereby the precipitates to be recognized in Fig. 2 arise.
- this layer has a thickness of about 0.03 mm.
- a hot isostatic pressing is provided, namely at a temperature just below the ⁇ -transus temperature. It may range from 710 ° C to 760 ° C, preferably about 740 ° C.
- the undesired precipitates in the interdendritic zones go into solution again.
- An advance storage before or after the hipping is not required.
- fine secondary phases are again precipitated, preferably in the original interdendritic zones (see FIG. 3, magnification 1000 times). This results in unwanted embrittlement of the material.
- the articles have a low ductility after being tipped.
- the castings are annealed in a chamber furnace under a protective gas atmosphere (eg argon).
- a protective gas atmosphere eg argon
- a temperature range of about 700 ° C to 860 ° C is selected, with a duration of several, usually two hours. There is an opposite relationship between the temperature and the duration, at higher temperature is sufficient for a shorter time and vice versa.
- the castings are quenched with cold water.
- Fig. 4 1000X magnification
- the microstructure after solution annealing is shown.
- the articles finely cast with the method according to the invention have, in their crystal structure, ⁇ grains with an average size of more than 0.3 mm. This size is typical of the crystal structure achieved by the process of the invention.
- the modulus of elasticity decreases with increasing temperature during solution annealing, to values up to 60,000 N / mm 2 .
- the toughness values improve with decreasing strength and hardness.
- a modulus of elasticity of 60,000 N / mm 2 is achieved with an elongation at break of approximately 40% and a breaking strength Rm of approximately 730 N / mm 2 .
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Gegenständen aus einer β-Titanlegierung, genauer gesagt einer Titan-Molybdänlegierung.The invention relates to a method for casting objects from a β-titanium alloy, more particularly a titanium-molybdenum alloy.
Titanlegierungen erfreuen sich wegen ihrer zahlreichen vorteilhaften Eigenschaften einer immer größeren Beliebtheit. Insbesondere wegen ihrer guten chemischen Beständigkeit, auch unter hoher Temperatur, und ihres geringen Gewichts bei hervorragenden mechanischen Eigenschaften werden Titanlegierungen in all den Bereichen verwendet, in denen hohe Anforderungen an das Material gestellt werden. Wegen ihrer hervorragenden Biokompatibilität werden Titanlegierungen auch bevorzugt im medizinischen Bereich eingesetzt, insbesondere für Implantate und Prothesen.Titanium alloys are becoming increasingly popular because of their many beneficial properties. In particular, because of their good chemical resistance, even at high temperature, and their low weight with excellent mechanical properties titanium alloys are used in all areas where high demands are placed on the material. Because of their excellent biocompatibility, titanium alloys are also preferably used in the medical field, in particular for implants and prostheses.
Es sind verschiedene Methoden zur Formgebung von Titanlegierungen bekannt. Neben spanabhebender Verarbeitung sind das vor allem Gieß- und Schmiedeverfahren. Im Grunde sind Titanlegierungen Schmiedelegierungen, daher werden meist Schmiedeverfahren verwendet. Denn es hat sich gezeigt, dass Titanlegierungen schwierig zu gießen sind. Meist wird dieser Weg bei komplizierten Formen beschritten, jedoch führt dieser Weg zu Einschränkungen bei der Auswahl geeigneter Legierungen. Insbesondere zeigte sich, dass beim Giessen von β-Titanlegierungen nur unbefriedigende Ergebnisse erzielt werden (US-A-2004/0136859).Various methods for shaping titanium alloys are known. In addition to machining these are mainly casting and forging processes. Basically, titanium alloys are forgings, so forging processes are mostly used. Because it has been shown that titanium alloys are difficult to pour. Mostly this approach is taken in complicated shapes, but this approach leads to limitations in the selection of suitable alloys. In particular, it was found that only unsatisfactory results are achieved in the casting of β-titanium alloys (US-A-2004/0136859).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gießverfahren für β-Titanlegierungen zu schaffen, das eine Herstellung auch komplexer Formen bei guten Materialeigenschaften erlaubt.The invention has for its object to provide an improved casting method for β-titanium alloys, the one Production of even complex shapes with good material properties allowed.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einem Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution according to the invention lies in a method having the features of the main claim. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zum Gießen von Gegenständen aus einer β-Titanlegierung umfassend Titan-Molybdän mit einem Molybdängehalt von 7,5 bis 25 % vorgesehen, dass die Legierung bei einer Temperatur von über 1770 °C geschmolzen wird, die aufgeschmolzene Legierung in eine dem herzustellenden Gegenstand entsprechende Gussform feingegossen wird, heißisostatisch gepresst wird, lösungsgeglüht wird und anschließend abgeschreckt wird.According to the invention, in a method of casting articles of a β-titanium alloy comprising titanium molybdenum having a molybdenum content of 7.5 to 25%, the alloy is melted at a temperature of over 1770 ° C, the molten alloy is poured into a is mold-molded appropriate hot mold, hot isostatically pressed, solution-annealed and then quenched.
