Diese Erfindung bezieht sich auf die thermomechanische Verarbeitung von "Alpha plus Beta-" und "Alpha-nahen" Legierungen auf Titanbasis für verbesserte Kriecheigenschaften.

Titanlegierungen werden häufig in Hochleistungsanwendungen verwendet aufgrund ihres relativ niedrigen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit in einem breiten Temperaturbereich. Die Verwendung dieser Legierungen in Gasturbinenmaschinen bietet beträchtliche Gewichtsersparnis gegenüber beispielsweise Nickel- oder Stahllegierungen mit vergleichbaren Materialeigenschaften, wodurch Gewicht und Brennstoffverbrauch reduziert wird.

Alpha plus Beta- und Alpha-nahe Titanlegierungen bieten sowohl hohe Festigkeit als auch brauchbare Formbarkeit und werden häufig im umgeformten oder geschmiedeten Zustand verwendet.

Alpha plus Beta-Legierungen sind jene Titanlegierungen, deren Niedertemperatur-Gleichgewichtsmikrostrukturen hauptsächlich Alpha plus Beta-Phasen enthalten. Alpha-nahe Legierungen sind jene Alpha plus Beta-Legierungen, welche primär Alpha-Phase und eine relativ kleine Menge Beta (üblicherweise weniger als 10 Vol.-% der Beta-Phase) enthalten. Alpha plus Beta-Legierungen, welche überlicherweise 15 bis 25 Vol.-% der Beta-Phase enthalten, werden dadurch von Beta oder Beta-nahen Legierungen unterschieden, dass sie begrenzte Mengen an Alpha-Phase enthalten können.

Sowohl Alpha plus Beta- als auch Alpha-nahe Legierungen können wärmebehandelt werden, um erwünschte Eigenschaften zu erzeugen. In statischen (z. B. nicht-drehenden) Hochtemperatur-Gasturbinenanwendungen, z. B. Hochdruck-Turbinengehäuse, wird die Lebensdauer der Komponenten oft durch die Kriechfestigkeit des Materials begrenzt. Daher werden diese Artikel üblicherweise verarbeitet, um das Kriechverhalten zu optimieren.

Die konventionelle Verarbeitung dieser Materialien für hohe Kriechfestigkeit ist wie folgt. Zunächst wird der Artikel geschmiedet, üblicherweise bei einer Temperatur, welche hoch im Alpha-Beta-Gebiet liegt, d. h. bei einer Temperatur, bei welcher das Material insgesamt zur Beta-Phase umgewandelt werden kann. Diese letztere Temperatur wird häufig als Beta-Übergang bezeichnet. Schmieden im Beta-Phasen-Gebiet wird auch durchgeführt, ist aber nicht so üblich.

Der geschmiedete Gegenstand wird dann einer Beta-Lösungsbehandlung unterzogen, bei welcher er auf eine Temperatur oberhalb des Beta-Übergangs für eine Zeitdauer erhitzt wird und dann abgekühlt wird. Schließlich wird der Gegenstand durch Ausscheiden bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisierungstemperatur stabilisiert. Dieser Prozess ist schematisch in 1 gezeigt. Die resultierende Mikrostruktur aus Beta- und nadelförmigen Alpha-Körnern verleiht gute Hochtemperatur-Kriecheigenschaften.

