Alpha-Titanlegierungen: Struktur, Eigenschaften, Wärmebehandlung

Alpha-Titanlegierungen enthalten hauptsächlich die Alpha-Phase und werden als Voll-Alpha- oder Nahe-Alpha-Legierungen klassifiziert. Da sie nur wenig oder gar keine Beta-Phase enthalten, lassen sie sich nicht durch herkömmliche Wärmebehandlung verfestigen; die Hauptverfestigungsmechanismen sind die Festlösungsverfestigung und die Kornverfeinerung. Al, O, Zr, Sn und Si sind wichtige Zusätze. Der Aluminiumgehalt wird im Allgemeinen unter 6% gehalten, um die spröde, geordnete Alpha-2-Phase (Ti₃Al) zu begrenzen; Sauerstoff sorgt für eine starke interstitielle Verstärkung, verringert jedoch die Duktilität, und in Nahe-Alpha-Legierungen wird Silizium zur Verbesserung der Kriechfestigkeit eingesetzt.

Handelsreines Titan

Handelsreines Titan (CP-Titan) wird international üblicherweise in die ASTM-Güten 1–4 eingeteilt, doch dienen diese lediglich als allgemeiner Rahmen und stellen keine Eins-zu-Eins-Entsprechungen zu den chinesischen Güten dar.

Vollständige Alpha-Mikrostrukturen

Voll-Alpha-Legierungen zeichnen sich durch Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit und eine Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Zustand von bis zu −253 °C aus. Gleichachsige Körner entstehen durch Alpha-Beta-Umformung, gefolgt von einem Rekristallisationsglühen. Die Festigkeit hängt von der Korngrößenverfeinerung ab; für die CP-Sorte mit dem niedrigsten Sauerstoffgehalt gilt die folgende Beziehung: Streckgrenze = 231 MPa + 10,5d^−1/2. Bei schneller Abkühlung aus der Beta-Phase entsteht nadel- oder leistenförmiger Alpha-Prime-Martensit, während bei langsamer Abkühlung grobe lamellare Kolonien entstehen. Lamellare Strukturen bieten im Austausch für eine geringere Zug- und Ermüdungsfestigkeit sowie geringere Duktilität eine bessere Bruchzähigkeit und Kriechfestigkeit.

Ti-5Al-2,5Sn vereint hohe Festigkeit und Zähigkeit bei extrem niedrigen Temperaturen und wird für die Lagerung von flüssigem Stickstoff bei Temperaturen um −253 °C verwendet.

Nahezu-Alpha-Legierungen

Near-Alpha-Legierungen bieten Kriech- und Oxidationsbeständigkeit sowie Festigkeit bis zu etwa 600 °C für den Einsatz in Gasturbinenkompressoren. Beispiele hierfür sind Ti-1100, IMI 834 und BT18y. Geringe Zusätze von Mo, Nb oder V verbessern die Schmiedbarkeit durch eine begrenzte Beta-Phase; Zr und Sn verstärken die Alpha-Phase, während Zusätze von Si, C und Seltenen Erden die Kriechfestigkeit verbessern können.

Durch Schmieden und Wärmebehandlung im Alpha-Beta-Bereich kann eine bimodale Struktur aus primärem, gleichachsigem Alpha und umgewandeltem Beta entstehen, das sekundäres lamellares Alpha enthält. Diese Struktur sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Kriechen, Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit.

Eine schnellere Abkühlung nach der Behandlung mit einer Beta-Lösung führt zu dünneren Alpha-Lamellen, einer höheren Festigkeit und einer geringeren Duktilität. Eine Erhöhung des Beta-Anteils kann das Kriechen bei IMI 834 verbessern, jedoch die Ermüdungsfestigkeit verringern. Durch Alterung oder lange Einwirkzeiten können geordnete Alpha-2- und Ti₅Si₃-Silicide ausfallen, was die Festigkeit bei Raumtemperatur und bei hohen Temperaturen erhöht, während die Duktilität abnimmt.