Unter Gegenstand wird vorliegend ein zur Endverwendung geformtes Produkt verstanden. Es kann sich beispielsweise im Gebiet der Luftfahrt um Teile für Triebwerke, Rotorlager, Flügelkästen oder andere Tragstrukturteile oder im Gebiet der Medizin um Endoprothesen, wie Hüftprothesen, oder Implantate, wie Platten und Stifte oder Dentalimplantate handeln. Der Begriff des Gegenstands im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst nicht Barren, die zur Weiterverarbeitung durch Umformverfahren gedacht sind, also insbesondere nicht durch Kokillenguss hergestellte Ingots zur Weiterverarbeitung durch Schmieden.Under article is understood in the present case a molded product for end use. In the field of aviation, for example, parts for engines, rotor bearings, wing boxes or other support structure parts or in the field of medicine can be endoprostheses, such as hip prostheses, or implants, such as plates and pins or dental implants. The term article for the purposes of the present application does not include bars which are intended for further processing by forming processes, ie in particular ingots not produced by chill casting for further processing by forging.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine rationelle Herstellung von Gegenständen aus β-Titanlegierungen im Feingussverfahren erreicht. Die Erfindung schafft damit die Möglichkeit, die vorteilhaften Eigenschaften von β-Titanlegierungen, insbesondere seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften, mit den Vorteilen einer Herstellung von Gegenständen im Feingussverfahren zu kombinieren. Auch Gegenstände mit komplexen Formen, die durch herkömmliche Schmiedeverfahren nicht oder nicht sinnvoll hergestellt werden konnten, können dank der Erfindung aus einer β-Titanlegierung hergestellt werden. Damit erschließt die Erfindung dem für seine vorzüglichen mechanischen Eigenschaften sowie Biokompatibilität bekannten β-Titanlegierungen auch das Anwendungsfeld der komplex geformten Gegenstände.With the method according to the invention, a rational production of articles made of β-titanium alloys is achieved by precision casting. The invention thus makes it possible to combine the advantageous properties of β-titanium alloys, in particular its excellent mechanical properties, with the advantages of producing articles by precision casting. Also objects with complex shapes, which could not be made or not made meaningful by conventional forging processes, can thanks to the Invention are made of a β-titanium alloy. Thus, the invention also opens up the field of application of the complex shaped articles to the β-titanium alloys known for their excellent mechanical properties and biocompatibility.