Neuere Änderungen der Industrie bei Titanlegierungsherstellungsverfahren haben zu kommerziellem Titan-Erzeugermaterial geführt, welches erhöhte Konzentrationen bestimmter Verunreinigungen, z. B. Nickel, Eisen und Chrom, enthält. Diese Verunreinigungen verschlechtern das Kriechverhalten. Die erhöhte Konzentration an Verunreinigungen kann zu hergestellten Gegenständen führen, welche bei konventioneller Verarbeitung reduzierte Kriecheigenschaften besitzen und nicht in Betrieb genommen werden können, bei häufigerer Instandhaltung repariert oder ersetzt werden müssen oder neu konstruiert werden müssen, um das Niveau der Belastung des Gegenstands zu verringern. Die Tabelle 1 fasst Kriechfestigkeits-Testergebnisse zusammen, welche mit verschiedenen Ti-6242-Schmiedestücken durchgeführt wurden, welche der konventionellen Wärmebehandlung unterzogen wurden. Der erste Tabelleneintrag ist typisch für eine Legierung, welche aus bisherigen Bearbeitungstechniken stammt, die restlichen Einträge sind für jetzige Legierungen, welche derzeitige Ni-, Fe- und Zr-Verunreinigungskonzentrationen enthalten. Die Daten zeigen den allgemeinen Zusammenhang zwischen hohen Konzentrationen an Verunreinigungen und verringerter Kriechfestigkeit und zeigen auch die beträchtliche Verringerung des Kriechverhaltens, welche aus hohen Konzentrationen an Ni, Fe und Cr resultieren.

• (1) hypothetische, für bisherige Legierungen repräsentative Legierung
• (2) jetzige Legierungen

Obwohl hoch-reines Titan kommerziell erhältlich ist, haben ein verringertes Angebot und hohe Nachfrage zu beträchtlichen Kosten- und Beschaffungszeit-Aufschlägen geführt. Daher ist es für Hochtemperatur-Anwendungen außerordentlich wünschenswert, die Verwendung von Titan zu ermöglichen, welches höhere Konzentrationen an Verunreinigungen enthält, als bisher in der Industrie als brauchbar angesehen wurden. Ferner ist es auch wünschenswert, Gegenstände wiederverwenden zu können, welche schlechteres Kriechverhalten zeigen.

WO-A-93/22468 beschreibt eine Art, Titanlegierungs-Schmiedestücke zu verarbeiten, welche Chrom als Zusatz enthalten, um ihre Bruchfestigkeit zu erhöhen. Solche Schmiedestücke können Flugzeugschotte, Flügel-Durchtragstruktur, Fahrwerkabstützungen und Ähnliches bilden. Die Wärmebehandlung ist eine dreistufige thermische Behandlung einschließlich Lösungsbehandlung oberhalb der Beta-Übergangstemperatur, eine Alpha/Beta-Stabilisierungsbehandlung bei ca. 30 bis 90°F (16,5 bis 50°C) unterhalb der Beta-Übergangstemperatur und ein Härtungsschritt bei einer Temperatur von ca. 900 bis 1050°F (482 bis 566°C).

Allgemein ausgedrückt bietet die Erfindung ein Verfahren zum Verbessern eines Titanlegierungsschmiedestücks, gewählt aus der Gruppe, die besteht aus Alpha plus Beta- und Alpha-nahen Legierungen, bei welchen Ni, Fe und Cr nur als Verunreinigungen vorhanden sind, wobei die Legierung eine charakteristische Beta-Übergangstemperatur hat, und wobei die Kriechfestigkeit des Schmiedestücks im voraus geprüft wurde, um zu zeigen, dass sie unterhalb eines brauchbaren Niveaus liegt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

• a. Lösungs-Behandeln des Schmiedestücks oberhalb des Beta-Übergangs;
• b. Abkühlen des Schmiedestücks auf eine Temperatur unterhalb seiner M_f-Temperatur mit einer Geschwindigkeit, welche schnell genug ist, um nadelförmiges Alpha zu erzeugen, aber langsam genug, um das Entstehen von über 5 Vol.-% Martensit zu vermeiden;
• c. Lösungs-Behandeln des Schmiedestücks unterhalb des Beta-Übergangs, aber innerhalb von 100°F (55°C) Abstand von dem Beta-Übergang;
• d. Abkühlen des Schmiedestücks auf eine Temperatur unterhalb der M_f-Temperatur mit einer Geschwindigkeit, welche ausreicht, um nadelförmiges Alpha zu erzeugen;
• e. Behandlung des Schmiedestücks zum Ausscheiden bei 800 bis 1300°F (426 bis 704°C) für 2 bis 8 h; und
• f. Testen des Schmiedestücks, um zu überprüfen, dass die Kriechfestigkeit auf ein brauchbares Niveau erhöht wurde.

