Alfa-bèta-titaniumlegeringen: warmtebehandeling en eigenschappen

Alfa-bèta-titaniumlegeringen bevatten bij kamertemperatuur beide fasen en combineren de vervormbaarheid van bèta met de stabiliteit en sterkte van alfa. Hun uiteindelijke eigenschappen zijn sterk afhankelijk van de oplostemperatuur, de vervormingsgeschiedenis, de afkoelsnelheid en de veroudering. Ti-6Al-4V is het bekendste voorbeeld.

Beta-gloeien en lamellaire structuren

Verwarming boven de bèta-transus verwijdert primair alfa. Tijdens afkoeling ontstaat alfa aan de korrelgrenzen van de vroegere bèta-fase en groeit het naar binnen toe in de vorm van kolonies van parallelle plaatjes. Langzame afkoeling leidt tot grove alfa-platen; snellere afkoeling verfijnt de platen en kan alfa-prime-martensiet vormen. Grovere lamellaire structuren verbeteren over het algemeen de breuktaaiheid en de kruipweerstand, terwijl fijnere structuren de sterkte en de vermoeidheidsweerstand verhogen, maar de ductiliteit kunnen verminderen.

Afkoelsnelheid en faseovergang

De afkoelsnelheid bepaalt of bèta diffusief uiteenvalt in alfa en achtergebleven bèta, of dat het verandert in martensitische producten. Het beïnvloedt ook de grootte van de kolonies en de dikte van de alfa-lamellen. De daaruit voortvloeiende balans tussen sterkte en ductiliteit moet daarom worden afgestemd op de afmetingen van het profiel en het afkoelvermogen.

Alfa-bèta-annealing en bimodale structuren

Door gloeien in het alfa-bèta-gebied blijft een gecontroleerd aandeel aan equiaxiaal primair alfa behouden. Het resterende bèta verandert tijdens het afkoelen, waardoor secundair lamellair alfa ontstaat binnen een bèta-matrix. Deze bimodale structuur combineert de vermoeidheidsweerstand en ductiliteit van equiaxiaal alfa met de breuktaaiheid en kruipgedrag van getransformeerd bèta.

Door middel van een tweetraps gloeibehandeling kunnen eerst de primaire-alfa-fractie en de morfologie worden vastgesteld, waarna de getransformeerde bèta-fase wordt gestabiliseerd. Oplossingbehandeling en veroudering versterken de legering door middel van gecontroleerde neerslag, maar een te hoge temperatuur, een te lange houdtijd of trage afkoeling kunnen de structuur grover maken. Bij het procesontwerp moeten daarom de temperatuur ten opzichte van de bèta-transus, het afkoelverloop en de verouderingsreactie worden gespecificeerd, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op een warmtebehandelingslabel.

Afwegingen tussen eigenschappen

• Equiaxiale structuren bevorderen de ductiliteit en de weerstand tegen hoogcyclische vermoeidheid.
• Lamellaire structuren bevorderen de weerstand tegen scheurgroei, de breuktaaiheid en de kruip.
• Bimodale structuren bieden een praktisch evenwicht voor veel onderdelen in de lucht- en ruimtevaart.
• Fijngetransformeerde producten verhogen de sterkte, maar kunnen de trekrek verminderen.
• De korrelgrootte van de prior-bèta, de primaire-alfafractie en de afstand tussen de alfa-lamellen zijn cruciale controlevariabelen.