Der Anteil des Molybdäns in der Legierung bzw. deren Molybdänäquivalent liegt im Bereich von 7,5 bis 25 %. Damit ergibt sich, insbesondere bei einem Molybdängehalt von mindestens 10 % eine ausreichende Stabilisierung der β-Phase bis in den Bereich der Raumtemperatur. Vorzugsweise beträgt der Gehalt zwischen 12 und 16 %. Damit kann durch schnelles Abkühlen nach dem Feinguss eine metastabile β-Phase erreicht werden. Die Zugabe weiterer Legierungsbildner ist in der Regel entbehrlich. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass Vanadium oder Aluminium hinzugefügt wird. Der Verzicht darauf hat den bereits angesprochenen Vorteil, dass die von diesen Legierungsbildnern ausgehende Toxizität vermieden werden kann. Entsprechendes gilt für Bismut, das in seiner Biokompatibilität ebenfalls nicht an Titan heranreicht.The proportion of molybdenum in the alloy or its molybdenum equivalent is in the range of 7.5 to 25%. Thus, in particular with a molybdenum content of at least 10%, a sufficient stabilization of the β-phase up to the region of room temperature results. Preferably, the content is between 12 and 16%. This can be achieved by fast cooling after the investment casting a metastable β-phase. The addition of other alloying agents is usually unnecessary. In particular, it is not necessary that vanadium or aluminum be added. The absence of this has the already mentioned advantage that the toxicity emanating from these alloy formers can be avoided. The same applies to bismuth, which in terms of its biocompatibility likewise does not equal titanium.
Es hat sich gezeigt, dass mit den bisher kaum für den Feinguss zu verwendenden β-Titanlegierungen dank der Erfindung sogar komplexere Formen hergestellt werden können als den bisher für den Feinguss verwendeten α/β-Titanlegierungen, wie zum Beispiel TiA16V4. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein verbessertes Formfüllungsvermögen erreicht. So können dank der Erfindung beim Feinguss insbesondere scharfe Kanten mit höherer Qualität erzeugt werden. Auch die Neigung zur Bildung von Lunkern beim Feinguss ist dank des besseren Formfüllungsvermögens vermindert.It has been shown that with the β-titanium alloys which have hitherto scarcely been used for investment casting, even more complex shapes can be produced thanks to the invention than the α / β titanium alloys hitherto used for precision casting, such as TiA16V4. With the method according to the invention an improved mold filling capacity is achieved. Thus, thanks to the invention, in particular, sharp edges with higher quality can be produced during precision casting. The tendency to form voids during precision casting is also reduced thanks to the better mold filling capacity.
Zweckmäßigerweise wird zum Schmelzen der β-Titanlegierung eine Kaltwandtiegel-Vakuuminduktionsanlage verwendet. Mit einer solchen Anlage können die hohen Temperaturen, die für ein sicheres Schmelzen von Titan-Molybdänlegierungen zum Feingießen erforderlich sind, erreicht werden. So liegt der Schmelzpunkt von TiMo15 bei 1770 °C. Dazu ist noch ein Zuschlag von ca. 60 °C zweckmäßig, um ein sicheres Feingießen zu erreichen. Insgesamt muss so eine Temperatur von 1830 °C für TiMo15 erreicht werden.Conveniently, a cold wall crucible vacuum induction plant is used to melt the β-titanium alloy. With such a plant, the high temperatures required for a safe melting of titanium-molybdenum alloys for investment casting can be achieved. This is the melting point of TiMo15 at 1770 ° C. For this purpose, a surcharge of about 60 ° C is appropriate to achieve a safe investment casting. Overall, a temperature of 1830 ° C for TiMo15 must be achieved.
Vorzugsweise erfolgt das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur, die maximal so hoch wie eine Beta-Transustemperatur der Titan-Molybdänlegierung und minimal 100 °C unter der Beta-Transustemperatur liegt.Hot isostatic pressing preferably takes place at a temperature which is at most as high as a beta transus temperature of the titanium-molybdenum alloy and at a minimum of 100 ° C. below the beta-transus temperature.