Die Erfindung ist offenbar besonders anwendbar auf Alpha plus Beta- und Alpha-nahe Legierungen, insbesondere Ti-6242, welche mehr als etwa 20 ppm Ni, mehr als etwa 30 ppm Cr und mehr als etwa 60 ppm (Ni + Cr) enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders nützlich beim Aufbereiten von Legierungen, welche mehr als etwa 25 ppm Ni, mehr als etwa 50 ppm Cr und mehr als etwa 85 ppm (Ni + Cr) enthalten. Da die Ni-, Fe- und Cr-Verunreinigungen in dem Basis-Titanausgangsmaterial vorhanden sind, werden ähnliche Konzentrationen an Verunreinigungen in anderen Titanlegierungen gefunden, z. B. in den in Tabelle 2 beschriebenen. Aufgrund der Ähnlichkeit der metallurgischen Phänomene in Ti-6242 und anderen Legierungen aus Tabelle 2 werden ähnliche Vorteile für alle Legierungen aus Tabelle 2 erwartet.

Somit werden durch die vorliegende Erfindung Gegenstände erzeugt, die aus Alpha plus Beta- oder Alpha-nahen Legierungen gebildet sind, welche relativ hohe Konzentrationen an Verunreinigungen enthalten, die verbessertes Kriechverhalten (verglichen mit den gleichen konventionell verarbeiteten Zusammensetzungen) zeigen, durch Schmieden des Ausgangsmaterials, üblicherweise, aber nicht notwendigerweise im Alpha plus Beta-Bereich unterhalb des Beta-Übergangs, Lösungsbehandeln des geschmiedeten Gegenstands bei einer Temperatur unterhalb des Beta-Übergangs, Kühlen des Gegenstands, Lösungs-Behandeln des Gegenstands bei einer Temperatur unterhalb des Beta-Übergangs, nochmaliges Kühlen des Gegenstands und Behandeln zum Ausscheiden. Eine zusätzliche Behandlung zum Ausscheiden kann vor dem Sub-Beta-Lösungs-Behandeln durchgeführt werden.

Die Erfindung ermöglicht die Verwendung von Legierungen, welche Mengen an Verunreinigungen von Übergangsmetallen enthalten, welche schlechteres Kriechverhalten im Vergleich zu reineren Legierungen, wie sie in der Vergangenheit üblich waren, zeigen. Die Erfindung verbessert auch Gegenstände, welche andernfalls nicht verwendet werden könnten, weil sie ein Kriechverhalten unterhalb einer Minimalanforderung aufweisen.

Die globale Versorgung mit reineren Titanlegierungen ist begrenzt, und es wird erwartet, dass sie begrenzt bleibt, was zu höheren Materialpreisen und längeren Beschaffungsdauern führt. Indem die Verwendung von besser erhältlichen, kostengünstigeren Legierungen mit höheren Verunreinigungen ermöglicht wird, verringert die Erfindung Lieferzeiten und Kosten an den Endverbraucher.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft in Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben:

1 ist eine grafische Darstellung der Wärmebehandlung nach dem Schmieden aus dem Stand der Technik.

2 ist eine grafische Darstellung der Wärmebehandlung nach dem Schmieden der vorliegenden Erfindung.

3 ist eine grafische Darstellung einer alternativen Wärmebehandlung nach dem Schmieden der vorliegenden Erfindung.

