Praktische Bedeutung der Ergebnisse

Der methodische Beitrag dieser Arbeit besteht darin, daB mit Hilfe des Zweiphasenkreislaufs nicht nur eine Simulation einer Werkstoffbeanspruchung unterschiedlicher Intensitat, sondern auch der Einsatz verschiedener Medien moglich wird. Die gewahlte Stromungsgeometrie erlaubt, die Erosions- und Korrosionsbedingungen so zu kombinieren, daB sie unter- schiedliche Anteile an der mechanisch-chemischen Gesamtbe- anspruchung aufweisen.

Die in dieser Arbeit gewahlte Stromungsgeometrie, namlich scharfkantige Querschnittsanderungen in einer Rohrleitung ist eine Modell-Konfiguration fur abgeloste und sich wiederanle- gende Stromungen, wie sie in Armaturen, Pumpen und Rohr- verzweigungen vielfach vorkommen. Die unter diesen extre- men Korrosionsbedingungen gewonnenen Ergebnisse lassen Aussagen uber den Ort und die GroBe der zu envartenden Werkstoffschadigung zu.

Aus den Messungen ergeben sich Konsequenzen fur die Werkstoffwahl, ob z.B. ein Werkstoff f i r vonviegend ero- sionskorrosive oder erosive Bedingungen eingesetzt werden soll. In Medien mit starker Erosionsbelastung ist ein geharte- ter Werkstoff mit entsprechender Korrosionsfestigkeit, wie etwa alle hochchromhaltigen GuBlegierungen, von Vorteil. Dabei ist beim Harten auf eine moglichst feine Karbidvertei- lung zu achten, die den Abtrag gunstig beeinflu&.

Ein zentrales Problem ist das der Ubertragbarkeit der Ergebnisse auf Bauteile anderer (meist grol3erer) Dimensio- nen. Bei vorwiegend korrosiver Belastung kiinnen die Effekte einer MaBstabsvergrol3erung problemlos prognostiziert wer- den, vorausgesetzt, die spezifische, korrosive Flachenbela- stung ist von der Hydrodynamik nur wenig abhangig. Bei gemischter erosiv-korrosiver und insbesondere bei vorwiegend erosiver Belastung mussen die hydromechanischen Aspekte einbezogen werden. Neuere Untersuchungen mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie [9] und die Entwicklung eines mathematischen Modells der Erosionskorrosion [lo], das Abtragsraten fur bestimmte Geometrien zu berechnen gestat- tet, zeigen hierzu neue Wege auf.

Die Arbeit wurde dankenswerterweise aus Mitteln des Bun- desministeriums fur Forschung und Technologie im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogrammes ,,Korrosion und Korrosionsschutz '' (Projekttrager: DECHEMA) gefor- dert.

Die Autoren danken Frau E. Stahr fur die Durchfuhrung und Auswertung der metallkundlichen Untersuchungen.

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Anschrift: Dr.-Ing. T. Kohley, Lunzer + Partner, Gutenbergstr. 2, 6457 Maintal 2 und Prof. Dr. rer. nat. E. Heitz, DECHEMA, Theo- dor-Heuss-Allee 25, 6000 FrankfurtIM. 97.

[T 3421

EinfluB einer thermomechanischen Behandlung auf die mechanischen Eigenschaften der Ti6A14V-Legierung

K. J. Grundhoff und H. Schurmann

Influence of thermomechanical treatment on the mechanical properties of Ti6A14V

Thermomechanical treatments of Ti6A14V including deformation just below the p-transus followed by water quenching and aging were shown to substantially improve the mechanical properties.

284 0933-5137189/0808-0284$02.5010 Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 20,284-289 (1989) 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989

Especially the fatigue strength was raised well beyondlevels known from conventional processed material, for both room and elevated temperatures. The paper shows how other properties like tensile strength, ductility, fracture toughness, creep strength fatigue crack growth and stress corrosion cracking are affected.