Durch das heißisostatische Pressen wird ungünstigen Effekten augrund einer Anreicherung des Molybdäns in Dendriten unter Verarmung der Restschmelze entgegengewirkt, indem interdendritische Ausscheidungen in Lösung gebracht werden. Günstig ist eine Temperatur unterhalb der β-Transustemperatur, und zwar bis zu 100 °C darunter. Für eine Titanmolybdänlegierung mit 15 % Molybdänanteil haben sich Temperaturen im Bereich von 710 °C bis 760 °C, vorzugsweise von etwa 740 °C, bei einem Argondruck von etwa 1100 bis 1200 bar bewährt.Hot isostatic pressing counteracts unfavorable effects due to an accumulation of molybdenum in dendrites while depleting the residual melt, by bringing interdendritic precipitates into solution. Favorable is a temperature below the β-transus temperature, up to 100 ° C below. For a titanium molybdenum alloy with 15% molybdenum content, temperatures in the range of 710 ° C. to 760 ° C., preferably of about 740 ° C., at an argon pressure of about 1100 to 1200 bar, have proved successful.
Für das Lösungsglühen haben sich Temperaturen von mindestens 700 °C bis zu 880 °C bewährt, vorzugsweise im Bereich von 800 °C bis 860 °C. Zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre wird vorzugsweise Argon verwendet. Damit wird eine Verbesserung der Duktilität der Legierung erreicht.For the solution annealing, temperatures of at least 700 ° C up to 880 ° C have proven, preferably in the range of 800 ° C to 860 ° C. Argon is preferably used to generate a protective gas atmosphere. This achieves an improvement in the ductility of the alloy.
Zweckmäßigerweise erfolgt nach dem Lösungsglühen ein Abschrecken des Gegenstands durch Wasser. Vorzugsweise wird kaltes Wasser verwendet. Unter "kalt" wird hierbei die Temperatur von ungewärmtem Leitungswasser verstanden. Es hat sich gezeigt, dass das Abschrecken einen starken Einfluss auf die schließlich erreichten mechanischen Eigenschaften des Gegenstands ausübt. Es kann alternativ auch ein Abschrecken in Schutzgas erfolgen, beispielsweise durch eine Argonkühlung. Die damit erreichten Ergebnisse bleiben aber hinter den mit kaltem Wasser erreichten zurück.Appropriately, quenching of the article by water occurs after solution heat treatment. Preferably, cold water is used. By "cold" is meant the temperature of unheated tap water. Quenching has been shown to exert a strong influence on the ultimate mechanical properties of the article. Alternatively, it can also be quenched in inert gas, for example by argon cooling. However, the results achieved remain behind those achieved with cold water.
Es kann zweckmäßig sein, den Gegenstand zum Abschluss noch zu härten. Hiermit kann bei Bedarf der Elastizitätsmodul etwas erhöht werden. Vorzugsweise geschieht dazu das Härten in einem Temperaturbereich von ca. 600 °C bis ca. 700 °C.It may be appropriate to harden the article at the conclusion. This can be slightly increased if necessary, the modulus of elasticity. Preferably, the curing in a temperature range of about 600 ° C to about 700 ° C is done.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Tabelle mit mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen feingegossenen Titanlegierung;
- Fig. 2
- eine Abbildung des Mikrogefüges in einem Gusszustand unmittelbar nach dem Giessen;
- Fig. 3
- eine Abbildung des Mikrogefüges nach dem Hippen;
- Fig. 4
- eine Abbildung des Mikrogefüges nach dem Lösungsglühen mit anschließender Abschreckung; und
- Fig. 5
- eine Darstellung von Liquidus- und Solidustemperaturen für eine Titan-Molybdänlegierung.
- Fig. 1
- a table with mechanical properties of the finely cast titanium alloy according to the invention;
- Fig. 2
- an image of the microstructure in a cast state immediately after casting;
- Fig. 3
- an illustration of the microstructure after hipging;
- Fig. 4
- an illustration of the microstructure after solution annealing with subsequent quenching; and
- Fig. 5
- a representation of liquidus and solidus temperatures for a titanium-molybdenum alloy.
Nachfolgend wird ein Weg zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.Hereinafter, a way to carry out the method according to the invention will be described.
Ausgangsmaterial ist eine β-Titanlegierung mit einem Molybdänanteil von 15 % (TiMo15). Diese Legierung kann handelsüblich in Form von kleinen Barren (Ingots) erworben werden.Starting material is a β-titanium alloy with a molybdenum content of 15% (TiMo15). This alloy can be purchased commercially in the form of small ingots.
