Beta-Titanlegierungen: Wärmebehandlung, Struktur und Eigenschaften

Beta-Titanlegierungen enthalten genügend Beta-stabilisierende Elemente, um bei Raumtemperatur einen erheblichen Anteil an Beta-Phase beizubehalten. Sie zeichnen sich durch eine geringe Fließspannung, eine hohe Härtbarkeit, Kaltumformbarkeit sowie ein gutes Ansprechen auf Lösungsglühen und Auslagern aus. Ihre Dichte und die Legierungskosten können höher sein als bei Alpha-Beta-Legierungen, und bei stabilen Beta-Legierungen kann die Festigkeit zugunsten der Duktilität beeinträchtigt sein.

Beta-Stabilität und Verformung

Metastabile Beta-Legierungen können während der Verformung und der Wärmebehandlung umwandeln oder Ausscheidungen bilden. Je nach Stabilität können durch Beanspruchung oder Abkühlung Alpha-Prime-, Alpha-Double-Prime- oder Omega-verwandte Produkte entstehen. Eine Erhöhung der Beta-Stabilität verändert den aktiven Verformungsmechanismus und das Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten.

Beta-Glühen

Das Glühen oberhalb des Beta-Transus führt zur Bildung von gleichachsigen Körnern aus dem ursprünglichen Beta-Zustand. Die Korngröße hängt von Temperatur, Zeit und der vorherigen Bearbeitung ab, und grobe Körner können die Duktilität und die Ermüdungsfestigkeit beeinträchtigen, selbst wenn die Bruchzähigkeit verbessert wird.

Alpha-Beta-Glühen

Durch Glühen unterhalb der Beta-Transus-Temperatur kann das primäre Alpha-Gitter erhalten bleiben und das Beta-Gitter rekristallisieren, wodurch die Struktur verfeinert und ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Bruchverhalten hergestellt wird.

Lösungsglühen und Auslagern

Lösungsbehandeltes Beta ist relativ weich und formbar. Durch das Altern bilden sich feine Alpha-Ausscheidungen innerhalb des Beta-Phasenbereichs, was die wichtigste Festigkeitssteigerung bewirkt. Beim Ein-Schritt-Altern wird ein Temperatur-Zeit-Verlauf gewählt; niedrigere Temperaturen erhöhen im Allgemeinen die Keimbildungsdichte und verfeinern die Ausscheidungen, während höhere Temperaturen das Wachstum und die Vergröberung beschleunigen.

Durch eine zweistufige Alterung kann eine Alpha-Verteilung mit zwei Skalen entstehen. In einer Niedrigtemperaturstufe bilden sich feine Keime oder Vorläuferprodukte, während in einer Hochtemperaturstufe eine stabilere Alpha-Verteilung entsteht. Die Abfolge und die Erwärmungsgeschwindigkeit müssen genau gesteuert werden, da sie die Keimbildung, die ausfallfreien Zonen und die endgültige Plättchengröße beeinflussen.

Wichtige Alterungsvariablen

• Alterungstemperatur: steuert die Alpha-Keimbildung, das Wachstum, den Volumenanteil und den Abstand.
• Haltezeit: fördert die Festigkeit, kann jedoch langfristig zu einer Vergröberung der Alpha-Phase führen und die Duktilität verringern.
• Aufheizgeschwindigkeit: beeinflusst die Zwischenumwandlungen und die Anzahl der Alpha-Keimbildungsstellen.
• Vorherige Verformung: führt Defekte und Grenzen ein, die die heterogene Keimbildung begünstigen.
• Beta-Korngröße und -zusammensetzung: die Ausfällungskinetik und die Gleichmäßigkeit der endgültigen Eigenschaften zu bestimmen.

Die optimale Behandlung sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Streckgrenze, Zugduktilität, Bruchzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Maßhaltigkeit. Bei einer Beschaffungs- oder Zertifizierungsentscheidung müssen weiterhin die geltenden Legierungs- und Produktspezifikationen herangezogen werden und nicht eine allgemeine Beschreibung der Mikrostruktur.