1 Einleitung

Bei dem Bemuhen die mechanischen Eigenschaften der PM-Titanlegierung Ti6A14V zu verbessern, erarbeiteten wir eine thermomechanische Behandlung (TMT), die die statischen und dynamischen mechanischen Eigenschaften wesentlich erhoht. Diese Ergebnisse lassen sich auch auf Ingot-Material (IM) ubertragen. Es wurden dann in einem Programm die Eigenschaften, die fur die Luftfahrt von Interesse sind, bei Raumtemperatur und erhohten Tempe- raturen bis 450 "C gepruft.

2 Versuchsdurchfuhrung

Ausgehend von 35 mm 0 dickem IM-Material wurde dieses im unteren Schmiedebereich bei 850 "C an die Abmessungen der Proben geschmiedet oder gewalzt . Ein geringerer Teil der Probenrohlinge wurde 2 h bei 700 "C mit Luftabkiihlung spannungsfrei gegluht (Standard), ein groljerer Teil nahe am Transus bei den Temperaturen 925 "C, 955 "C, 975 "C und 985 "C 3 min losungsgegluht, in Wasser abgeschreckt und wieder angelassen bei 500 "C iiber 2 h mit Luftabkuhlung. Die sich einstellenden Gefiige

LT : 925 "C, bimodal primares a r 5 p m

sind in Abb. I licht- und elektronenmikroskopisch darg stellt. Durch das kurzzeitige Losungsgluhen stellt sich e sehr feines Gefuge ein.

Die Probenrohlinge werden anschlieljend gedreht od gefrast sowie fur die Ermiidungspriifung geschliffen UI elektrolytisch poliert. Die Probenformen sind den Arb6 ten [l, 21 zu entnehmen.

3 Ergebnisse

Zur Einstellung eines feinkornigen Gefuges ist eir starke Verformung im unteren Schmiedebereich notwei dig. Eine nachfolgende kurzzeitige Losungsgluhung bc 950 "C unter dem Transus mit Wasserabschrecken un Anlassen bei 500 "C uber 2 h, stellt sich ein feinkorriigc bimodales Gefuge ein. Die mechanischen Eigenschafte werden durch den Verformungsgrad wesentlich beeinflul3 In Abb. 2 sind die Ergebnisse dargestellt. Mit zunehmer dem Verformungsgrad steigen die Werte von Zugfestigke (Rm) und 0,2%-Dehngrenze (Rp). Bemerkenswert ist, da die Dehnung (AS) konstant bleibt, die Einschnurung (2 sogar leicht ansteigt.

Der Einflulj der Losungstemperatur auf die mechan schen Eigenschaften ist in Abb. 3 dargestellt. Hier ist ein

IT: 955"C, bimodal pr imares a e 5 p m

LT = 975°C. q u a s i l a m e l l a r LT = 985 "C, l amel lar

Abb. 1. Morphologie nach thermomechanischer Behandlung. Fig. 1. Microstructures after thermomechanical treatment. Forg- Schmieden: 85O"Clq = 68%; gliihen: LT/3 min/WA + ing: 8.5OoC/q = 68%; Annealing: LTl3 min/WQ + 500 "C/2 hLK. 500 T I 2 MAC.

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 20, 284-289 (1989) Ti6A14V-Legierung 285

0

950

1300

MPa

t 1200 W N

5 1150 t r x W c ) Y Z 25 1100 Inn

N 1050

1000 2

7 - L .-e-----m--.--#---- n

- - 10

950 880 900 920 940 960 980 "C 1020

L&JNGSGLUHTEMPERATUR (LT) - 1400

MPa

1200

g 1100 z z v)