Neuere Veränderungen in der Industrie in der Verarbeitung von Titanerzen haben zu Titanmaterialien geführt, welche höhere Mengen an Verunreinigungen enthalten. Verunreinigungen wie Nickel und Eisen sind dafür bekannt, das Kriechverhalten zu verschlechtern. Der Erfinder hat gefunden, dass höhere Mengen an Chrom, welche nun in heutigen Materialien vorhanden sind, im Zusammenhang mit höheren Konzentrationen an Nickel und Eisen das Kriechverhalten bis zu einem Grad verschlechtern können, das derartige Titanlegierungen (mit größerem Gehalt an Verunreinigungen als in der Vergangenheit), welche bisher für bestimmte Zwecke verwendet wurden, z. B. als Gasturbinen-Komponenten, aufgrund des verschlechterten Kriechverhaltens nicht mehr geeignet sind. Das verschlechterte Kriechverhalten dieser Legierungen mit hohen Verunreinigungen wird als nicht erwarteter Effekt derzeitiger Produktionstechniken im Werk angesehen. Titanlegierungen, welche unter Verwendung der älteren, nicht mehr zeitgemäßen Verfahren hergestellt wurden, enthielten typischerweise etwa 10 ppm Nickel, etwa 350 ppm Eisen und etwa 10 ppm Chrom, derzeitige Materialien enthalten oft Verunreinigungen, welche diese Konzentrationen übersteigen, in vielen Fällen um einen beträchtlichen Betrag.

Die vorliegende Erfindung verbessert das Kriechverhalten von geschmiedeten Gegenständen beträchtlich, welche aus solchen hoch-unreinen Alpha-nahen oder Alpha plus Beta-Titanlegierungen durch thermische Behandlung hergestellt wurden. Ein bevorzugtes Verarbeitungsverfahren der Erfindung umfasst die folgenden Schritte.

Erst wird ein Alpha plus Beta- oder Alpha-nahes Legierungsmaterial zu einer gewünschten Konfiguration geschmiedet. Vorzugsweise wird das Schmieden unterhalb der Beta-Übergangstemperatur durchgeführt, um sicherzustellen, dass sukzessives Kornwachstum nicht stattfindet, aber Schmieden bei bis zu 200°F (111°C) über dem Beta-Übergang ist möglich. Die Schmiedetemperatur hängt von der Beschaffenheit des Artikels ab. Ein geschmiedeter Sub-Beta Alpha plus Beta- oder Alpha-naher Artikel wird typischerweise oben im Alpha plus Beta-Bereich, unterhalb, aber innerhalb von 200°F (111°C) eines Beta-Übergangs gebildet, um ausreichende Plastizität zu gewährleisten. Dünne Querschnitte, typischerweise weniger als ca. 0,5 Inch (13 mm) können luftgekühlt werden, wohingegen dickere Querschnitte, typischerweise mehr als 2 Inch (50 mm) typischerweise mit Flüssigkeit abgeschreckt werden. Die Erfindung kann auch als der Wärmebehandlungsabschnitt des Verfahrens definiert werden, das auf vorher geschmiedete Legierungen angewendet wurde.

Als Zweites wird der geschmiedete Gegenstand oberhalb des Beta-Übergangs Lösungs-behandelt, wie in 2 in Schritt 2A gezeigt. Temperaturen von 25° bis 100°F (14 bis 55°C) oberhalb des Beta-Übergangs sind bevorzugt, wobei etwa 50°F (28°C) besonders bevorzugt sind, für etwa ½ bis 2 h. Der Artikel wird dann auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Abschlusstemperatur (M_f) abgekühlt. Die Kühlgeschwindigkeit ist wichtig.

Der Gegenstand muss mit einer Geschwindigkeit gekühlt werden, welche schnell genug ist, um nadelförmiges Alpha zu erzeugen, im Gegensatz zu Alpha-Körnern mit gleich langen Achsen, welche sich bei langsamem Abkühlen bilden, aber die Geschwindigkeit muss langsam genug sein, um eine exzessive Produktion von Martensit zu vermeiden. Martensit von über ca. 5 Vol.-% wird als exzessiv angesehen. Eine zu hohe Kühlgeschwindigkeit kann auch zu hohen Restspannungen und Verformungen führen. Der Fachmann wird in der Lage sein, eine Kühlrate zu verwenden, welche das oben gewünschte Ergebnis erzeugt, da er versteht, dass die eigentlich benötigte Kühlgeschwindigkeit von den Zeit-Temperatur-Transformationseigenschaften des Materials abhängt, von der Temperatur, von welcher das Kühlen stattfindet und von der Größe (Dicke) des Legierungsgegenstands. Typischerweise sind jedoch tatsächliche Metallkühlungsraten von etwa 150 bis etwa 450°F/min (83 bis 250°C/min) erwünscht und vorzugsweise etwa 200 bis 400°F/min (111 bis 222°C/min). Auf dünnere Querschnitte von Alpha plus Beta- und Alpha-nahen Titanlegierungen angewendet kann die erwünschte Kühlgeschwindigkeit durch Luftkühlen erreicht werden. Material mit dickeren Querschnitte kann Gebläse-Luftkühlen, Abschrecken mit Öl oder mit Wasser erfordern, um die geeignete Kühlrate zu erreichen.

