Alpha-Beta-Titanlegierungen: Wärmebehandlung und Eigenschaften

Alpha-Beta-Titanlegierungen enthalten bei Raumtemperatur beide Phasen und verbinden die Umformbarkeit der Beta-Phase mit der Stabilität und Festigkeit der Alpha-Phase. Ihre endgültigen Eigenschaften hängen stark von der Lösungstemperatur, der Verformungsgeschichte, der Abkühlgeschwindigkeit und der Alterung ab. Ti-6Al-4V ist das bekannteste Beispiel dafür.

Beta-Glühen und lamellare Strukturen

Durch Erhitzen oberhalb des Beta-Transus wird Primär-Alpha entfernt. Während der Abkühlung bildet sich Alpha an früheren Beta-Korngrenzen und wächst als Kolonien paralleler Platten nach innen. Langsames Abkühlen führt zur Bildung grober Alpha-Platten; schnelleres Abkühlen verfeinert die Platten und kann zur Bildung von Alpha-Prime-Martensit führen. Grobere lamellare Strukturen verbessern im Allgemeinen die Bruchzähigkeit und die Kriechfestigkeit, während feinere Strukturen die Festigkeit und die Ermüdungsfestigkeit erhöhen, jedoch die Duktilität verringern können.

Abkühlgeschwindigkeit und Phasenumwandlung

Die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt, ob sich Beta diffus in Alpha und zurückbleibendes Beta zersetzt oder sich in martensitische Produkte umwandelt. Sie beeinflusst zudem die Koloniegröße und die Dicke der Alpha-Lamellen. Das daraus resultierende Verhältnis von Festigkeit und Duktilität muss daher gemeinsam mit der Querschnittsgröße und der Abschreckfähigkeit ausgewählt werden.

Alpha-Beta-Glühen und bimodale Strukturen

Durch das Glühen im Alpha-Beta-Bereich bleibt ein kontrollierter Anteil an gleichachsigem Primär-Alpha erhalten. Das verbleibende Beta wandelt sich während des Abkühlens um und bildet sekundäres lamellares Alpha innerhalb einer Beta-Matrix. Diese bimodale Struktur vereint die Ermüdungsfestigkeit und Duktilität des gleichachsigen Alphas mit der Bruchzähigkeit und dem Kriechverhalten des umgewandelten Betas.

Durch ein zweistufiges Glühen können zunächst der Primär-Alpha-Anteil und die Morphologie festgelegt und anschließend das umgewandelte Beta stabilisiert werden. Durch Lösungsglühen und Auslagern wird die Legierung durch kontrollierte Ausscheidung verfestigt; jedoch können eine zu hohe Temperatur, eine zu lange Haltezeit oder eine zu langsame Abkühlung zu einer Grobkornbildung führen. Bei der Prozessgestaltung sollten daher die Temperatur im Verhältnis zum Beta-Transus, der Abkühlverlauf und das Alterungsverhalten festgelegt werden, anstatt sich allein auf die Angaben zur Wärmebehandlung zu verlassen.

Eigenschaftskompromisse

• Gleichachsige Strukturen begünstigen die Duktilität und die Ermüdungsfestigkeit bei hohen Zyklen.
• Lamellare Strukturen begünstigen die Risswachstumsbeständigkeit, die Bruchzähigkeit und das Kriechen.
• Bimodale Strukturen bieten für viele Bauteile in der Luft- und Raumfahrt ein ausgewogenes Verhältnis.
• Fein zerkleinerte Produkte erhöhen die Festigkeit, können jedoch die Zugdehnung verringern.
• Die Korngröße des Prior-Beta, der Primär-Alpha-Anteil und der Abstand der Alpha-Lamellen sind entscheidende Kontrollvariablen.