In einem ersten Schritt erfolgt ein Feinguss der zu gießenden Gegenstände. Zum Schmelzen und Gießen des TiMo15 ist eine Gießanlage vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich um eine Kaltwandtiegel-Vakuuminduktions-Schmelz- und Gießanlage. Mit einer solchen Anlage können die hohen Temperaturen, die für ein sicheres Schmelzen von TiMo15 zum Feingießen erforderlich sind, erreicht werden. Der Schmelzpunkt von TiMo15 liegt bei 1770 °C zuzüglich eines Zuschlags von ca. 60 °C für ein sicheres Feingießen. Insgesamt muss also eine Temperatur von 1830 °C erreicht werden. Das Feingießen der Schmelze erfolgt anschließend mittels an sich bekannter Verfahren, beispielsweise mit Wachskernen und Keramikformen als verlorene Form. Derartige Feingusstechniken sind zum Feingießen von TiA16V4 bekannt.In a first step, an investment casting of the objects to be cast takes place. For melting and casting of the TiMo15 a casting plant is planned. Preferably, it is a cold wall crucible vacuum induction melting and casting equipment. With such a plant, the high temperatures required for a safe melting of TiMo15 for investment casting can be achieved. The melting point of TiMo15 is included 1770 ° C plus a surcharge of approx. 60 ° C for a safe investment casting. Overall, therefore, a temperature of 1830 ° C must be achieved. The investment casting of the melt is then carried out by means of known methods, for example with wax cores and ceramic molds as a lost form. Such investment casting techniques are known for investment casting of TiA16V4.
Wie man an der Abbildung (1000fache Vergrößerung) in Fig. 2 erkennen kann, bilden sich Dendriten und in interdendritischen Zonen zeigen sich erhebliche Ausscheidungen. Dies ist eine Folge der so genannten negativen Seigerung von Titan-Molybdänlegierungen. Dieser Effekt beruht auf dem speziellen Verlauf der Liquidus- und Solidustemperatur bei Titan-Molybdänlegierungen, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist. Wegen des dargestellten Verlaufs der Schmelztemperaturen der flüssigen Phase (TL) und der festen Phase (TS) erstarren in der Schmelze zuerst die Bereiche mit hohem Molybdänanteil, wobei sich die in der Abbildung zu erkennenden Dendriten bilden. Als Folge davon verarmt die Restschmelze, d. h. ihr Molybdängehalt sinkt. Die interdendritischen Zonen haben im Gussgefüge einen Molybdängehalt von unter 15 %, wobei der Molybdängehalt auf Werte von ca. 10 % absinken kann. Als Folge der Molybdänverarmung fehlt in den interdendritischen Zonen eine ausreichende Menge an β-Stabilisatoren. Das hat zur Folge, dass sich lokal eine erhöhte a/β-Umwandelungstemperatur einstellt, wodurch die in Fig. 2 zu erkennenden Ausscheidungen entstehen.As can be seen in the figure (1000X magnification) in Fig. 2, dendrites are formed and in interdendritic zones significant precipitates appear. This is a consequence of the so-called negative segregation of titanium-molybdenum alloys. This effect is based on the special course of the liquidus and solidus temperature in titanium-molybdenum alloys, as shown in FIG. 5. Because of the illustrated course of the melting temperatures of the liquid phase (T L ) and the solid phase (T S ) solidify in the melt first, the areas with high molybdenum content, forming the recognizable in the figure dendrites. As a result, the residual melt is depleted, ie its molybdenum content decreases. The interdendritic zones have a molybdenum content of less than 15% in the cast structure, whereby the molybdenum content can drop to values of about 10%. As a result of molybdenum depletion, there is a lack of sufficient β-stabilizers in the interdendritic zones. This has the consequence that locally sets an increased a / β transformation temperature, whereby the precipitates to be recognized in Fig. 2 arise.