a 1000 a

-I 900

E 6

2 800 I

700

h, Z U G S C H W E LLFESTI G K E IT Raumtemperatur f O Labor - Luft

Sinus Amplitude f = 125,9 * 7.9 Hz at = I . R = 0,l

\ o o o

o - TMT, LT = 925°C 00 1, % - TMT, LT = 955°C A - TMT, LT = 975°C

0 1 0 0

- TMT, LT = 985°C O \\ 0-

%- i o - Standard, gegliht: 700°C/2h/LK

starke Verformung von 90% gewahlt worden, um den hohen Verformungsgrad voll auszunutzen. Die Zugfestig- keit zeigt im a@-Bereich hohe Werte, fallt aber im fi-Bereich leicht ab [3]. Einen ahnlichen Verlauf nimmt die 0,2%-Dehngrenze an und wird wie envartet nach niederen Werten verschoben. Die Dehnung A5 sinkt oberhalb des Transus unter den spezifizierten Wert von 10%. Den deutlichsten Abfall im Bereich des Transus erfahrt die Einschniirung Z. Deren Kurve fallt im p-Gebiet weit unter den spezifizierten Grenzwert von 25% ab. Der deutliche Abfall im Bereich des Transus wird durch diese Kurve gezeigt. Hier liegt der Ubergang von feinkornig bimodalen

286 K. J. Grundhoff und H. Schurmann

Abb. 2. Mechanische Eigenschaften in Abhangig- keit vom Verformungsgrad q. Schmieden: 850 'C/q = 90%; gluhen: 95O0C13min/WA + 500 T I 2 hlLK. Fig. 2. Tensile properties as a function of deforma- tion degree q. Forging: 850 "C; Annealing: 950 T I 3 min/WQ + 500 "C/2 h/AC.

Abb. 3. Mechanische Eigenschaften nach thermo- mechanischer Behandlung. Schmieden: 850 "C; glu- hen: LTl3 min/WA + 500 "C12 hLK. Fig. 3. Tensile properties after thermomechanical treatment. Forging: 850 "Clq = 90% ; Annealing: LT/3 midWQ + 500 "C/2 WAC.

Abb. 4. Vergleich der Ermiidungsfestigkeit nach verschiedenen Losungstemperaturen. Schmieden: 850°C/q = 68%; gluhen: LT/3 min/WA + 500 T I 2 h/LK. Fig. 4. S-N curves for various annealing temperatu- res. Forging: 850 "Clq = 68%; Annealing: LT/3 minlWQ + 500 "CI2 WAC.

zu lamellaren Gefiigen. Fur die Anwendung sind die Eigenschaften nach dem Losungsgliihen zwischen 920 und 960 "C sehr giinstig.

Der EinfluB der Losungstemperaturen auf die Ennii- dungsfestigkeit wurde fur 4 Temperaturen (925, 955, 975, 985 "C) gemessen. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 darge- stellt. Die Kurven liegen in gleicher GroBenordnung alle iiber den gemessenen Ermudungswerten der konventionell behandelten Proben. Die beste Dauerfestigkeit wird nach der Losungsgluhung von 955 "C erhalten.

Auch wurde der RiBfortschritt bei den genannten 4 Losungstemperaturen untersucht (Abb. 5). Bei der Ver-

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 20,284-289 (1989)

wendung von CT-Proben der Abmessungen 30 x 31,3 mm, 12,5 mm Dicke und Kerbe 12,s mm tief, zeigt das lamellare Geftige uber den gesamten gemessenen RiBgeschwindig- keitsbereich den geringsten RiBfortschritt. Die beiden bimodalen Gefuge weisen beschleunigte RiBwachstumsra- ten auf, wahrend bei der konventionell hergestellten Probe der groBte RiBfortschritt beobachtet wird. Der Schnitt- punkt der RiBfortschrittskurven bei hohen AK-Werten deutet darauf hin, daB sich bei der RiBzahigkeit KI, die Rangfolge andert. Diese Werte werden in Abb. 6 wieder- gegeben. Den hochsten K,,-Wert liefert das konventionell hergestellte Material, das als globulares Gefuge vorliegt.

