Wie lassen sich die Mikrostrukturen von Titanlegierungen identifizieren?

Titan und Titanlegierungen zeichnen sich durch eine geringe Dichte, eine hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Nichtmagnetismus und Ungiftigkeit aus. Sie finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau, in der Erdölindustrie, in der chemischen Verarbeitung, in der Leichtindustrie, in der Metallurgie, im Maschinenbau, in der Medizin und im Energiesektor.

Titanlegierungen werden üblicherweise in Alpha-, Alpha-Beta- und Beta-Legierungen unterteilt. Ihre Grundphasen sind vergleichsweise einfach, doch je nach Verarbeitungsbedingungen können zahlreiche Morphologien und Verteilungen sowie Übergangs- und Verunreinigungsphasen entstehen.

Metallografische Strukturen von Titanlegierungen

Handelsreines Titan (CP-Titan) gehört zur Alpha-Familie. Andere Alpha-Legierungen enthalten in der Regel etwa 6% Aluminium sowie geringe Mengen an neutralen Elementen und bestehen nach dem Glühen fast ausschließlich aus Alpha-Phase. Diese Sammelbezeichnung umfasst CP-Titan und Alpha-Titanlegierungen. Near-Alpha-Legierungen enthalten darüber hinaus nicht mehr als etwa 4% Beta-stabilisierende Elemente; Beispiele hierfür sind Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) und Ti-4Al-2V.

Alpha-Titanlegierungen und ihre Mikrostrukturen

Alpha-Titanlegierungen bestehen fast ausschließlich aus der Alpha-Phase, obwohl bei relativ hohen Eisen- oder Mangangehalten Spuren der Beta-Phase auftreten können. Die Alpha-Phase tritt in zwei Hauptformen auf: gleichachsig und lamellar oder nadelförmig. Durch Umformung und Glühen im reinen Alpha-Bereich entstehen gleichachsige Alpha-Körner, die denen in CP-Titan ähneln.

Wenn das Glühen über den Alpha/Alpha-Beta-Übergang (ca. 955 °C) oder den Alpha-Beta/Beta-Übergang (ca. 1040 °C) hinausgeht, wandelt sich das Hochtemperatur-Beta während der anschließenden Ofen- oder Luftabkühlung in lamellares oder nadelförmiges Alpha mit Widmanstätten-Charakter um. Bei der Ofenabkühlung entstehen größere, abgerundete Platten; bei der Luftabkühlung entstehen feinere, spitzere Nadeln. Im Vergleich zu gleichachsigem Alpha haben diese Morphologien kaum Einfluss auf die Zugfestigkeit, verringern jedoch die Duktilität.

Alpha-Beta-Titanlegierungen und ihre Mikrostrukturen

Alpha-Beta-Legierungen enthalten weniger als 6% Aluminium (Massenanteil) sowie verschiedene Beta-Stabilisatoren und neutrale Elemente. Nach dem Glühen weisen sie unterschiedliche Anteile an Alpha- und Beta-Phasen auf. Sie lassen sich im Allgemeinen gut schweißen und können durch Wärmebehandlung verfestigt werden, weisen jedoch eine schlechte Kaltumformbarkeit und Kaltbearbeitbarkeit auf. Beispiele hierfür sind Ti-6Al-4V, Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si und TC21 (etwa vergleichbar mit Ti-62222).

Ti-6Al-4V ist die am häufigsten verwendete Alpha-Beta-Titanlegierung. Sie wird üblicherweise warmverformt und geglüht, kann aber auch abgeschreckt und ausgehärtet werden. Ihr Alpha-zu-Beta-Verhältnis sowie die Morphologie, Größe und Verteilung beider Phasen reagieren äußerst empfindlich auf die Warmumformungsbedingungen.

Während des Abschreckens oder der isothermen Behandlung kann die Alpha-Ausscheidung aus Beta von einer Übergangs-Omega-Phase begleitet sein, einer submikroskopischen Nichtgleichgewichtsphase, die durch Keimbildung und Wachstum entsteht.

Beta-Titanlegierungen und ihre Mikrostrukturen

Beta-Legierungen werden in stabile Beta-, metastabile Beta- und Near-Beta-Legierungen unterteilt. Zu den wichtigen metallografischen Parametern zählen die Beta-Korngröße, die Menge und Morphologie von primärem und sekundärem Alpha sowie die Alpha-Verteilung entlang der Korngrenzen.

Stabile Beta-Legierungen

Stabile Beta-Legierungen enthalten genügend Beta-Stabilisatoren, um die martensitische Umwandlung beim Abschrecken auf Raumtemperatur zu unterdrücken. Ihre geglühten und abgeschreckten Matrixphasen bestehen aus gleichachsigem Beta, und bei Hochtemperaturkriechen können Zwillinge entstehen. Sie weisen eine relativ geringe Festigkeit bei Raumtemperatur, eine gute Kaltumformbarkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit in reduzierenden Medien auf.

Metastabile Beta-Legierungen

Metastabile Beta-Legierungen enthalten mehr als die kritische Konzentration an Beta-Stabilisatoren, mit einem Molybdänäquivalent von etwa 10%, höchstens 3% Aluminium und geringen Mengen an neutralen Elementen. Durch die Lösungsglühbehandlung im Beta-Bereich bleibt eine fast vollständig metastabile Beta-Struktur erhalten; durch Auslagerung entsteht Alpha. Diese Legierungen verbinden gute Kaltumformbarkeit mit hoher Auslagerungsfestigkeit. Zu den repräsentativen Zusammensetzungen gehören Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al und Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).

β-nahe Legierungen

Near-Beta-Legierungen enthalten Beta-Stabilisatoren nahe der kritischen Konzentration sowie neutrale Elemente und Aluminium. Durch eine Beta-Feld-Lösungsglühbehandlung entstehen reichlich metastabile Beta- sowie andere metastabile Alpha- oder Omega-Bestandteile; nach der Alterung überwiegen Alpha und Beta. Diese Legierungen eignen sich gut für Schmiedeteile und bieten ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) ist eine repräsentative Legierung.