Es ist zweckmäßig, eine beim Gießen eventuell entstandene Randzone in Gestalt einer harten, spröden Schicht (sog. α-case) durch Beizen zu entfernen. Üblicherweise weist diese Schicht eine Dicke von ca. 0,03 mm auf.It is expedient to remove a possibly resulting during casting edge zone in the form of a hard, brittle layer (so-called α-case) by pickling. Usually, this layer has a thickness of about 0.03 mm.
Um dem ungünstigen Effekt der negativen Seigerung mit den Ausscheidungen in den interdendritischen Zonen entgegenzuwirken, werden die nach dem Feingießen von den Gießformen befreiten Gusskörper erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung unterzogen. Dazu ist ein heißisostatisches Pressen (HIP) vorgesehen, und zwar bei einer Temperatur knapp unterhalb der β-Transustemperatur. Sie kann im Bereich 710 °C bis 760 °C liegen, vorzugsweise beträgt sie etwa 740 °C. Dabei gehen die unerwünschten Ausscheidungen in den interdendritischen Zonen wieder in Lösung. Eine Vorauslagerung vor oder nach dem Hippen ist nicht erforderlich. Allerdings scheiden sich bei der Abkühlung nach dem Hippen wiederum feine sekundäre Phasen aus, und zwar bevorzugt in den ursprünglichen interdendritischen Zonen (siehe Fig. 3, 1000fache Vergrößerung). Das hat eine unerwünschte Versprödung des Materials zur Folge.In order to counteract the unfavorable effect of the negative segregation with the precipitates in the interdendritic zones, they are freed from the casting molds after investment casting Casting according to the invention subjected to a heat treatment. For this purpose, a hot isostatic pressing (HIP) is provided, namely at a temperature just below the β-transus temperature. It may range from 710 ° C to 760 ° C, preferably about 740 ° C. The undesired precipitates in the interdendritic zones go into solution again. An advance storage before or after the hipping is not required. However, during the cooling after the dipping, fine secondary phases are again precipitated, preferably in the original interdendritic zones (see FIG. 3, magnification 1000 times). This results in unwanted embrittlement of the material.
Aus diesem Grund weisen die Gegenstände nach dem Hippen eine nur geringe Duktilität auf.For this reason, the articles have a low ductility after being tipped.
Um die störenden Ausscheidungen zu beseitigen, werden die Gusskörper in einem Kammerofen unter Schutzgasatmosphäre (z. B. Argon) geglüht. Dazu wird ein Temperaturbereich von ca. 700 °C bis 860 °C gewählt, bei einer Dauer von mehreren, meist zwei Stunden. Es besteht hierbei ein gegenläufiger Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Dauer, bei höherer Temperatur genügt eine kürzere Zeit und umgekehrt. Nach dem Lösungsglühen werden die Gusskörper mit kaltem Wasser abgeschreckt. In Fig. 4 (1000fache Vergrößerung) ist das Gefüge nach dem Lösungsglühen dargestellt. Man erkennt primäre β-Körner und innerhalb der Körner sehr feine interdendritisch angeordnete Ausscheidungen (siehe wolkenartige Ansammlung links oben in der Abbildung). Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren feingegossenen Gegenstände weisen in ihrer Kristallstruktur β-Körner mit einer mittleren Größe von mehr als 0,3 mm auf. Diese Größe ist typisch für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte Kristallstruktur.In order to eliminate the interfering precipitations, the castings are annealed in a chamber furnace under a protective gas atmosphere (eg argon). For this purpose, a temperature range of about 700 ° C to 860 ° C is selected, with a duration of several, usually two hours. There is an opposite relationship between the temperature and the duration, at higher temperature is sufficient for a shorter time and vice versa. After solution heat treatment, the castings are quenched with cold water. In Fig. 4 (1000X magnification), the microstructure after solution annealing is shown. One recognizes primary β-grains and within the grains very fine interdendritically arranged precipitations (see cloud-like accumulation in the upper left corner of the figure). The articles finely cast with the method according to the invention have, in their crystal structure, β grains with an average size of more than 0.3 mm. This size is typical of the crystal structure achieved by the process of the invention.