z $. 1810-4 -0

c 9 n

w x

f 5 1.10" v) w 0 $!? i

I I / / I Raumtemperatur

Labor - Luft

f = 50Hz

I I I 1 1 gegliiht: 70O0C/2h/LK I LT = LT = LT = LT =

925°C 955°C 975°C 985°C 0 x = l

I I I I l l 1

1810-7 3 5 181 0' 2 MPo.dh

SPANNUNGSINTENSlTxTSFAKTOR, A K -

Von den durch Losungsgluhen eingestellten anderen Gefu- gen, ist das mit kleinstem primaren a das schlechteste. Das Diagramm zeigt aber wie man durch die Gefugeeinstellung die RiBzahigkeit KI, beeinflussen kann.

Deutlich verbessert die thermomechanische Behandlung die Warmfestigkeit der Legierung. Die statischen mecha- nischen Eigenschaften sind grundsatzlich gestiegen (Abb. 7u und 7b). Eine besonders grol3e Verbesserung

1200

MPa

1000

900

800

700

600

500

400

I Standard 1 I RmT - %---

I \ \ \#a

Standard, geglGht: 70O0C/2h/LK 300 1 TMT, geglflht: 95SoC/O.05h/WA t 50O0C/2h/LK

2001 " " " " " ' 1 0 100 200 300 400 ' C 600

TEMPERATUR - 100

SZ

80

t 70

20

10

0

---+-.4-' I-- Standard. gegltiht: 700°C/2h/LK --

I TMT, gegltiht: 95S°C/0.05h/WA + 50O0C/2h/LK I 0 100 200 300 400 "c 600

TEMPERATUR - Abb. 5. RiRfortschrittsverhalten nach thermomechanischer Be- Abb. 7. Mechanische Warmeigenschaften nach thermomechani- handlung. Walzen: 850 "Clq = 73%; gluhen: LT/3 min/WA + scher Behandlung. a) Zugfestigkeit und 0,2%-Dehngrenze. 500 "C/2 h/LK. b) Dehnung und Einschniirung. Fig. 5. Fatigue crack propagation behaviour after thermome- Fig. 7. Elevated temperature tensile properties after thermome- chanical treatment. Rolling: 850 "Clq = 73% ; Annealing: chanical treatment. a) 0.2%-yield and tensile strength b) fracture LT13 min/WQ + 500 "CI2 hIAC. strain and reduction of area.

Standard T M T gewalzt: 85OoC/72% geglUht: LT/3rnin/WA + 500°C/2h/LK

Abb. 6. EinfluB der thermomechanischen Behand- lung auf die Bruchzahigkeit KI,.

9 2 5 T 955OC 975'C 985OC Fig. 6. Influence of thermomechanical treatment on LosungsglUhtemperatur (LT) fracture toughness KI,.

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 20,284-289 (1989) Ti6A14V-Legierung 287

wird bei der Warmermudung beobachtet. Dies zeigt beson- ders ein Vergleich der Ermiidung des TMT-Materials bei 450 "C mit der der konventionellen Proben bei RT. Beide Kurven liegen in gleicher GroBenordnung (Abb. 8).

Die Kriechprufung fiihrte wie erwartet zu verbesserten Eigenschaften und zwar besonders fur das lamellare Gefii- ge. Dies deckt sich mit friiheren Ergebnissen [3] (Abb. 9). Danach ist der thermomechanisch behandelte Zustand durchaus bis 450 "C fur eine Kriechbelastung verwendbar. Die konventionell behandelte Ti6A14V-Legierung galt

800

MPa 700

650

600 1 550

5 500

5 450

400

350

300

250

0

a

bisher fur eine Kriechbelastung nur bis 250 "C als einsetz- bar. Entsprechend verhalt sich die sekundare Kriechrate E', (Abb. 10). Bei hohen Temperaturen zeigt das quasilamel- lare Gefuge die kleinste sekundare Kriechrate E ' ~ .