Der Artikel wird dann sub-Beta-Lösungs-behandelt, wie in 2, Schritt 2B gezeigt, bei einer Temperatur unterhalb des Beta-Übergangs, aber innerhalb von 100°F (55°C) Abstand von dem Beta-Übergang. Behandlungszeiten von ca. ½ bis 4 h sind bevorzugt. Der Artikel wird dann auf unterhalb M_f abgekühlt mit einer Geschwindigkeit, welche nadelförmiges Alpha erzeugt, wie oben dargestellt.

Schließlich wird der Gegenstand durch Ausscheiden stabilisiert, wie in 2, Schritt 2C gezeigt. Alpha plus Beta- und Alpha-nahe Legierungen zeigen typischerweise Ausscheidung bei Temperaturen von ca. 800 bis 1300°F (427 bis 704°C). Das Industrie-übliche Verfahren ist, zum Ausscheiden bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur des Materials für etwa 2 bis 8 h zu behandeln, um Materialeigenschaften zu optimieren und mikrostrukturelle Änderungen und Größenänderungen während des Betriebs zu minimieren. Zusätzlich, wie in 3 gezeigt, kann ein Ausscheidungsschritt, Schritt 3B, nach dem Beta-Lösungs-Behandeln, Schritt 3A, aber vor dem Sub-Beta-Lösungs-Behandeln, Schritt 3C, durchgeführt werden, gefolgt von dem Ausscheidungsschritt 3D. Der praktische Effekt davon ist, dass die Erfindung auf einen Gegenstand angewendet werden kann, welcher der Wärmebehandlung aus dem Stand der Technik unterzogen wurde. Die Erfindung kann daher verwendet werden, um derartig verarbeitete Gegenstände zu nützen, von denen gefunden wurde, dass sie nicht akzeptables Kriechverhalten haben.

Die Erfindung erzeugt eine Mikrostruktur von nadelförmigem Alpha innerhalb einer Beta-Phasen-Matrix in Alpha plus Beta-Legierungen, einschließlich jener, welche als Alpha-nahe Legierungen eingeordnet werden, und insbesondere jener, welche als 6242-Legierungen bezeichnet werden. Das Sub-Beta-Lösungs-Behandeln oben im Alpha plus Beta-Bereich erzeugt Nadeln mit viel größerer Dicke als die Wärmebehandlung aus dem Stand der Technik, in 1 gezeigt, welche in einer relativ Beta-Behandlung, Schritt 1A, besteht, gefolgt von einem viel längeren Ausscheidungsschritt, Schritt 1B. Da man glaubt, dass die hohe Kriechfestigkeit hauptsächlich aus der nadelförmigen Alpha-Phase resultiert, kann die Erfindung auf Alpha plus Beta-Legierungen angewendet werden, welche bis zu etwa 25% Beta-Phase enthalten. In Alpha-nahen Legierungen, in welchen die Beta-Phase mit einer Menge von weniger als etwa 5 Vol.-% vorhanden sein kann, sind die Beta-Körner entlang der Alpha-Korngrenzen lokalisiert.

Wie oben erwähnt, kann die Erfindung auf Alpha plus Beta-Legierungen angewendet werden, einschließlich Alpha-nahen Legierungen. Tabelle 2 listet einige, aber nicht alle, Legierungen auf, für welche die Erfindung brauchbar ist. Der Fachmann wird in der Lage sein, weitere Legierungen zu bestimmen, für welche die Erfindung brauchbar bzw. nützlich ist.

