Wie verstärken Legierungselemente Titanlegierungen?

Titanlegierungen werden durch ausgewählte Zusätze verfestigt, die das Verhalten der festen Lösung, die Phasenstabilität, die Ausscheidung und das Verhalten bei der Wärmebehandlung verändern. Aluminium verstärkt in erster Linie die α-Phase; Vanadium und Molybdän stabilisieren und verstärken das β-Titan, während Zinn und Zirkonium die Beständigkeit von hitzebeständigen Legierungen verbessern. In den folgenden Abschnitten werden diese Effekte mit denen von Mangan, Chrom, Silizium, Kupfer und Seltenerdelementen verglichen.

Aluminium

Fast jede Titanlegierung – mit Ausnahme von handelsüblichem reinem Titan – enthält Aluminium, das in erster Linie der Festlösungsverstärkung dient. Jeder 1% Aluminiumanteil erhöht die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur um etwa 50 MPa. Die Löslichkeit von Aluminium in Titan ist auf 7,5% begrenzt. Oberhalb dieser Grenze bildet sich geordnetes Ti₃Al (α₂) bildet sich und beeinträchtigt die Duktilität, die Zähigkeit und das Spannungskorrosionsverhalten, weshalb Aluminium im Allgemeinen auf 7% beschränkt ist.

Aluminium verbessert die Oxidationsbeständigkeit, verringert die Dichte und erhöht die Rekristallisationstemperatur. Durch die Zugabe von 5% lässt sich die Rekristallisationstemperatur von 600 °C bei reinem Titan auf 800 °C erhöhen. Es stärkt die atomaren Bindungen in der Titan-Feststofflösung und verbessert die Hochtemperaturfestigkeit. In wärmebehandelbaren β-Legierungen kann etwa 3% Aluminium die durch metastabile β-Zersetzung entstehende, versprödende ω-Phase unterdrücken. Aluminium erhöht zudem die Wasserstofflöslichkeit in α-Ti und verringert so die Anfälligkeit für hydridbedingte Versprödung.

Zirkonium und Zinn

Zinn ist ebenso wie Zirkonium ein neutrales Element und verstärkt die α-Mischkristalllösung wirksam, ohne die Duktilität nennenswert zu beeinträchtigen. Es verbessert die Kriechfestigkeit und spielt eine wichtige Rolle in hitzebeständigen Titanlegierungen.

Zirkonium weist sowohl in α-Ti als auch in β-Ti eine hohe Löslichkeit auf und wird üblicherweise zusammen mit anderen Elementen zur zusätzlichen Verstärkung zugesetzt. Zirkonium und Zinn tragen dazu bei, dass rein-α-hitzebeständige Legierungen eine bessere Hitze- und Kriechfestigkeit bei geringerem Verlust an Duktilität als Aluminium erreichen, was eine gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit gewährleistet. Zinn verringert zudem die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung. Bei zu hoher Konzentration führt geordnetes Ti₃Sn bildet sich und verringert die Duktilität und die thermische Stabilität.

Vanadium und Molybdän

Vanadium ist ein β-isomorphes Element, das in β-Titan unbegrenzt löslich ist und auch in α-Titan eine gewisse Löslichkeit aufweist. Es wirkt als Verstärkungselement wirksamer als Zinn, behält dabei jedoch eine gute Duktilität bei und kann die Kriechfestigkeit sowie die thermische Stabilität verbessern.

Molybdän ist ebenfalls β-isomorph. Es sorgt für eine Festigkeitssteigerung durch Mischkristalle, verbessert die Warmumformbarkeit, die Kriechfestigkeit und die thermische Stabilität und verringert die Neigung zur Wasserstoffversprödung. Vanadium und Molybdän sind die am häufigsten verwendeten β-Stabilisatoren. Sie verstärken die β-Phase, senken die Umwandlungstemperatur, erhöhen die Härtbarkeit und verbessern das Verhalten bei der Wärmebehandlung. Titanlegierungen, die eines dieser Elemente enthalten, durchlaufen keine eutektoide Reaktion und behalten eine gute strukturelle Stabilität bei hohen Temperaturen bei. Vanadium allein sorgt nur bis etwa 400 °C für Kriechfestigkeit. Molybdän ist wirksamer, erhöht jedoch die Dichte und verbessert zudem die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere die Spaltkorrosionsbeständigkeit in Chloridlösungen.

Mangan und Chrom

Mangan und Chrom stärken und stabilisieren die β-Phase erheblich und weisen eine geringere Dichte auf als Molybdän oder Wolfram. Sie finden breite Anwendung in hochfesten metastabilen β-Legierungen. Ihre langsamen eutektoiden Reaktionen mit Titan können die langfristige Hochtemperaturstabilität und die Kriechfestigkeit beeinträchtigen. Die Zugabe eines β-isomorphen Elements, insbesondere von Molybdän, unterdrückt diese Reaktionen.

Kupfer

Ein Teil des Kupfers löst sich in der α-Phase auf, ein anderer Teil bildet TiCu₂, wodurch die thermische Stabilität und die Hochtemperaturfestigkeit verbessert werden. Oberhalb der Löslichkeitsgrenze kann die Alterung zu einer Dispersionsverfestigung führen und die Festigkeit bei Raumtemperatur sowie bei erhöhten Temperaturen erheblich steigern.

Silizium

Silizium verbessert die Hochtemperaturfestigkeit. Ab einem Massenanteil von etwa 0,21 TP33T bildet es Ti₅Si₃ in zirkoniumfreien Legierungen und (Ti₂Zr)₅Si₃ in zirkoniumhaltigen Legierungen. Diese Silizide verbessern die Kriechfestigkeit, verringern jedoch die thermische Stabilität. Die hohe Eutektoidtemperatur von Silizium bei 860 °C trägt zur Hitzebeständigkeit bei, weshalb hitzebeständige Legierungen oft etwa 0,25% Silizium enthalten, ohne die maximale Löslichkeit in der α-Phase zu überschreiten. Da sich Silizium- und Titanatome in ihrer Größe stark unterscheiden, lagert sich Silizium an Versetzungen ab und behindert deren Bewegung. Außerdem erhöht es die Wasserstofflöslichkeit in der β-Phase und verringert die Neigung zur Wasserstoffversprödung.

Seltenerdelemente

Der Zusatz von Seltenen Erden verbessert die Hitzebeständigkeit und die thermische Stabilität. Durch innere Oxidation entstehen feine, stabile Seltene Erden._xO_y Partikel, die für eine Dispersionsverstärkung sorgen. Dieser Prozess senkt die Sauerstoffkonzentration in der Matrix und führt Zinn in Seltenerdoxide über, was dazu beiträgt, die Sprödigkeit von α zu unterdrücken₂ Ausfällung. Seltenerdelemente hemmen zudem das Wachstum von β-Körnern stark und verfeinern die Körner, wodurch sich die Gesamteigenschaften verbessern.

Die Entwicklung von Titanlegierungen geht in Richtung hochlegierter Mehrkomponentensysteme. Legierungszusätze sorgen für eine Festigkeitssteigerung durch Festlösungsbildung, stabilisieren α- oder β-Phasen, verbessern das Verhalten bei der Wärmebehandlung, unterdrücken schädliche Effekte und erhöhen die Wärme- und Korrosionsbeständigkeit.