Das feinkornige bimodale Gefuge nach 955 "C Losungs- gluhung ist auch auf SpannungsriBkorrosion untersucht worden. Die kleinen primaren a-Ausscheidungen sind im Gegensatz zu groBeren a-Flachen bei globularem Gefuge nicht spannungskorrosionsempfindlich. In Abb. I 1 ist die Bruchenergie gegen die Dehngeschwindigkeit aufgetragen

-

- - - -

- - - - - -

1400 I

ZUGSCHWELLFESTIGKEIT Labor - Luft

-----... O--P _ _ _ _ Sinus Amplitude f = 120.9 i 11.2 Hz ak = I , R = 0.1 *€-----a----- -.qp-

D q. 'an.

dh. . -. .

MPa

f 1200

0 1100 z 3 $ 1000

5 900 a

-l a 800 z 2 700 X

6oo 1 A - Standard (gegliiht: 70O0C/2h/LK), Priiftemperatur: RT 500

: - TMT, Priiftemperatur: 250°C : I - TMT, Prijftemperatur: 450°C

- TMT; Priiftemperatur: 250°C E I - TMT, Prijftemperatur: 450°C

1*104 1*105 1*10' 1.107 1.10' SCHWINGSPIELZAHL -

+-\ A - - - A I 985'C I tbmellar I

\ Thermomechanische Behandlung: geschmiedet 85OoCc/74Z geglOht: LT /O.O5h/WA + 50O0C/2h/LK

200 ' ' ' ' ' " ' ' " ' ' " ' ' 1 *loo 1.10' 1.102 l*lOs h 1*104

STANDZEIT - Abb. 9. Zeitstandfestigkeit bei 450 "C nach thermomechanischer Behandlung. Fig. 9. Rupture stress at 450 "C after thermomechanical treat- ment.

800

MPa

700

650

600 1 550 0 Z 500 3 5 450 a 5 400

350

300

250

Abb. 8. Verbesserung der Warmermiidungsfestig- keit durch thermomechanische Behandlung. Schmieden: 850 "Clq = 89% ; gliihen: 950 "C13 min/WA + 500 T I 2 NLK. Fig. 8. Improvement of elevated temperature fati- gue strength after thermomechanical treatment. Forging: 850 "Clq = 89% ; Annealing: 950 T I 3 min/WQ + 500 T I 2 WAC.

- X 0 0 A

;*',A Thermomechanische Behandlung:

geschmiedet: 85OoC/74X geglilht: LT /O,OSh/WA t 500°C/2h/LK 2'

200' " ' ' " ' ' " ' ' " '

1 *10-3 1.10-2 1.10-1 l*lOo %/h 1*101 SEKUNDKRE KRIECHRATE, i, -

Abb. 10. Minimale Kriechgeschwindigkeit bei 450 "C nach ther- momechanischer Behandlung. Fig. 10. Minimum creep rate at 450 "C after thermomechanical treatment.

180

m I 0

8 -0 - IM - Ti 6AI 4V. Standard nach 3.7164.1

Mg(CiO,), (Inert - AtmosphSre)

Abb. 11. SpannungsriRkorrosion SRK nach thermome- chanischer Behandlung. Schmieden: 850 'Clq = 78% ; gliihen: 955 T I 3 midWA + 500 "C12 NLK. Fig. 11. Stress corrosion cracking after thermomechani-

1*10-7 1*10-' 181 0-5 1 * 1 0-4 i is 1 *10-2 cal treatment. Forging: 850 "Clq = 78% ; Annealing: 955 T I 3 min/WQ + 500 T I 2 hlAC.

80

3,5 'z - NaCl (Kochsalzlosung)

60

DEHNGESCHWINDIGKEIT - 288 K. J . Grundhoff und H. Schurmann Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 20,284289 (1989)

SCHWINGSPIELZAHL - [4]. Gepruft wurde in inertem Medium und in kochsalzhal- tiger Losung. Bei abnehmender Dehngeschwindigkeit bleibt die Bruchenergie gleich.