Die nach dem Lösungsglühen erreichten mechanischen Eigenschaften sind in der Tabelle in Fig. 1 wiedergegeben.The mechanical properties achieved after solution annealing are shown in the table in FIG.
Man erkennt, dass der Elastizitätsmodul mit steigender Temperatur beim Lösungsglühen zurückgeht, und zwar auf Werte bis zu 60.000 N/mm2. Die Zähigkeitswerte verbessern sich mit abnehmender Festigkeit und Härte. So erreicht man nach zweistündigem Lösungsglühen bei 800 °C einen Elastizitätsmodul von 60.000 N/mm2 bei einer Bruchdehnung von ca. 40 % und einer Bruchfestigkeit Rm von ca. 730 N/mm2.It can be seen that the modulus of elasticity decreases with increasing temperature during solution annealing, to values up to 60,000 N / mm 2 . The toughness values improve with decreasing strength and hardness. Thus, after two hours of solution annealing at 800 ° C., a modulus of elasticity of 60,000 N / mm 2 is achieved with an elongation at break of approximately 40% and a breaking strength Rm of approximately 730 N / mm 2 .
Claims (8)
gekennzeichnet durch
Schmelzen der Legierung bei einer Temperatur von über 1770 °C,
Feingießen der aufgeschmolzenen Legierung in eine dem herzustellenden Gegenstand entsprechende Gussform,
heißisostatisches Pressen,
Lösungsglühen und
anschließendes Abschrecken.A method of casting articles of a β-titanium alloy comprising titanium molybdenum having a molybdenum content of 7.5 to 25%,
marked by
Melting the alloy at a temperature above 1770 ° C,
Investment casting of the molten alloy into a mold corresponding to the article to be produced,
hot isostatic pressing,
Solution annealing and
subsequent quenching.
gekennzeichnet durch
Verwenden einer Kaltwandtiegel-Vakuuminduktionsanlage zum Schmelzen der β-Titanlegierung.Method according to claim 1,
marked by
Using a cold wall crucible vacuum induction machine to melt the β-titanium alloy.
gekennzeichnet durch
Durchführen des heißisostatischen Pressens bei einer Temperatur, die maximal so hoch wie eine Beta-Transustemperatur der Titan-Molybdänlegierung und minimal 100 °C unter der Beta-Transustemperatur liegt.Method according to claim 1 or 2,
marked by
Performing hot isostatic pressing at a temperature as high as a beta transus temperature of the titanium molybdenum alloy and at least 100 ° C below the beta transus temperature.
gekennzeichnet durch
Durchführen des Lösungsglühens bei einer Temperatur von ca. 700 °C bis ca. 900 °C.Method according to one of claims 1 to 2,
marked by
Performing solution annealing at a temperature of about 700 ° C to about 900 ° C.
gekennzeichnet durch
Durchführen des Lösungsglühens bei einer Temperatur von 800 °C bis 860 °C.Method according to claim 4,
marked by
Performing the solution annealing at a temperature of 800 ° C to 860 ° C.
gekennzeichnet durch
ein Abschrecken mit vorzugsweise kaltem Wasser nach dem Lösungsglühen.Method according to one of the preceding claims,
marked by
quenching with preferably cold water after solution heat treatment.
gekennzeichnet durch
abschließendes Härten des Gegenstands.Method according to one of the preceding claims,
marked by
final hardening of the article.
gekennzeichnet durch
Durchführen des Härtens bei einer Temperatur von 600 °C bis 700 °C.Method according to claim 7,
marked by
Performing curing at a temperature of 600 ° C to 700 ° C.
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| PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
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| AK | Designated contracting states |
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| AX | Request for extension of the european patent |
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| AKX | Designation fees paid | ||
| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
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| 18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 20070301 |
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| REG | Reference to a national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: 8566 |