Ein Gegenstand mit dünnem Querschnitt kann aus Ti-6242 geschmiedet werden. Ti-6242 wird als Alpha-nahe Legierung angesehen und hat eine zulässige Zusammensetzung aus 5,5% bis 6,5% Al, 1,8% bis 2,2% Sn, 3,6% bis 4,4% Zr, 1,8% bis 2,2% Mo, 0,06 bis 0,10% Si und kleine Mengen an anderen Elementen (Verunreinigungen). Diese Zusammensetzung verleiht Ti-6242 einen Beta-Übergang von ca. 1825°F (996°C), und Schmieden in einem Temperaturbereich von ca. 1700° bis 1800°F (927 bis 982°C) verleiht ausreichende Plastizität, um einen Dünnschicht-Gegenstand zu schmieden. Der geschmiedete Gegenstand wird dann erhitzt und bei einer Temperatur von ca. 50°F (28°C) über dem Beta-Übergang gehalten (in diesem Fall bei ca. 1875°F (1025°C), für 0,5 bis 2 h, gefolgt von Luftkühlen auf unter die Martensit-Abschlusstemperatur von 1425°F (774°C). Es ist nicht notwendig, wenngleich nicht störend, den Gegenstand auf Umgebungstemperatur abzukühlen. Der Gegenstand wird dann erhitzt und bei einer Temperatur zwischen ca. 1725°F (940°C) und ca. 1800°F (982°C) für ca. 0,5 bis 4 h gehalten und wiederum auf unter ca. 1425°F (774°C) abgekühlt. Schließlich wird der Gegenstand durch Ausscheiden für ca. 2 bis 8 h bei einer Temperatur oberhalb einer maximalen Betriebstemperatur stabilisiert. Da die Temperaturgrenze der praktischen Verwendung von Ti-6242 ca. 1050°F (565°C) ist, kann der Gegenstand bei ca. 1100°F (593°C) stabilisiert werden.

Die Erfindung wurde auf sechs Proben von Ti-6242 Schmiedestücken mit hoher Verunreinigung angewendet. Die Konstruktionsanforderung an diese Gegenstände legt ein Minimum von 20 h für 0,1 % Kriechdehnung unter den in Tabelle 3 spezifizierten Testbedingungen fest. Wie Tabelle 3 zeigt, verbessert die Erfindung das Kriechverhalten der Gegenstände signifikant, welche ursprünglich schlechte Kriecheigenschaften nach Wärmebehandlung nach dem Stand der Technik aufwiesen, wobei die Kriechfestigkeit auf ein brauchbares Niveau angehoben wird. Daher kann die Erfindung auf Gegenstände angewendet werden, welche schlechtes Kriechverhalten aufgrund hoher Mengen von Verunreinigungen aufweisen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher die Verwendung von leichter erhältlichem und weniger teurem hoch-unreinem Titan in Hochtemperatur-Anwendungen. Proben 1 und 6 zeigen die Vorteile der Erfindung. Proben 3 und 5 zeigen ein anomales Ergebnis, eine Reduktion der Kriechfestigkeit. Es scheint, dass Proben mit relativ hoher Kriechfestigkeit potenziell eine Reduktion der Kriechfestigkeit durchmachen, wenn sie durch die Erfindung behandelt werden. Der Anmelder wendet dieses Erfindungsverfahren auf hochwertige Schmiedestücke an und testet einen Abschnitt bei mindestens einem Schmiedestück von jeder Titanlegierungscharge, wo die Charge jeder Legierung eine spezifische Zusammensetzung hat. Beim bevorzugten Verfahren des Anmelders werden alle Schmiedestücke einer einzelnen Legierungsschmelze konventionell verarbeitet, die Kriechfestigkeit getestet, und anschließend wird dieses Verfahren als wiederherstellendes Verfahren auf Schmiedestücke angewandt, welche eine Kriechfestigkeit unter 20 h aufweisen.