4 Diskussion

Verschiedene neuere Arbeiten haben das Ziel[5,6,7,8], die Ermudungseigenschaften der Legierung Ti6A14V zu verbessern. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben dies nach Abb. 12 sehr deutlich erreicht. Auch wird die Warmermudung bis 450 "C stark verbessert. Die Kriech- eigenschaften sind auch beim lamellaren Gefuge gut. SpannungsriBkorrosion tritt beim bimodalen Gefiige nicht auf. Der RiBfortschritt ist verbessert gegenuber dem Standardmaterial und zeigt beim lamellaren Gefuge den niedrigsten Wert. Doch gelingt es nicht alle mechanischen Eigenschaften durch dieses Verfahren zu verbessern. Das bimodale Gefuge zeigt die schlechteste RiBzahigkeit. Bei der Anwendung ist es also notwendig, die hochste Bean- spruchung genau zu kennen, urn dann den gunstigsten Gefugezustand wahlen zu konnen.

Da die Ti6A14V-Legierung in der ersten Verdichterstufe des Triebwerks und auch in der Zelle eingesetzt wird, ist ihre Warmbeanspruchung nicht so hoch, so daB sie durch die Verbesserung die an sie gestellten Anforderungen voll erfullt.

Das Verfahren ist als Patent [7] angemeldet worden und soll zunachst fur hohe Belastungen verwertet werden. Gedacht ist an Verbindungsmaterial in einem Hubschrau- ber, das uber den Normen liegende Festigkeiten erfullen muB. Die Verbindungselemente sind in den Abmessungen nicht dick, so daB die schlechte Warmeleitfahigkeit bei der Wasserabschreckung nicht zum Tragen kommt.

Die Mehrkosten des Verfahrens sind unerheblich; sie lassen sich auf jeden Fall durch die verbesserten Eigen- schaften vertreten.

5 Zusammenfassung

In der Arbeit werden die,Anderungen der mechanischen Eigenschaften durch die thermomechanische Behandlung gegenuber konventionell verarbeitetem Material gezeigt.

Abb. 12. Vergleich des Ermudungsverhal- tens nach verschiedenen Herstellverfahren der Ti6A14V-Legierung. Fig. 12. Comparison of S-N Curves after various processing methods for Ti6A14V.

Die meisten Werte zeigen wesentliche Verbesserungen. Die Dehnung fallt leicht ab, erfullt aber gut die bekannten Spezifikationen. Der Ruckgang kann wahrscheinlich durch die Verminderung der GleichmaBdehnung erklart werden, die bei feinfornigem Gefiige beim Titan beobachtet wird. Bedeutend ist der Anstieg der Ermiidungsfestigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Temperaturen bis 450 "C. Hier wird das Anwendungsgebiet wesentlich erweitert. Auf den niedrigen KI,-Wert nach dem 955 "C Losungsgluhen sei nochmals hingewiesen.

Ein Vergleich der Ermiidungsfestigkeit mit dem letzten Stand anderer internationaler Arbeiten (Abb. 12) [S ] ergibt ein uberragendes Verhalten des thermomechanisch behan- delten Materials. Die Dauerfestigkeit der Ti6A14V-Legie- rung in den bisherigen Veroffentlichungen liegt ca. 400 MPa unter den von uns ermittelten Werten. Die thermo- mechanische Behandlung ist vor allem bei dunnwandigen Bauteilen anwendbar, da dann die Abschreckgeschwindig- keit nach dem Losungsgliihen wegen der schlechten Leit- fahigkeit des Titans ausreichend ist. Die Verwertung dieses Verfahrens soll zunachst an Verbindungselementen der Ti6A14V-Legierung genutzt werden.

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Anschrift: Dr. rer. nat. Karl-Josef Grundhoff und Hartmut Schur- mann, Deutsche Forschungsanstalt fur Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut fur Werkstoff-Forschung, Linder Hohe, 5000 Koln

[T358] 90.

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 20, 284-289 (1989) Ti6A14V-Legierung 289