Wie beeinflussen Legierungselemente die Eigenschaften von Titanlegierungen?

Titan kommt in zwei allotropen Formen vor: Das dicht gepackte hexagonale Alpha-Titan ist unterhalb von 882 °C stabil, während das raumzentrierte kubische Beta-Titan oberhalb von 882 °C stabil ist. Titan hat eine Dichte von 4,51 g/cm³, behält bis etwa 550–600 °C eine hohe spezifische Festigkeit bei, ist durch stabile Oxid- und Nitridschichten korrosionsbeständig und behält bei Flüssigstickstofftemperatur eine brauchbare Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit bei. Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa ein Viertel derjenigen von Eisen, und sein Elastizitätsmodul liegt bei etwa 54% des Wertes von Eisen.

Zweck der Legierung von Titan

Durch Legierungszusätze lassen sich Zusammensetzung, Stabilität und Eigenschaften der Alpha- und Beta-Phasen steuern. Elemente mit einer Elektronenkonzentration unter 4 neigen dazu, die Alpha-Phase zu stabilisieren, solche über 4 stabilisieren die Beta-Phase, und solche nahe 4 können beide Phasen stabilisieren. Zu den wichtigen Legierungszusätzen zählen Al, Sn, Zr, V, Mo, Mn, Fe, Cr, Cu und Si.

• Alpha-Stabilisatoren, wie beispielsweise Al, erhöhen die Umwandlungstemperatur und erweitern das Alpha-Feld.
• Beta-Stabilisatoren, wie beispielsweise Mo, senken die Umwandlungstemperatur und erweitern den Beta-Bereich.
• Neutrale Elemente haben kaum Einfluss auf die Umwandlungstemperatur und lösen sich in beiden Phasen weitgehend auf.

Vier typische Arten von Binärsystemen

1. Peritektoide und Verbund bildende Systeme: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N und Ti-O. Die breiten Alpha-Mischkristallbereiche von Ti-Al, Ti-Sn und Ti-Ga sind für hitzebeständige Legierungen von Bedeutung.
2. Kontinuierliche Beta- und begrenzte Alpha-Löslichkeit: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta und Ti-Mo. Diese Elemente mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur stabilisieren die Beta-Phase. Bei einer kritischen Konzentration kann durch schnelles Abkühlen die Beta-Phase bis zur Raumtemperatur vollständig erhalten bleiben.
3. Eutektoide Systeme: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi und Ti-W. Cu, Si und H sind aktive eutektoide Beta-Stabilisatoren und können zu einer Ausscheidungshärtung führen; Fe, Mn und Cr wandeln sich so langsam um, dass Alpha-Beta-Strukturen nach normaler Abkühlung erhalten bleiben können.
4. Kontinuierliche Alpha- und Beta-Mischkristalle: Ti-Zr und Ti-Hf. Zr verstärkt Alpha und wird häufig verwendet; Hf ist schwer, selten und weniger praktisch.

Eine effektive Legierungsauslegung bedeutet daher, die richtigen Elementarten und Zusätze auszuwählen, um das gewünschte Phasengleichgewicht, die gewünschten mechanischen Eigenschaften und das gewünschte Verarbeitungsverhalten zu erzielen.